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1、第五章 ECL和IL电路 内容提要介绍ECL和I2L的设计思想，演变过程，结构 及性能特点 我们已对双极型逻辑，集成电路中应用最广 泛的TTL电路进行系统的分析，现在有必要再介 绍两种重要的双极型逻辑集成电路： 双极型逻辑速度最高的电路ECL 唯一能进入超大规模的双极型电路 I2L5-1 ECL电路ECL是一种典型的非饱和型逻辑电路，特点 是在工作过程中，晶体管不进入饱和区，电路无 存储时间，因而速度非常高。此外，ECL基本单 之具有“或”及“或非”两个输出端，灵活性强，易 于构成各种复杂的逻辑电路。缺点是功耗大，逻 辑摆幅小，扰干扰能力差。 由于ECL电路中的晶体管不进入饱和区，晶 体管的电
2、流，电压关系服从于简单的数学表达式 ，于是在电路的分析过程中，我们可以推导出数 学表达式来表征电路的性能。一、ECL电路的工作原理两输入端或/或非门，如图所示整个电路可分为三大部分：电流开关、定偏电压源、射随器输出1：电流开关 由T1、T2及负载电阻RC1、RC2， 耦合电阻 RE构成，完成“或”及“或非”功能。RP为下拉 电阻。 当A、B开路时 ： 设A、B至少有一个高电平，则VE上升，T2 截止，VC1为低电平 VC2输出高电平此时： 设A，B全为低电平，T1截止，T2导通 VC1高电平 VC2低电平故： 2：射随器输出由T3，T4，RO1，R02构成。电流开关虽已完成了或/或非的基本功能
3、，但存在两个致命的缺陷： 其一是负载能力的问题。 其二是前后级的耦合问题。设VOH=OV，驱动下级门，此时后级门VC1=- IERC0 V。于是T1进入饱和，与ECL非饱和相矛盾 显然，加射随器首先解决了负载能 力问题其次，降低了输出电平：设 VBE3=VBe4IEIRC1=IE2RC2则两个输出端“0” “1”电平分别等值。现在分析耦合问题 设：VA=VOH=-VBE 则：VC1=-IE1RC1 VCB=- IE1RC1+VBE根据非饱和要求，应有VCBO- IE1RC1+VBE O （- IERC-VBE）+VBE-VBE VOL-VOH-VBE VOH-VOHVBE于是：ECL电路逻辑摆
4、幅小于VBE。3参考电压源VBB由 R1、R2、D1、D2、T5构成。考虑单输入端ECL单元当VA=VBB时，T1、T2导通能力相当 VC1=VC2 Vor=Vnor 此时，VA微弱的变化将使输出电平确定。因此可以认为最佳抗干扰设计：当温度变化时，VOH ，VL变化，于是VBB 应跟随变化。将VOH ，VL代入：VBB = - VBE这就是对参考电源的要求分析参考电压源 当D采用BE结，适当地选了以R1, R2数值。可使VBB保持在高、低电平的中点。二、ECL电路的特性及参数1：电压传输特性：分析VnorVi关系 设B开路，VA=Vi设IESA=IES2=IES 又 将VE代入，以曲线直观地表
5、示如图：对ECL，通常定义：当 时，对应的Vi为关门电压VIL；当 时，对应的Vi为开门电压VIH。又：当 时：于是：同理可求：过渡区宽度: 2、主要直流参数抗干扰： a：VOH b：VOL c：VIL, VIHd：VNMH, VNML负载能力： a：输入电流IB b：最大输出电流IOM规定加负载后: c：扇出：但No多，引线寄生电容大，故一般规定No8。 静态功耗 RE：输入高电平：输入低电平：R3：R2：R01、R02电流互补： 总电流：IEE=9.4mA静态功耗：P=48.9mW3、瞬态特性：ECL电路的高速性能可以从以下几 个方面反映出来：A：逻辑摆幅小，节点电流充放电幅度小，时间短。
6、B：晶体管不进入饱和，无存贮时间。C：定偏管T2工作于共基极状态，输入管T1基极电位变化幅度小，相当于定偏管电流作为输入信号，通过射极传递到集电极，故T1类似于共基使用，频响好。三、逻辑扩展：1.多输出端“或/或非”门在单输出门基础上增加射随输出器。2.“或与/或与非”门:3.“与/与非”门4、“异或”门四、版图设计特点：1、Rc1、Rc2、RE在电路设计中要求依从此例关系， 因而版图设计中，应取条宽一致，且平行排列。 这样，当存在工艺偏差时，阻值偏并趋于一致。a、两个端输出低电平一致：设T3、T4完全相同，且ICIE则： b、VL极限值为VBE 2、电流开关晶体管特性要求一致，尺寸相同， 位
7、置靠近。 3、除偏置电源外，所有晶体管图形尺寸尽可能小，并尽量减小后，以提高，改善响应速度。 4、所有输出管应特性一致，故图形尺寸一致，置于同一隔离区，以保证各端输出等电平。5-2 I2L电路 一、工作原理1、I2L电路的由来 I2L电路又称并合晶体管逻辑（MTL）、诞 生于七二年具有集成度高，电路优值小，工艺及 版图简单，且与模拟IC及其它数字IC工艺相容等 优点。它的出现，标志着双极型IC在集成度及功 耗方面的一次重大突破。 回顾双极型逻辑IC的发展历史，最早考虑集 成的是DCTL，由于抢电流的致使弱点，DCTL并 未得到实际应用。最早集成的电路RTL，为改善 响应速度，出现了RCTL，制
8、作上的困难导致 DTL的诞生，对速度的考虑发明了TTL，随之是 四管单元，五管单元，六管单元。 性能上的每一次进步，付出的代价 是电路中元件的增加，结构随之复杂 ，因而大规模集成遇到很大困难，归 纳有三条：a、单门电路元件多，结构复杂，即使大量采用简化门，仍不够简单。b、电路中使用电阻，功耗大，占用芯片面积大。c、元件之间需隔离，约占据芯片总面积的4060%，且造成工艺复杂。 对应大规模集成所遇到的困难 ，人们考虑了许多对策，归纳起来 也有三条： a、饱和型开关电路均以共射晶体管作基本电路组态，如以衬底作为射区，则晶体管之间无需专门隔离。 b、如以有源负载代替电阻，则功耗及面积均可缩小。 c、
9、IC中的晶体管存在寄生效应，如利用寄生晶体管作为电路中的某些基本元件，则既可节省面积，又可简化工艺。沿着这三条思路，人们又回过头重新考 虑最简的电路DCTL，对其进行改进，研制 成功I2L。演变过程如下： 考虑两级DCTL电路：首先将集电极 电阻移至下级门的基极，这样不影响逻辑 关系。 再考虑虚线框内三个晶体管，它们共 基极和射极电位，仅集电极分离，可合并 为一个多集电极管。最后以一个PNP管作 为有源负载代替R，得到一个新的逻辑单 元多集电极倒相器。这就是I2L电路的基本单元。2、I2L基本单元结构 结构及单元线路图如下 由结构可见，I2L电路基本单元由两个 晶体管构成，有两个电极为晶体管共
10、用，结 合成一个统一的整体，故又称并合晶体管逻 辑（MTL） Ep：多集电极倒相器注入条，连接寄生横向PNP管射极，外接电源，向各倒相器提供电流。 B：输入端，连接PNP管集电极及倒相器基极。 C1、C2、C3：输出端 EN：接地端，作为多集电极晶体管射极及寄生横向PNP管基区。由版图及剖面图看： a、I2L基本单元采用DCTL形式，简单，元件少。 b、将普通NPN反向运用，射极等电位（地 ），故各倒相器间无需隔离。 c、注入条可供各单元共用。 d、以寄生横向PNP管替代电阻R，节省了面积又减小了功耗。这样，大规模集成电路的几点必备条件 均具备了，（每门功耗低、元件少，结 构简单，工艺简单），
11、因而可以进入LSI 及VLSI。3、I2L工作原理 I2L单元具有两个状态：载流子积累状态导通态“0”载流子耗尽状态截止态“1”设EpVBE，则空穴从P1区注入n区，大部分被P2 收集。a、B开路（浮空或前级截止），则空穴在P2区域 积累，Vp2上升，迫使NPN管BE结导通，N区 向P2注入电子，被集电极N+收集，于是NPN管 导通，C1、C2输出“0”电平。b、B短路（对地短接或前级导通），注入P2 的空穴由B端流出，Vp20时，第二项不能忽略，可将一个多集电 极晶体管视为多个发射结完全相同的晶体管。设输入高电平，则设输入高电平，则T T1 1、T T2 2、T T3 3同时饱和导同时饱和导
12、 通，若集电极负载一致，则通，若集电极负载一致，则I IC1C1=I=IC2C2=I=IC3C3，I IB1B1=I=IB2B2=I=IB3B3，不存在抢电流现象。，不存在抢电流现象。设设I IC1C1减小，据：减小，据： V Vceslcesl将下降将下降V VBC1BC1上升上升I IB1B1增大。增大。T T1 1抢了抢了T T2 2、T T3 3的电流，即的电流，即I IC1C1变化引变化引 起起I IC2C2、I IC3C3变化。变化。 利用多集电极晶体管利用多集电极晶体管E-ME-M模型对这模型对这 种抢电流现象进行数学推导，可以种抢电流现象进行数学推导，可以 证明：只要这个晶体管正向运用时证明：只要这个晶体管正向运用时 的电流增益足够大，则抢电流现象的电流增益足够大，则抢电流现象 可以忽略。可以忽略。
