单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2006年 韩 良,*,国际微电子中心,集成电路设计原理,第四章 ECL电路和I,2,L电路,2019年 韩 良,1,第四章 ECL电路和I2L电路2019年,4-1,ECL电路,2019年 韩 良,2,4-1 ECL电路2019年 韩 良2,发射极耦合逻辑（ECL）,电路是电流型逻辑电路，,晶体管不进入饱和区工作,，而是在截止和放大两个状态间转换，电平变化幅度小，因而,速度快，但功耗大,。,2019年 韩 良,3,发射极耦合逻辑（ECL）电路是电流型逻辑电路,思考题,1.,ECL电路速度快的原因有哪些,？,2.,ECL电路为什么要用射极跟随器？,3.,射极跟随器有哪些作用,？,4.,参考电压源,有什么作用,？,5.,ECL电路版图设计有什么特点？,2019年 韩 良,4,思考题1.E,4.1.1,ECL电路工作原理,1.ECL电路基本单元,-,或/或非门,-,V,EE,A,B,or,nor,220,245,50k,50k,779,907,6.1k,4.96k,2k,2k,电流开关,参考电压源,射极跟随器,2019年 韩 良,5,4.1.1 ECL电路工作原理 1.ECL电路基本单元-,4.1.1,ECL电路工作原理,2.电流开关,-,V,EE,A,B,C2,C1,220,245,50k,50k,779,V,BB,(-5.2V),R,E,R,PA,R,PB,R,C1,R,C2,T,1A,T,1B,T,2,T,1A、,T,1B,为输入管，T,2,为定偏管。工作时V,EE,=-5.2V,定偏电压：V,BB,=,(,V,OH,+,V,OL,),/2=-1.3V,输入信号的高低电平各为V,IH,=-0.92V,V,IL,=-1.75V。,当A、B都输入低电平时，T,1A,T,1B,的基极都是-1.75V，,2019年 韩 良,6,4.1.1 ECL电路工作原理 2.电流开关-VEEAB,4.1.1,ECL电路工作原理,2.电流开关,-,V,EE,A,B,C2,C1,220,245,50k,50k,779,V,BB,(-5.2V),R,E,R,PA,R,PB,R,C1,R,C2,T,1A,T,1B,T,2,而此时T,2,的基极电平更高些(-1.3V)，故T,2,导通并将其发射极点平钳位在V,E,=V,BB,-V,BE,=-2.07V(假定发射结的正向导通压降为0.77V)。,这时T,1A,T,1B,的发射结上只有0.32V，故T,1A,T,1B,截至，T,2,导通。C,1,为高电平，C,2,为低电平。,2019年 韩 良,7,4.1.1 ECL电路工作原理 2.电流开关-VEEAB,4.1.1,ECL电路工作原理,2.电流开关,-,V,EE,A,B,C2,C1,220,245,50k,50k,779,V,BB,(-5.2V),R,E,R,PA,R,PB,R,C1,R,C2,T,1A,T,1B,T,2,当A、B有高输入电平时，假定A为高电平，,T,1A,的基极为-0.92V,高于V,BB,所以T,1A,导通并将发射极电平钳在V,E,=V,IH,-V,BE,=1.69V。,此时，加在T,2,发射结上的电压只有0.39V，故T,2,截至，C,1,为低电平，C,2,为高电平。,2019年 韩 良,8,4.1.1 ECL电路工作原理 2.电流开关-VEEAB,4.1.1,ECL电路工作原理,2.电流开关,-,V,EE,A,B,C2,C1,220,245,50k,50k,779,V,BB,(-5.2V),R,E,R,PA,R,PB,R,C1,R,C2,T,1A,T,1B,T,2,此电路的作用相当于一个电流开关，时而把电流拨给输入管，时而又把电流拨给T,2,管。,C1=A+B (nor),C2=A+B (or),2019年 韩 良,9,4.1.1 ECL电路工作原理 2.电流开关-VEEAB,4.1.1,ECL电路工作原理,2.电流开关,R,PA,、,R,PB,是为了防止输入浮空效应。,改进：用恒流源代替R,E,在两种状态中，电流I,RE,的值不同，因而为了使两端输出低电平一致，R,C1,、,R,C2,应取不同的值。,V,OH,=,0V,V,OL,=,-,I,C1,R,C1,=,-,I,C2,R,C2,-,V,EE,A,B,C2,C1,220,245,50k,50k,779,V,BB,(-5.2V),R,E,R,PA,R,PB,R,C1,R,C2,T,1A,T,1B,T,2,2019年 韩 良,10,4.1.1 ECL电路工作原理 2.电流开关,4.1.1,ECL电路工作原理,2.电流开关,问题：,电流开关虽然完成了逻辑功能，但是直接级联时会使输入晶体管进入饱和，失去高速的特点。,例如：V,A,输入高电平0V,T,1A,导通，V,C1,输出低电平（小于0V），因而T,1A,饱和导通。,-,V,EE,A,B,C2,C1,220,245,50k,50k,779,V,BB,(-5.2V),R,E,R,PA,R,PB,R,C1,R,C2,T,1A,T,1B,T,2,2019年 韩 良,11,4.1.1 ECL电路工作原理 2.电流开关问题：电流开,4.1.1,ECL电路工作原理,2.电流开关,-,V,EE,A,B,C2,C1,220,245,50k,50k,779,V,BB,(-5.2V),R,E,R,PA,R,PB,R,C1,R,C2,T,1A,T,1B,T,2,-,V,EE,A,B,C2,C1,220,245,50k,50k,779,V,BB,(-5.2V),R,E,R,PA,R,PB,R,C1,R,C2,T,1A,T,1B,T,2,2019年 韩 良,12,4.1.1 ECL电路工作原理 2.电流开关-VEEAB,4.1.1,ECL电路工作原理,3.射级跟随器,V,OH,=-V,be3,=-V,be4,V,OL,=,-V,be3,-,I,C1,R,C1,=-V,be4,-,I,C2,R,C2,V,L,=I,C1,R,C1,=I,C2,R,C2,为了实现前后级耦合时电平匹配，要求：,取V,L,=V,be,T,3、,T,4,进行电平移位,典型值：V,OH,-0.9,V,V,OL,-1.7V,V,BB,-1.3,V,-,V,EE,or,nor,2k,2k,C,1,C,2,T,3,T,4,R,O3,R,O4,2019年 韩 良,13,4.1.1 ECL电路工作原理 3.射级跟随器VOH=,4.1.1,ECL电路工作原理,3.射级跟随器（续）,or,nor,-,V,EE,2k,2k,C,1,C,2,T,3,T,4,R,O3,R,O4,-,V,EE,2k,2k,R,O3,R,O4,可以开射级输出，更好地实现系统匹配。,可以接多个射级跟随器，实现更多个输出。,具有电流放大作用，提高了负载能力。,2019年 韩 良,14,4.1.1 ECL电路工作原理 3.射级跟随器（续）orn,4.1.1,ECL电路工作原理,4.参考电压源,907,6.1k,4.96k,-,V,EE,V,BB,R,3,R,1,R,2,对参考电压的要求:,V,BB,=,(,V,OH,+,V,OL,),/2,=,(-2,V,be,-,I,C1,R,C1,)/2,=,-3,V,be,/2,V,BB,V,EE,2,V,be,R,1,+R,2,R,1,V,be,实际电路：,适当选取电阻,R,1,、,R,2,的值即可达到要求值。,2019年 韩 良,15,4.1.1 ECL电路工作原理 4.参考电压源9076.1,4.1.2,ECL电路的特点,1.所有晶体管都不进入饱和区工作，没有超量存储电荷，速度快；,2.逻辑摆幅小，节点电容充放电幅度小，速度快；,3.功耗大，噪声容限低。但是两种工作状态下的电源电流几乎相同，内部噪声小。,2019年 韩 良,16,4.1.2 ECL电路的特点1.所有晶体管都不进入饱和区工作,4.1.3,ECL电路逻辑扩展,1.ECL或与非/或与门,-V,EE,A,B,F,1,F,2,D,C,V,BB,F,1,=(A+B)(C+D),F,2,=(A+B)(C+D),2019年 韩 良,17,4.1.3 ECL电路逻辑扩展 1.ECL或与非/或,4.1.3,ECL电路逻辑扩展,2.ECL与/与非门,F,1,=AB,F,2,=AB,需要参考电压源提供两个相应的参考电压，输入信号也需要进行电平匹配。,-V,EE,A,B,V,BB1,V,BB2,F,1,F,2,V,BB3,R,4,R,1,R,2,R,e,R,3,2019年 韩 良,18,4.1.3 ECL电路逻辑扩展 2.ECL与/与非门F1,4.1.3,ECL电路版图设计特点,1.,晶体管采用条状结构，较小基极电阻，降低噪声，尽量减小尺寸，以便提高特征频率。,2.,输出晶体管形状、尺寸要相同，放在等温线上，以便减小特性差异。,3.,精度高、比例关系强的电阻条宽要相等，宽度适当，并行排放。精度不高的高阻值电阻采用沟道电阻。电阻的排放要注意温场。,2019年 韩 良,19,4.1.3 ECL电路版图设计特点1.晶体管采用条状结构，,4-2,I,2,L电路,2019年 韩 良,20,4-2 I2L电路2019年 韩 良2,集成注入逻辑（Integrated Injection Logic,I,2,L）,电路占用芯片面积小，功耗低，但速度慢，驱动能力弱。,2019年 韩 良,21,集成注入逻辑（Integrated Inje,思考题,1.,I,2,L电路的集成度为什么会很高,？,2.,I,2,L电路的速度为什么会很慢？,3.,进行,I,2,L电路版图设计时应注意那些问题,？,2019年 韩 良,22,思,4.2.1,I,2,L基本单元电路结构及特点,P,N-sub (,GND,),P,N+,N+,N+,VP,Vi,单元内公用电极多，,没有内连线,，,没有电阻,，,不需要隔离,，单输入多输出的倒相器。,倒置NPN,2019年 韩 良,23,4.2.1 I2L基本单元电路结构及特点PN-sub,4.2.2,I,2,L基本单元工作原理,1.,注入电流的产生,P,N-sub (,GND,),P,N+,N+,N+,VP,Vi,VP加一个大于pn结正向导通压降的电压，横向PNP管导通，产生注入电流。,2019年 韩 良,24,4.2.2 I2L基本单元工作原理 1.注入电流的产生P,4.2.2,I,2,L基本单元工作原理,2.,导通态,P,N-sub (,GND,),P,N+,N+,N+,VP,Vi,如果输入为1（或前级,I,2,L,截止），空穴在NPN管基区（PNP管集电区）堆积，使NPN管饱和导通（PNP管深饱和）。,V,OL,0.05V,2019年 韩 良,25,4.2.2 I2L基本单元工作原理 2.导通态PN-su,4.2.2,I,2,L基本单元工作原理,3.,截止态,P,N-sub (,GND,),P,N+,N+,N+,VP,Vi,如果输入对地短路（或前级I,2,L 导通），空穴被从NPN管基极抽走，使NPN管截止（PNP管临界饱和）。,V,OH,0.7V,(被后级同类们箝位）,2019年 韩 良,26,4.2.2 I2L基本单元工作原理 3.截止态PN-su,4.2.2,I,2,L基本单元工作原理,3.,截止态,VP,Vi,如果输入对地短路（或前级I,2,L 导通），空穴被从NPN管基极抽走，使NPN管截止（PNP管临界饱和）。,V,OH,0.7V,(被后级同类们箝位）,VP,Vi,2019年 韩 良,27,4.2.2 I2L基本单元工作原理 3.截止态VPVi,4.2.3,I,2,L基本单元正常工作的条件,Q,1,输出低电平时，,Q,3,处于深饱和，,I,B1,=,3深饱,I,P,；,Q,1,处于深饱和，,Q,4,处于临界饱和，,Q,1,要吸收后级(,Q,4,),全部的灌入电流，,I,C1,=N,O,4临饱,I,P,为了能够全部吸收，要求：,1,I