集成注入逻辑电路.PPTVIP

第六章 集成注入逻辑（I2L）电路 信息工程学院 李薇薇 liweiwei@hebut.edu.cn 集成注入逻辑I2L又称并合晶体管逻辑MTL(Merged Transistor Logic)，它是一种新型的双极型逻辑电路。 自1972华诞生以来，发展很快，对双极型大规模集成电路的发展起了巨大的推动作用。它具有集成度高，功耗—延迟时间乘积，低制造工艺比较简单，可与模拟集成电路和其它数字电路共作于同一芯片等优点。 它的出现，标志着双极型集成电路在集成度和功耗方面的一次巨大突破，为双极型大规模集成电路的发展开辟了新的途径，越来越受到人们的重视。 优点：具有集成密度高，功耗低，延时功耗积小，成本低，工艺与其他双极型集成电路兼容等优点。 用途：能使设计人员把数字电路和模拟电路故放在同一块芯片中，可用它来制造高性能、低成本的数字／模拟结合的LSI和VLSI电路。 双极型大规模集成电路的研制过程中，遇到了很多困难。归纳起来，大致有三点： （1）单门电路的结构比较复杂，元件较多，虽然常采用一些简化门结构，但仍不够简单； （2）需要采用隔离技术。隔离在普通双极型电路中占芯片面积的40～60％，而它又是工艺复杂的主要原因； （3）需要电阻，这就难以降低功耗和缩小芯片面积。 人们在研制双极型大规模集成电路的实践中，逐渐地认识到： （1）饱和型开关电路是以共发射极晶体管作为基本开关元件的，如果用基片作为发射区就可以省略掉晶体管之间的隔离； （2）电路中的电阻是无源元件它既消耗功率，又占用较大的面视如用有源元件代替，既可降低功耗又可增加集成度； （3）集成电路中的晶体管存在着寄生晶体管效应，—般应尽量减小乃至消除它，但是，如果能在电路设计上有效地利用寄生晶体管作为电路中的元件，既可增加集成度，又可简化工艺。 人们正是沿着这些思路，选择了结构最简单的直接耦合晶体管逻辑电路作为改进的对象，研制成功了I2L电路。 6.1 I2L电路的基本单元结构 一般I2L电路是一种单端输入多消输出的反相 器。基本单元由一个横向PNP管和一个倒置 的多集电极NPN管组成，这两个管子有两对 电极是共用的：PNP管的集电极和NPN管的 基极共用，PNP管的基极和NPN管的发射极 共用，二者互相锅合结合成一个统一的整 体，所以I2L电路通常又称为并台晶体管逻辑 (MTL）电路。  6.1.1 I2L电路的基本单元 (1)VP端称为多集电极倒相器的注入端，它连接的区相当于单元电路中PNP管的发射区，外接电源，由它向各倒相器提供电流。 (2)B端称为多集电极倒相器的输入端，它连接的区既是PNP管的集电区，又是反向运用NPN管的基区。 (3)C1、C2、C3是多集电极倒相器的输出端，它连接的N＋区是反向运用NPN管的集电极。 (4)EN是多集电极倒相器的接地端，它连接衬底N，N既是PNP管的基区，又是反相工作NPN管的发射区。 这种电路结构具有以下一些特点： NPN管是倒置的，即将普通集成电路中副晶体管集电区 作为发射区，而将发射区作为集电区。由于I2L电路中NPN管的发射区都是接地的，所以各单元电路间不需要 隔离，这就简化了工艺，缩小了芯片面积。 每个单元电路只有一对互补管子，而且这两个管子又有两对电极是共用的、所以电路形式简单，元件少，单元内部没有互连线。 单元电路中没有电阻．而是用横向PNP管代替普通集成电路中的高值电阻，本级的PNP恒流注入管既是本级反相器的电流源，又是前级的负载，使单元电路的面积缩小，功耗下降。 因此， I2L单元电路平均占用芯片面积小，功耗低，而且各 单元间互连容易。 总结：集成注入逻辑的基本单元是由横向结构的PNP晶体管和纵向结构反向运用的多集电极NPN晶体管构成的。PNP管的集电区与NPN管的基区共用，PNP管的基区同NPN管的发射区共用，它们之间互相渗透，结合成一个统一的整体。因此，集成注入逻辑(I2L)电路通常又称为并合品体管逻辑(MTL)电路。 6.2 I2L基本单元电路的工作原理 6.2.1当前级的输出为1态时的情况 前级的输出为1时QN2管截止，注入到B点的电流IP，全部流向QN2管的基极QN2管导通，VB＝ VBE ≈ 0.7V (等于正常NPN管的集电结正向压降VBC)。 如果Ip足够大，就可使QN2处于深饱和，其各输出端的饱和压降近似为管QN2的本征饱和压降Vces≈ Vces0所以，当I2L电路的输入为高电平 QN2管各集电极的输出为低电平且VOL ≈ Vces0 ＝（20~60）m V 6.2.2当前级的输出为0态时的情况 前级的输出为0时QNl管饱和．其饱和压降Vces.N1 ≈ 0.05v其值随工作点的升高而略有减小。此时电源电压VP基本上都跨在横向PNP管Qp上，注入到B点的电流IP全部流入QN