TTL門電路設(shè)計(jì)

1、4.6 TTL門電路設(shè)計(jì)門電路設(shè)計(jì) 集成電路的線路設(shè)計(jì)，主要根據(jù)理論分析和模擬試驗(yàn)來選擇線集成電路的線路設(shè)計(jì)，主要根據(jù)理論分析和模擬試驗(yàn)來選擇線路形式，確定電阻阻值和晶體管的特性。以中速路形式，確定電阻阻值和晶體管的特性。以中速TTL為例：為例：一、六管一、六管TTL與非門的線路設(shè)計(jì)與非門的線路設(shè)計(jì) 根據(jù)前面的分析，電路的速度與靜根據(jù)前面的分析，電路的速度與靜態(tài)參數(shù)對電阻的要求是矛盾的。從速度態(tài)參數(shù)對電阻的要求是矛盾的。從速度上講，要求上講，要求R1、R2、R5等阻值小些，等阻值小些，但從但從IIL 、IIH 、ICCL、ICCH參數(shù)的考慮參數(shù)的考慮則要求電阻大一些，所以設(shè)計(jì)時(shí)兼顧到則要求電阻

2、大一些，所以設(shè)計(jì)時(shí)兼顧到這兩方面。這兩方面。一般原則是一般原則是:在保證直流參在保證直流參數(shù)合格的前提下，電阻值應(yīng)盡量小些，數(shù)合格的前提下，電阻值應(yīng)盡量小些，以利于電路速度的提高。以利于電路速度的提高。1、電阻阻值的確定、電阻阻值的確定TTL門電路的靜態(tài)參數(shù)門電路的靜態(tài)參數(shù)。這里取為因此約為其基區(qū)寄生電阻區(qū)管往往采用長脖基但由于應(yīng)取則KRKRrTKRRRb4,42 . 3,600400,6 . 3%,201111考慮到最壞情況，取考慮到最壞情況，取VCC=5.5V,如果基區(qū)擴(kuò)散電阻的相對誤差如果基區(qū)擴(kuò)散電阻的相對誤差 （1）R1： R R1 1和和I IILIL、I ICCLCCL、I ICC

3、HCCH等參數(shù)有關(guān)，但等參數(shù)有關(guān)，但I(xiàn) IILIL (1.6mA) (1.6mA)單獨(dú)由單獨(dú)由R R1 1確定確定11RVVIbesCCIL所以所以KIVVRILbesCC36 . 17 . 05 . 511KKmARVVIVVRbesCCCCHbeFCC1 . 247 . 05 . 55 . 37 . 05 . 51134 由于由于R4對電路速度影響較小，對電路速度影響較小，并考慮到電阻制作時(shí)的誤差，并考慮到電阻制作時(shí)的誤差，R4可取得大一些，如可取得大一些，如33.5K，這，這里取里取R4=3K 。（2）R4：R R4 4主要和主要和I ICCHCCH(3.5mA)(3.5mA)參數(shù)有關(guān)，

4、由：參數(shù)有關(guān)，由： 431141RVVRVVIIIbeFCCbesCCRRCCH得：得： 。這里取可取對于中速電路功耗速度和瞬態(tài)它的數(shù)值影響著電路的阻是瞬態(tài)大電流的限流電10012075:).4(555，R。，RR728) 1 . 08 . 07(8 . 03 . 05 . 541522mAIIIVVVRRRCCLbescesCC（3）R2：R R2 2和和I ICCLCCL(7mA)參數(shù)的關(guān)系密切，由：參數(shù)的關(guān)系密切，由： 4352252114212RVVVRVVVRVVVIIIIbeFbescesbescesCCbesbcFCCRRRCCL得得: 考慮到電阻制作的誤差，考慮到電阻制作的誤差

5、，R2一般可一般可取取750 1K，這里取，這里取R2=1K 。 根據(jù)根據(jù)T6管工作狀態(tài)，可將管工作狀態(tài)，可將T6網(wǎng)絡(luò)分為深飽和型，淺飽和網(wǎng)絡(luò)分為深飽和型，淺飽和型和非飽和型三種。這是由型和非飽和型三種。這是由Rb和和RC來決定的。因此來決定的。因此T6網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)就是選擇設(shè)計(jì)就是選擇Rb和和RC的阻值以確定的阻值以確定T6管的工作狀態(tài)。管的工作狀態(tài)。2、T6網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 與與T6網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的電路如圖所示。在電路導(dǎo)通時(shí)，網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的電路如圖所示。在電路導(dǎo)通時(shí)，T6網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的分流值的分流值IE6為：為：CbCcesbesbbesbesCBBEERRRVVRVVIIIII5 . 01 . 06

6、56566526 IE6的大小與的大小與T5管的工作狀態(tài)有關(guān)：管的工作狀態(tài)有關(guān)：若若T5工作在深飽和態(tài)，則工作在深飽和態(tài)，則IE6分流值要小分流值要小一些；若一些；若T5工作在淺飽和態(tài)，則工作在淺飽和態(tài)，則IE6分流分流值要大一些。值要大一些。T6網(wǎng)絡(luò)的分流值網(wǎng)絡(luò)的分流值IE6在在IB6和和IC6之間如何分配，則取決之間如何分配，則取決T6管的工管的工作狀態(tài)。作狀態(tài)。CCbCcesbesbbesbesERRRRVVRVVI7 . 05 . 01 . 0656563111156CCbbesEDRRRVIR T6處于深飽和態(tài)，處于深飽和態(tài)，S64，一般取，一般取RC=2Rb，如在，如在LSTTL電

7、路電路中?？傻玫?，在電路為導(dǎo)通態(tài)時(shí)，中?？傻玫剑陔娐窞閷?dǎo)通態(tài)時(shí)，T6網(wǎng)絡(luò)的分流值為：網(wǎng)絡(luò)的分流值為：（1）深飽和型：）深飽和型： 可見，這種網(wǎng)絡(luò)分流較小，可使可見，這種網(wǎng)絡(luò)分流較小，可使T5管飽和較深；動態(tài)電阻管飽和較深；動態(tài)電阻RD雖然較大（雖然較大（RC=3K），但在截止瞬態(tài)仍有較大的抽取電流），但在截止瞬態(tài)仍有較大的抽取電流能力。因此常用于低功耗電路和驅(qū)動門電路。能力。因此常用于低功耗電路和驅(qū)動門電路。在截止態(tài)，因?yàn)樵诮刂箲B(tài)，因?yàn)門6比比T5晚截止，假定這時(shí)晚截止，假定這時(shí)Vbes6= Vces6=0，則，則T6網(wǎng)絡(luò)抽取電流的動態(tài)電阻網(wǎng)絡(luò)抽取電流的動態(tài)電阻RD為：為：bCbCcesbe

8、sbbesbesERRRRVVRVVI1 . 15 . 01 . 065656（2）淺飽和型：）淺飽和型： T6處于淺飽和態(tài)，一般取處于淺飽和態(tài)，一般取S6=2，RC=Rb/2， 同樣可求得在電同樣可求得在電路為導(dǎo)通態(tài)時(shí)路為導(dǎo)通態(tài)時(shí)T6網(wǎng)絡(luò)的分流值為：網(wǎng)絡(luò)的分流值為：截止態(tài)時(shí)，截止態(tài)時(shí)，T6網(wǎng)絡(luò)抽取電流的動態(tài)電阻網(wǎng)絡(luò)抽取電流的動態(tài)電阻RD為：為：3111156bCbbesEDRRRVIR 可見，這種網(wǎng)絡(luò)分流較大，可使可見，這種網(wǎng)絡(luò)分流較大，可使T5管飽和較淺；動態(tài)電阻管飽和較淺；動態(tài)電阻RD較?。ㄝ^?。≧b=500），抽取電流的能力較強(qiáng)，可提高電路的速度。），抽取電流的能力較強(qiáng)，可提高電路的速

9、度。因此該網(wǎng)絡(luò)常用于中速，高速和甚高速電路。因此該網(wǎng)絡(luò)常用于中速，高速和甚高速電路。mAIIImAIIImAINSISIBEECREILCB26 . 26 . 46 . 49 . 37 . 06 . 2206 . 1845262125055555（3 3）非飽和型：）非飽和型： T6處于放大，一般取處于放大，一般取RC=0。這樣網(wǎng)絡(luò)仍可使。這樣網(wǎng)絡(luò)仍可使T6的導(dǎo)通和的導(dǎo)通和截止比截止比T5滯后一定的時(shí)間，因而仍具有滯后一定的時(shí)間，因而仍具有T6網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。它對網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。它對電路的自調(diào)整作用比前兩種強(qiáng)，但對速度的改善不如前兩種，電路的自調(diào)整作用比前兩種強(qiáng)，但對速度的改善不如前兩種，因此實(shí)際電路

10、很少使用。因此實(shí)際電路很少使用。（4）中速中功耗電路）中速中功耗電路T6網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 因是中速電路而且負(fù)載（因是中速電路而且負(fù)載（N08）也不很重，故）也不很重，故T6網(wǎng)絡(luò)可選網(wǎng)絡(luò)可選淺飽和型，并取淺飽和型，并取S5=4，使，使T5處于深飽和。這樣根據(jù)前面的分析處于深飽和。這樣根據(jù)前面的分析可知：可知：5501 . 16EbIR取取Rb=500，RC=25027521bCRR 下面我們轉(zhuǎn)入討論下面我們轉(zhuǎn)入討論TTL版圖設(shè)計(jì)問題。首先討論集成電路版圖設(shè)計(jì)問題。首先討論集成電路版圖設(shè)計(jì)的一般程序，然后圍繞版圖設(shè)計(jì)的有關(guān)問題進(jìn)行深版圖設(shè)計(jì)的一般程序，然后圍繞版圖設(shè)計(jì)的有關(guān)問題進(jìn)行深入分析，最

11、后給出版圖設(shè)計(jì)的實(shí)例。這里雖然介紹的是入分析，最后給出版圖設(shè)計(jì)的實(shí)例。這里雖然介紹的是TTL電路的版圖設(shè)計(jì)，但所討論的問題對其他集成電路，特別是電路的版圖設(shè)計(jì)，但所討論的問題對其他集成電路，特別是雙極型集成電路具有重要意義。雙極型集成電路具有重要意義。二、版圖設(shè)計(jì)二、版圖設(shè)計(jì)1、集成電路版圖設(shè)計(jì)的一般程序、集成電路版圖設(shè)計(jì)的一般程序 集成電路版圖設(shè)計(jì)就是根據(jù)電路的集成電路版圖設(shè)計(jì)就是根據(jù)電路的參數(shù)的要求參數(shù)的要求，在一定，在一定的的工藝條件工藝條件下，按照下，按照版圖設(shè)計(jì)的規(guī)則版圖設(shè)計(jì)的規(guī)則，設(shè)計(jì)具體的電路中各種，設(shè)計(jì)具體的電路中各種元件的圖形和尺寸元件的圖形和尺寸，然后進(jìn)行排版和布線，從而設(shè)

12、計(jì)出光刻掩，然后進(jìn)行排版和布線，從而設(shè)計(jì)出光刻掩模版。模版。利用利用光刻掩模光刻掩模版，按照一定的工藝流程投片，就可制造版，按照一定的工藝流程投片，就可制造出符合原電路設(shè)計(jì)指標(biāo)的集成電路。當(dāng)然，一個(gè)好的電路要經(jīng)出符合原電路設(shè)計(jì)指標(biāo)的集成電路。當(dāng)然，一個(gè)好的電路要經(jīng)過多次反復(fù)才能成功。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：過多次反復(fù)才能成功。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：(1) 版圖設(shè)計(jì)之前，必須對電路有充分的了解。版圖設(shè)計(jì)之前，必須對電路有充分的了解。 因?yàn)闃?gòu)成集成電路各種元件的參數(shù)指標(biāo)及這些元件之間的因?yàn)闃?gòu)成集成電路各種元件的參數(shù)指標(biāo)及這些元件之間的互聯(lián)都是由電路本身決定的，只有對電路充分了解，才能合互聯(lián)都是由電路本身決定的，只有

13、對電路充分了解，才能合理地設(shè)計(jì)元件的圖形和尺寸，從而設(shè)計(jì)出符合要求的版圖。理地設(shè)計(jì)元件的圖形和尺寸，從而設(shè)計(jì)出符合要求的版圖。(2) 版圖設(shè)計(jì)是以一定的工藝條件為前提的，因此在版圖設(shè)計(jì)版圖設(shè)計(jì)是以一定的工藝條件為前提的，因此在版圖設(shè)計(jì)之前必須對實(shí)際的工藝條件和工藝水平做到心中有數(shù)。之前必須對實(shí)際的工藝條件和工藝水平做到心中有數(shù)。 在對電路和工藝有了充分了解的基礎(chǔ)上，就可進(jìn)行版圖在對電路和工藝有了充分了解的基礎(chǔ)上，就可進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，程序如下設(shè)計(jì)，程序如下:劃分隔離區(qū)。劃分隔離區(qū)。 凡集電極點(diǎn)位相同的晶體管可以共同占用一個(gè)隔離區(qū)，集凡集電極點(diǎn)位相同的晶體管可以共同占用一個(gè)隔離區(qū)，集電極不同的晶體管

14、必須互相隔離。二極管可按晶體管的原則來電極不同的晶體管必須互相隔離。二極管可按晶體管的原則來處理。電阻可以放在一個(gè)隔離區(qū)中，因?yàn)樗麄兪腔ハ喔綦x的，處理。電阻可以放在一個(gè)隔離區(qū)中，因?yàn)樗麄兪腔ハ喔綦x的，有時(shí)為了布線方便，電阻可以放在不同的隔離區(qū)內(nèi)，有時(shí)電阻有時(shí)為了布線方便，電阻可以放在不同的隔離區(qū)內(nèi)，有時(shí)電阻也可和晶體管放在一起。也可和晶體管放在一起。確定版圖設(shè)計(jì)的基本尺寸和版圖設(shè)計(jì)規(guī)則。確定版圖設(shè)計(jì)的基本尺寸和版圖設(shè)計(jì)規(guī)則。 主要由生產(chǎn)線的實(shí)際工藝水平?jīng)Q定。主要由生產(chǎn)線的實(shí)際工藝水平?jīng)Q定。確定電路中各元件的圖形和尺寸。確定電路中各元件的圖形和尺寸。 在在的基礎(chǔ)上，根據(jù)電路的參數(shù)，通過定性的分析

15、和定量的的基礎(chǔ)上，根據(jù)電路的參數(shù)，通過定性的分析和定量的計(jì)算，結(jié)合工藝實(shí)踐，確定出電路中各元件的圖形和尺寸。計(jì)算，結(jié)合工藝實(shí)踐，確定出電路中各元件的圖形和尺寸。排版（布局）和布線。排版（布局）和布線。 在在的基礎(chǔ)上，安排各個(gè)元器件的位置，和它們之間的基礎(chǔ)上，安排各個(gè)元器件的位置，和它們之間的連線。先排出草圖，然后進(jìn)行反復(fù)比較，最后繪制出總圖，的連線。先排出草圖，然后進(jìn)行反復(fù)比較，最后繪制出總圖，以供制版需要。以供制版需要。2、版圖設(shè)計(jì)基本尺寸的確定、版圖設(shè)計(jì)基本尺寸的確定 版圖設(shè)計(jì)中的基本尺寸是版圖設(shè)計(jì)中的基本尺寸是掩模圖形的最小線寬掩模圖形的最小線寬和和掩模圖形掩模圖形的最小間距的最小間距，

16、它是版圖設(shè)計(jì)規(guī)則的主要依據(jù)。，它是版圖設(shè)計(jì)規(guī)則的主要依據(jù)。（1）掩模圖形的最小線寬）掩模圖形的最小線寬 主要由主要由制版能力制版能力和和光刻水平光刻水平?jīng)Q定，它決定了光刻引線孔的大決定，它決定了光刻引線孔的大小和金屬條，電阻條的最小寬度。線寬太小，成品率下降，線小和金屬條，電阻條的最小寬度。線寬太小，成品率下降，線寬太大，電路尺寸要變大，成品率也要受到影響。因此，最小寬太大，電路尺寸要變大，成品率也要受到影響。因此，最小圖形線寬要根據(jù)工藝水平來選定。圖形線寬要根據(jù)工藝水平來選定。掩模對準(zhǔn)容差掩模對準(zhǔn)容差XMAT，它是指元件的理想位置與實(shí)際位置的，它是指元件的理想位置與實(shí)際位置的統(tǒng)計(jì)平均誤差。它

17、是確定圖形最小間距的基本依據(jù)，下表給出統(tǒng)計(jì)平均誤差。它是確定圖形最小間距的基本依據(jù)，下表給出掩模對準(zhǔn)容差的主要成分。掩模對準(zhǔn)容差的主要成分。(2)(2)掩掩模圖形最小間距模圖形最小間距 它是在硅片表面制作的器件相鄰圖形間所需的最小間距。影它是在硅片表面制作的器件相鄰圖形間所需的最小間距。影響它的因素較多，主要有以下因素決定響它的因素較多，主要有以下因素決定:m耗盡層寬度耗盡層寬度Wd 它與電路工作電壓和工藝參數(shù)它與電路工作電壓和工藝參數(shù)(襯底材料的電阻率、襯底材料的電阻率、擴(kuò)散層的摻雜擴(kuò)散層的摻雜)有關(guān)。有關(guān)。橫向擴(kuò)散橫向擴(kuò)散0.8Xj。 不同的擴(kuò)散由于其結(jié)深不同，因而橫向擴(kuò)散大小不一不同的擴(kuò)

18、散由于其結(jié)深不同，因而橫向擴(kuò)散大小不一樣。樣。最壞情況下的最小間距最壞情況下的最小間距Gmin 它是在上述最壞條件下圖形間所留的最小間距。它一它是在上述最壞條件下圖形間所留的最小間距。它一方面是保險(xiǎn)系數(shù)，另一方面也包含了上述各條件中沒有列方面是保險(xiǎn)系數(shù)，另一方面也包含了上述各條件中沒有列入的一些因素。入的一些因素。 根據(jù)根據(jù)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和和器件基本設(shè)計(jì)規(guī)則器件基本設(shè)計(jì)規(guī)則，在一定的假設(shè)，在一定的假設(shè)條件下就可推導(dǎo)出條件下就可推導(dǎo)出掩掩模的最小間距。模的最小間距。(3) 掩掩模最小間距的討論模最小間距的討論工藝設(shè)計(jì)參數(shù)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)器件基本設(shè)計(jì)規(guī)則器件基本設(shè)計(jì)規(guī)則m推導(dǎo)出推導(dǎo)出掩掩模的

19、最小間距模的最小間距m3、集成晶體管版圖設(shè)計(jì)、集成晶體管版圖設(shè)計(jì) 晶體管是集成電路的核心元件，它的圖形和尺寸設(shè)計(jì)是否晶體管是集成電路的核心元件，它的圖形和尺寸設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響到集成電路的性能和成品率。合理，將直接影響到集成電路的性能和成品率。(1)最小面積晶體管最小面積晶體管 由圖形最小尺寸由圖形最小尺寸和圖形最小間距構(gòu)和圖形最小間距構(gòu)成的晶體管成的晶體管 ，是集，是集成電路中常用的晶成電路中常用的晶體管圖形，其它有體管圖形，其它有特殊要求的晶體管特殊要求的晶體管都是在它的基礎(chǔ)上都是在它的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)的。(2)(2)晶體管常用的圖形晶體管常用的圖形在雙極型邏輯電路中，常用的晶體管

20、圖形主要有在雙極型邏輯電路中，常用的晶體管圖形主要有:單基極管單基極管 它是前面討論的它是前面討論的最小面積晶體管，它最小面積晶體管，它的面積小，結(jié)構(gòu)簡單，因此結(jié)電容就小，的面積小，結(jié)構(gòu)簡單，因此結(jié)電容就小，特征頻率高特征頻率高 。因?yàn)槭菃位鶚O，發(fā)射極有。因?yàn)槭菃位鶚O，發(fā)射極有效周長短，基極串聯(lián)電阻大，這對其最效周長短，基極串聯(lián)電阻大，這對其最大工作電流、最高震蕩頻率和噪聲都不大工作電流、最高震蕩頻率和噪聲都不利。這種結(jié)構(gòu)適用于電流小，特征頻率利。這種結(jié)構(gòu)適用于電流小，特征頻率高的場合。高的場合。雙基極管雙基極管 它增加了一個(gè)基極，因而發(fā)射極它增加了一個(gè)基極，因而發(fā)射極有效周長較單基極管長，工

21、作電流大，有效周長較單基極管長，工作電流大，基極串聯(lián)電阻減小，但面積比單基極基極串聯(lián)電阻減小，但面積比單基極管大，特征頻率低。管大，特征頻率低。雙基極雙集電極管雙基極雙集電極管 它的特點(diǎn)是集電極串它的特點(diǎn)是集電極串聯(lián)電阻小，飽和壓降低，聯(lián)電阻小，飽和壓降低，可通過較大的電流，一般可通過較大的電流，一般用做輸出管。用做輸出管。雙發(fā)射極雙集電極管雙發(fā)射極雙集電極管 與雙基極雙集電極管相與雙基極雙集電極管相比，在發(fā)射極有效周長相同比，在發(fā)射極有效周長相同的情況下，這種結(jié)構(gòu)集電極的情況下，這種結(jié)構(gòu)集電極串聯(lián)電阻更小，因而也是輸串聯(lián)電阻更小，因而也是輸出管常用的圖形之一。出管常用的圖形之一。多發(fā)射極管多

22、發(fā)射極管 如圖所示，它是如圖所示，它是TTL電路的主要特征之電路的主要特征之一，在一，在TTL電路中，多發(fā)射極管電路中，多發(fā)射極管T1的主要缺的主要缺點(diǎn)是反向漏電流較大。我們知道要減小反向點(diǎn)是反向漏電流較大。我們知道要減小反向漏電流，就要減小其反向電流增益漏電流，就要減小其反向電流增益R R ，常，常用的方法是采用用的方法是采用長脖子基區(qū)結(jié)構(gòu)長脖子基區(qū)結(jié)構(gòu)。 長脖子基區(qū)結(jié)構(gòu)（如圖所示）可有效的減小反向漏電流。其長脖子基區(qū)結(jié)構(gòu)（如圖所示）可有效的減小反向漏電流。其橫截面和等效電路如圖所示。橫截面和等效電路如圖所示?？紤]考慮IIH由三部分電流組成由三部分電流組成ILSRNLILSRILNLpnCV

23、CLpnIHIIIIIIII)(2121 當(dāng)多射極管進(jìn)入當(dāng)多射極管進(jìn)入飽和飽和時(shí)，時(shí)，bc結(jié)正偏，由于結(jié)正偏，由于沿長脖子基區(qū)電阻上的電壓降的不同，使得二沿長脖子基區(qū)電阻上的電壓降的不同，使得二極管正向壓降也不同。極管正向壓降也不同。圖中最上端的二極管圖中最上端的二極管D1正向偏壓最大，通過的電流也最大。在正向偏壓最大，通過的電流也最大。在rbb足夠足夠大時(shí)，大部分電流將通過大時(shí)，大部分電流將通過D1旁路掉，很少進(jìn)入旁路掉，很少進(jìn)入發(fā)射極對應(yīng)的基區(qū)，從而使反向電流增益發(fā)射極對應(yīng)的基區(qū)，從而使反向電流增益R R大大下降。實(shí)驗(yàn)表明，在摻金情況下，長脖基大大下降。實(shí)驗(yàn)表明，在摻金情況下，長脖基區(qū)的體

24、電阻區(qū)的體電阻rbb在在400600時(shí)，時(shí)， R可減小一個(gè)可減小一個(gè)數(shù)量級以上，使數(shù)量級以上，使R 0.02，從而滿足電路的要，從而滿足電路的要求。求。 多射極管的發(fā)射極較多，為避免各發(fā)射區(qū)對應(yīng)的電阻不同，多射極管的發(fā)射極較多，為避免各發(fā)射區(qū)對應(yīng)的電阻不同，通常在基區(qū)開出引線孔敷以鋁條，以短路基區(qū)各部分。通常在基區(qū)開出引線孔敷以鋁條，以短路基區(qū)各部分。 當(dāng)電流從基極引線孔流入，經(jīng)長脖子基區(qū)當(dāng)電流從基極引線孔流入，經(jīng)長脖子基區(qū)時(shí)，就在基極串聯(lián)電阻上產(chǎn)生一定的壓降，時(shí)，就在基極串聯(lián)電阻上產(chǎn)生一定的壓降，在多射極管在多射極管未進(jìn)入飽和未進(jìn)入飽和時(shí)，時(shí)，bc結(jié)反偏，各二結(jié)反偏，各二極管截止，這時(shí)串聯(lián)電

25、阻的阻值附加在外電極管截止，這時(shí)串聯(lián)電阻的阻值附加在外電路的電阻上，其影響只是減小基極電流。路的電阻上，其影響只是減小基極電流。 由于發(fā)射極電流的由于發(fā)射極電流的“集邊效應(yīng)集邊效應(yīng)”，使得晶體管最大工作電，使得晶體管最大工作電流正比于有效發(fā)射區(qū)周長，而與發(fā)射區(qū)面積大小幾乎無關(guān)。即流正比于有效發(fā)射區(qū)周長，而與發(fā)射區(qū)面積大小幾乎無關(guān)。即(3) 電流容量電流容量effEELImax 式中，式中，是發(fā)射區(qū)單位有效周長的最大工作電流。根據(jù)理論是發(fā)射區(qū)單位有效周長的最大工作電流。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在線性應(yīng)用中，對計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在線性應(yīng)用中，對要求較嚴(yán)格，要求較嚴(yán)格， 值一值一般取般取0.040.1

26、6mAum；在邏輯電路中，允許；在邏輯電路中，允許的變動范圍較的變動范圍較寬，值一般取寬，值一般取0.160.40mAum。 由上式可知，流經(jīng)較大電流的晶體管，其發(fā)射區(qū)有效周由上式可知，流經(jīng)較大電流的晶體管，其發(fā)射區(qū)有效周長應(yīng)較長，這在圖形設(shè)計(jì)上可采取增加發(fā)射區(qū)的有效長度，長應(yīng)較長，這在圖形設(shè)計(jì)上可采取增加發(fā)射區(qū)的有效長度，或采用雙基極、雙發(fā)射極等辦法?；虿捎秒p基極、雙發(fā)射極等辦法。321ccccsrrrr 集成電路晶體管的集電極串聯(lián)電阻集成電路晶體管的集電極串聯(lián)電阻rCS要比分立晶體管的要比分立晶體管的大，大， rCS的增大將影響晶體管的的增大將影響晶體管的高頻性能高頻性能和和開關(guān)性能開關(guān)性

27、能。尤其。尤其在數(shù)字電路中，在數(shù)字電路中，rCS的增大將使晶體管的飽和壓降增大，輸出的增大將使晶體管的飽和壓降增大，輸出低電平增高，所以在數(shù)字電路中要特別注意降低低電平增高，所以在數(shù)字電路中要特別注意降低rCS。（4）飽和壓降）飽和壓降要降低要降低rCS可采取以下措施：可采取以下措施： 用低電阻率薄外延層片；用低電阻率薄外延層片；降低隱埋層薄層電阻；降低隱埋層薄層電阻；用深用深n+集電極接觸區(qū)；集電極接觸區(qū)；增大發(fā)射區(qū)、集電極引線孔的長度和面積；增大發(fā)射區(qū)、集電極引線孔的長度和面積；縮小發(fā)射極與集電極之間的距離等；縮小發(fā)射極與集電極之間的距離等；用雙集電極結(jié)構(gòu)等。用雙集電極結(jié)構(gòu)等。jscscc

28、smcnbbeeTcrcrVDWcrf2154 . 1212jscsScr21由于集成晶體管的由于集成晶體管的rCSCC比單管的大，再增加一項(xiàng)較大的比單管的大，再增加一項(xiàng)較大的S ，因而它的因而它的fT較低。對于要求較低。對于要求fT較高的集成晶體管，應(yīng)設(shè)法降低較高的集成晶體管，應(yīng)設(shè)法降低（5）頻率特性）頻率特性在在pn結(jié)隔離的集成電路中，結(jié)隔離的集成電路中，npn管的特性頻率管的特性頻率fT可近似表示為：可近似表示為：jsccsccr21式中，前四項(xiàng)是與分立晶體管相同的，第五項(xiàng)是集成電路晶式中，前四項(xiàng)是與分立晶體管相同的，第五項(xiàng)是集成電路晶體管所特有的，通常稱為隔離結(jié)電容充放電時(shí)間常數(shù)，以體

29、管所特有的，通常稱為隔離結(jié)電容充放電時(shí)間常數(shù)，以S表示，即：表示，即：在版圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能減小面積，降在版圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能減小面積，降低寄生電容，提高低寄生電容，提高fT 。三、三、 版圖設(shè)計(jì)舉例版圖設(shè)計(jì)舉例 電路如圖所示，根據(jù)隔離區(qū)劃分原則，該電路可劃分為電路如圖所示，根據(jù)隔離區(qū)劃分原則，該電路可劃分為6個(gè)個(gè)隔離區(qū)：隔離區(qū)： T1、T2、T5管各占一個(gè)；管各占一個(gè)；T3、T4因集電極電位相同，因集電極電位相同，可共用一個(gè)；可共用一個(gè)；T6、Rb、RC共占用一個(gè)；其余電阻合用一個(gè)。如共占用一個(gè)；其余電阻合用一個(gè)。如R5利用埋層電阻，則：利用埋層電阻，則：T3，T4管和電阻島可以合用一個(gè)，這

30、時(shí)管和電阻島可以合用一個(gè)，這時(shí)只要五個(gè)隔離區(qū)就可以了。只要五個(gè)隔離區(qū)就可以了。（1） 劃分隔離區(qū)劃分隔離區(qū) 管芯外圍進(jìn)行大面積的隔離擴(kuò)散，管芯外圍進(jìn)行大面積的隔離擴(kuò)散，實(shí)行實(shí)行“包地線包地線”這既便于布線，使這既便于布線，使各接地電位相近，又可減小各輸入箝各接地電位相近，又可減小各輸入箝位二極管的串聯(lián)電阻。位二極管的串聯(lián)電阻。 各壓焊點(diǎn)和各輸入箝位二極管各壓焊點(diǎn)和各輸入箝位二極管也分別做在各自的隔離島內(nèi)。也分別做在各自的隔離島內(nèi)。以中速八輸入端以中速八輸入端TTL與非門為例與非門為例p型硅襯底，晶向型硅襯底，晶向，電阻率，電阻率sub=715cm；n+埋層擴(kuò)銻，埋層擴(kuò)銻，R RBLBL=20=

31、20/；n型外延層，型外延層， epi=0.30.5cm, Tepi=79um； p型基區(qū)硼擴(kuò)散，型基區(qū)硼擴(kuò)散， R-B=200/口，口，XjC2.53um；n+發(fā)射區(qū)擴(kuò)磷，發(fā)射區(qū)擴(kuò)磷， Xje1.52um ，20；采用采用pn結(jié)隔離、摻金工藝。結(jié)隔離、摻金工藝。 (2)確定各元件的圖形和尺寸確定各元件的圖形和尺寸 元件的圖形和尺寸是根據(jù)下列工藝條件和圖形設(shè)計(jì)規(guī)則來元件的圖形和尺寸是根據(jù)下列工藝條件和圖形設(shè)計(jì)規(guī)則來確定的。確定的。工藝條件：工藝條件：版圖設(shè)計(jì)規(guī)則：如表所示版圖設(shè)計(jì)規(guī)則：如表所示 多射極管多射極管T1是是TTL電路的特點(diǎn)，也是比電路的特點(diǎn)，也是比DTL電路速度快的電路速度快的關(guān)鍵

32、之一關(guān)鍵之一。但多發(fā)射極管反向漏電流較大，對電路性能有但多發(fā)射極管反向漏電流較大，對電路性能有一定影響，因此，一定影響，因此，T1管設(shè)計(jì)管設(shè)計(jì) 根據(jù)上面給出的工藝條件和版圖設(shè)計(jì)規(guī)則，具體確定該電根據(jù)上面給出的工藝條件和版圖設(shè)計(jì)規(guī)則，具體確定該電路中各元件的圖形和尺寸，使之滿足電路性能要求：路中各元件的圖形和尺寸，使之滿足電路性能要求：多發(fā)射極管多發(fā)射極管T1的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 根據(jù)前面的討論，采用根據(jù)前面的討論，采用“長脖基區(qū)長脖基區(qū)”結(jié)構(gòu)可以減小結(jié)構(gòu)可以減小R，其設(shè)計(jì)圖形尺寸如圖，其設(shè)計(jì)圖形尺寸如圖所示所示。當(dāng)然也可在當(dāng)然也可在T1管的管的bc結(jié)上加肖特基二極管來結(jié)上加肖特基二極管來減小減小R 。

33、的重點(diǎn)是如何減小多射極管的的重點(diǎn)是如何減小多射極管的反向增益反向增益 R。因?yàn)橐驗(yàn)?0mA中有中有37mA為瞬態(tài)電流，另外為瞬態(tài)電流，另外12.8mA為脈沖電流，為脈沖電流，所以僅從所以僅從IC5max考慮，取考慮，取LE5-eff=100um就足夠了。就足夠了。輸出管輸出管T5的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)如取如取=0.4mAum，則，則T5管有效發(fā)射區(qū)周長應(yīng)為：管有效發(fā)射區(qū)周長應(yīng)為： T5是是TTL電路的輸出管，在圖形設(shè)計(jì)上主要考慮兩個(gè)問題：電路的輸出管，在圖形設(shè)計(jì)上主要考慮兩個(gè)問題：電流容量要大，集電極串聯(lián)電阻要小。此外還要兼顧減小基電流容量要大，集電極串聯(lián)電阻要小。此外還要兼顧減小基極串聯(lián)電阻和結(jié)面積。

34、極串聯(lián)電阻和結(jié)面積。 流入流入T5管的最大瞬態(tài)電流為：管的最大瞬態(tài)電流為： mAmAmAINIIILRC508 .12370max5max5umumLeffE1254 . 0505 在滿足上述各項(xiàng)要求的基礎(chǔ)上，在滿足上述各項(xiàng)要求的基礎(chǔ)上，盡可能減小盡可能減小T5管的尺寸，以減小管的尺寸，以減小結(jié)電容結(jié)電容CC5、Ce5和和CS5，這可提，這可提高速度和成品率。高速度和成品率。 減小集電極串聯(lián)電阻減小集電極串聯(lián)電阻rCS是是T5管圖形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。由管圖形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。由電路參數(shù)要求電路參數(shù)要求VOL0.4V，由由VOL=Vces05+N0IILrcs5 。一般采用雙集電極一般采用雙集電極或

35、雙發(fā)射極結(jié)構(gòu)?；螂p發(fā)射極結(jié)構(gòu)。4 .230055ILcesOLcsINVVr 在瞬態(tài)過程中，在瞬態(tài)過程中，rbb5直接影響到直接影響到CC5、Ce5的充放電，因此需的充放電，因此需要減小要減小rbb。以提高電路的速度。從圖形設(shè)計(jì)上看，要求。以提高電路的速度。從圖形設(shè)計(jì)上看，要求LE較較長，發(fā)射區(qū)和基極孔的距離要小，可采用雙基極結(jié)構(gòu)。長，發(fā)射區(qū)和基極孔的距離要小，可采用雙基極結(jié)構(gòu)。 綜合上述分析，綜合上述分析，T5管的圖形尺管的圖形尺寸如圖所示。由圖可算出：寸如圖所示。由圖可算出：LE5eff200um，rcs518。 T2管是管是TTL電路高速的關(guān)鍵元件之一。從版圖設(shè)電路高速的關(guān)鍵元件之一。從

36、版圖設(shè)計(jì)考慮，主要是盡量減小計(jì)考慮，主要是盡量減小T2管的面積，以提高管的面積，以提高fT和減和減小小CC。通常采用最小面積晶體管，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則表，。通常采用最小面積晶體管，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則表，它的版圖如圖所示。它的版圖如圖所示。T2管的圖形設(shè)計(jì)管的圖形設(shè)計(jì)mAImAIumLMAXMAXeffE9 . 34 .144 . 03636101610222至于電流容量，一般都可滿足要求。至于電流容量，一般都可滿足要求。 T4管要通過瞬態(tài)大電流，管要通過瞬態(tài)大電流，但因是瞬態(tài)電流，對但因是瞬態(tài)電流，對T4管管大電流下的大電流下的值要求也不值要求也不很嚴(yán)格，因此單位發(fā)射區(qū)很嚴(yán)格，因此單位發(fā)射區(qū)有效周長允許流

37、過的電流有效周長允許流過的電流值也可放寬一些，以盡量值也可放寬一些，以盡量減小減小T4管的尺寸。一般采管的尺寸。一般采用雙基極結(jié)構(gòu)，發(fā)射區(qū)有用雙基極結(jié)構(gòu)，發(fā)射區(qū)有效周長取效周長取T5管的一半左右。管的一半左右。T3和和T4管的圖形設(shè)計(jì)管的圖形設(shè)計(jì) T3管的工作電流較管的工作電流較小，約小，約1.4mA，可采用最，可采用最小面積晶體管。小面積晶體管。T3、T4管的圖形尺寸如圖所示。管的圖形尺寸如圖所示。T6網(wǎng)絡(luò)的圖形設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的圖形設(shè)計(jì) T6管工作電流小，從電流管工作電流小，從電流容量容量(IE6=2mA)考慮，無特別要考慮，無特別要求，可采用最小面積晶體管。求，可采用最小面積晶體管。因因Rb、R

38、c較小。為減小管芯面較小。為減小管芯面積，通常將積，通常將T6網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，如圖所示。整體，如圖所示。 由圖可見，由圖可見，Rb是是T6管管延伸基區(qū)的一部分，延伸基區(qū)的一部分，Rc則則由基區(qū)擴(kuò)散電阻由基區(qū)擴(kuò)散電阻RC1和和T6管集電極串聯(lián)電阻管集電極串聯(lián)電阻RC2兩兩部分構(gòu)成。部分構(gòu)成。Rb500， RC1200， RC2 50。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)放在一個(gè)隔。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)放在一個(gè)隔離島內(nèi)，結(jié)構(gòu)很緊湊。離島內(nèi)，結(jié)構(gòu)很緊湊。( N+隱埋層：隱埋層： RBL20/。 RB200/ )下圖是下圖是T6網(wǎng)絡(luò)的另一種圖形結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的另一種圖形結(jié)構(gòu)。輸入箝位二極管輸入箝位二極管 目前一般采用隔離二極管，如目前一般采用隔離二極管，如圖所示，其圖所示，其n n+ +埋層擴(kuò)散孔、埋層擴(kuò)散孔、n n+ +磷擴(kuò)磷擴(kuò)散孔和引線孔全部重合。由討論散孔和引線孔全部重合。由討論輸入箝位電壓輸入箝位電壓VIK可知，要求輸入可知，要求輸入箝位二極管的串聯(lián)電阻箝位二極管的串聯(lián)電阻RD越小越越小越好，因此減小好，因此減小RD是設(shè)