集成注入逻辑(Integrated Inject Logic, I²L)逻辑门电路是20世纪70年代初发展起来的一种高集成密度、双极型逻辑电路。它是在常规双极型集成电路工艺的基础上经过改进而成。I²L电路具有结构紧凑、不用电阻、工艺简单、集成密度高、低功耗和较高工作的速度等特点。目前I²L主要用于制作大规模集成电路的内部逻辑电路,并得到了广泛的应用。
2.5.1 I²L 的基本单元电路
Section titled “2.5.1 I²LI2L 的基本单元电路”I²L 基本单元电路由构成恒流源的 PNP 晶体管和构成反相器的多集电极 NPN 晶体管构成。电路图如图 2.5.1) 所示,符号如图 2.5.1(a) 所示,符号如图 2.5.1(b) 所示。





为说明 I²L 基本单元电路前级的驱动和与后级的负载关系,工作原理分析时参考图 2.5.1(c) 中虚线框内的单元电路。 I²L 基本单元电路中 PNP 晶体管工作在放大区,发射极接固定电源 V_(R),因此 V_(BE) 为固定值,集电极电流也为固定值 I_(O) 。
如果前级 I²L 单元电路晶体管 VT₁ 截止,相当于图 2.5.1(c) 中虚线框内的单元电路输入端 A 悬空(等效输入为高电平,A 点电位约为 0.7 V), I₀ 全部注入 NPN 晶体管 VT₂ 的基极,使 NPN 晶体管 VT₂ 饱和,输出 F 点的电位约为 0.1 V。
如果前级电路晶体管 VT₁ 饱和,本级的恒流源电流 I₀ 全部注入前级晶体管 VT₁ 的集电极,则输入端 A 为低电平,A 点电位约为 0.1 V,NPN 晶体管 VT₂ 的基极电流近似为 0,晶体管 VT₂ 截止,输出 F 点的电位约为 0.7 V。
所以图 2.5.1) 所示的单元电路可看成是 3 个非门,输入端是公共的,各自有自己的输出端。符号如图 2.5.1(a) 所示的单元电路可看成是 3 个非门,输入端是公共的,各自有自己的输出端。符号如图 2.5.1(b) 所示。
在集成电路中,恒流源也可以使用多集电极晶体管结构,可进一步减小面积和增加集成密度。图 2.5.1)电路可简化为图 2.5.2 端不用于其他用途,在画内部电路时也可使用图 2.5.3的画法。c)电路可简化为图2.5.2所示电路。如果固定电源 V_(R) 端不用于其他用途,在画内部电路时也可使用图2.5.3的画法。


2.5.2 I²L 门电路
Section titled “2.5.2 I²LI2L 门电路”1. 或非门
Section titled “1. 或非门”由于 I²L 基本单元电路是集电极开路输出的电路结构,只要将输出端直接“线连接”可以获得线与。根据图 2.5.4 所示电路可以得到: F=overlineA·overlineB=overlineA+overlineB ,即由两个基本单元电路可得到或非门。

(a)

(b)
图2.5.4 I²L 或非门电路
如果将或非门的输入端各加一级非门,即可得到与门。电路如图 2.5.5 所示。

3. 与非门
Section titled “3. 与非门”根据前面的分析,基本单元电路完成 F=overlineA 的逻辑功能,如果电源 V_(R)=0,则 I₀=0 , NPN 晶体管始终处于截止状态,输出始终为高电平。用 V_(R) 端作为输入端 B,可以得到,只有 A 和 B 均为高电平时输出为低电平,因而实现与非门的功能 F=overlineAB 。电路图及符号如图 2.5.6 所示。

(a)

(b)
图2.5.6 I²L 与非门
4. 与或非门
Section titled “4. 与或非门”使用两个与非门,输出进行线与可得到与或非门 F=overlineAB·overlineCD=overlineAB+CD,电路如图 2.5.7所示。
分析图 2.5.8 所示简化的 I²L 电路的逻辑功能。


解
由于 VT₁ 的输出为 overlineA , VT₃ 的输出为 A, VT₂ 的输出为 overlineB , VT₄ 的输出为 B,因此 L 点的输出为 L = A overlineB , M 点为 M = overlineAB,因此有 F = overlineAoverlineB · overlineoverlineAB = overlineAoverlineB + overlineoverlineAB = A odot B,所以图 2.5.8 电路为同或门。
2.5.3 I²L 门电路的特点
Section titled “2.5.3 I²LI2L 门电路的特点”电路优点:
(1)在双极型集成电路中有较高的集成密度,电路简单,管芯面积小。而TTL集成电路电路结构比较复杂,元件较多,并且需要采用隔离技术,而隔离占用芯片面积较大。
(2)制造工艺简单,无须隔离,且可以与其他种类电路(如TTL、ECL等)集成在同一芯片上。
(3) 低功耗,可在低电压 (1 V 以下) 和低电流 (纳安级) 情况下工作,有较低的功耗。
电路缺点:
(1)工作速度较低,主要原因是 PNP 为横向晶体管,电流增益低;NPN 晶体管的结电容较大;属于饱和型电路。所以延迟时间较大,为 20~30 ns。
(2) 逻辑摆幅较小,约为 600 mV,抗干扰能力较弱。