Эмиттерно-связанная логика

ECL (эмиттерно-связанная логика) — семейство высокоскоростных интегральных схем на биполярных транзисторах в электронике. Чтобы избежать работы в зоне насыщения (полностью включенной) и медленного выключения, в ECL используется дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах с перегруженным транзистором (BJT) с несимметричным входом и ограниченным эмиттерным током. ECL также известен как логика управления током (CSL), логика режима тока (CML) или логика эмиттерного повторителя с переключением тока (CSEF), поскольку ток управляется между двумя ветвями пары с эмиттерной связью.

Логика с эмиттерной связью (ECL) является самой быстрой из всех логических семейств по следующим причинам:

1. Это ненасыщенная логика, поскольку транзисторам не разрешается переходить в режим насыщения. Таким образом стираются временные задержки хранения и, соответственно, увеличивается скорость работы.
2. Токи поддерживаются высокими, а результирующий импеданс низкий до такой степени, что цепь и паразитные емкости могут быть немедленно заряжены и освобождены.
3. Ограниченный размах напряжения.

Дело в том, что ECL до сих пор используется в суперкомпьютерах и приложениях для быстрых уникальных рассуждений. Базовые выходы также доступны, вентили ECL могут быть подключены по схеме ИЛИ, и отсутствуют шумовые пики. Важные аспекты ворот ECL перечислены ниже:

1. Транзисторы никогда не достигнут насыщения. При tpd = 1 нс скорость высокая.
2. Логические уровни отрицательные, при этом логическая 1 имеет уровень -0,9 В, а логический 0 имеет уровень -1,7 В.
3. Запас по шуму меньше, около 250 мВ. Это делает ECL ненадежным для использования в тяжелом промышленном климате.
4. Схемы ECL дают результат, дополняют и убивают потребность в инверторах.
5. Разветвление огромное, потому что результирующий импеданс низкий. Это около 25.
6. Рассеяние мощности на вход огромно, PD = 40 мВт.
7. Полный текущий поток в ECL практически постоянен. Таким образом, внутри не будет создаваться шумовых всплесков.

Особенности эмиттерно-связанной логики (ECL)

Устройства семейства ECL помимо высокой скорости обладают многочисленными качествами, которые делают их привлекательными для высокопроизводительных приложений. Значимые из них следующие:

1. Устройства семейства ECL работают без необходимости каких-либо внешних инверторов, чтобы одновременно создавать на выходах истинный и дополнительный результат желаемой функции. Это уменьшает количество пакетов, количество необходимой мощности и трудности, возникающие из-за временных задержек, которые в противном случае создавали бы внешние инверторы.
2. Достижение значительных возможностей разветвления и возбуждения стало возможным благодаря присущему структуре затвора ECL высокому входному импедансу и низкому выходному импедансу.
3. Возможность управления линией передачи обеспечивается устройствами ECL с выходами с открытым эмиттером. Выходы согласованы по импедансу с любым импедансом линии. Кроме того, отсутствие подтягивающих резисторов позволяет экономить электроэнергию.
4. Конструкция блока питания упрощается благодаря очень стабильному потреблению тока, обеспечиваемому устройствами ECL.
5. Устройства ECL обеспечивают широкий диапазон гибкости характеристик благодаря архитектуре дифференциального усилителя, что позволяет использовать схемы ECL как в линейных, так и в цифровых схемах.
6. Неиспользуемые входы могут быть легко отключены. Неиспользуемые входы можно оставить отключенными, используя резисторы номиналом около 50 кОм.
   

Работа ECL

ECL OR/NOR Gate: Двухвходовой ECL-вентиль ИЛИ/НЕ показан как:

ECL OR/NOR Gate имеет два взаимодополняющих выхода. На транзисторах Т2 и Т1А создается дифференциальный усилитель. Транзисторы T1A и T1B идентичны, тогда как с одинаковыми напряжениями эмиттера и базы транзисторы T3 и T4 являются эмиттерными повторителями (менее 0,8 В от базы к эмиттеру падает). Т1А и Т1В получают входы, а при константе 1,3 В реализуем Т2.

Когда оба входа A и B имеют НИЗКИЙ уровень, например -1,7 В. В результате большего прямого смещения T2 по сравнению с T1A и T1B, T2 активен, а T1A и T1B - нет. Значение R2 заставляет коллектор находиться под напряжением примерно -0,9 В, в то время как ток течет через T2. Из-за этого эмиттер транзистора Т4 находится на уровне – 0,9 – 0,8 = – 1,7 В, что указывает на НИЗКИЙ уровень на выходе ИЛИ. При прохождении через R1 ток базы T3 невероятно мал. Коллекторы T1A и T1B находятся примерно на уровне –0,1 В, потому что значение резистора R1 таково, что возникает этот ток. Это приводит к тому, что эмиттер транзистора T3 находится в состоянии –0 1-0,8=-0,9 В, указывая на то, что выход ИЛИ-НЕ имеет ВЫСОКИЙ уровень.

Поскольку соответствующий транзистор имеет большее смещение в прямом направлении, чем Т2, и, таким образом, ВКЛЮЧЕН, когда А, В или оба А и В имеют ВЫСОКИЙ уровень, Т2 ВЫКЛ при наличии любого из этих условий. Следствием этого является то, что коллекторы T1A и T1B находятся на уровне –0,9 В, создавая выход ИЛИ-НЕ, например, – 0,9 – 0,8 = – 1,7 В, или логический 0. В результате R2 получает только небольшой ток базы T4, коллектор T2 примерно при – 0,1 В, а выход логической единицы ИЛИ равен – 0,1 – 0,8 = – 0,9 В. В этой схеме работает вентиль ИЛИ/НЕ.

Подавление синфазного сигнала, которое снижает шум источника питания, общий для двух сторон дифференциальной конфигурации, является одним из преимуществ схемы дифференциального входа в вентилях ECL (разностный выход). Выходной импеданс также предпочтительно низок, поскольку выход ECL направлен на эмиттерный повторитель. В результате вентили ECL имеют огромное разветвление и лишь незначительно подвержены влиянию емкостных нагрузок. Выход эмиттерного повторителя некоторых вентилей ECL имеет много выходов, поступающих от различных эмиттерных транзисторов. Один логический элемент ИЛИ/НЕ, например, может иметь два выхода ИЛИ и два выхода ИЛИ.

Проводное соединение ИЛИ: с выходами с открытым эмиттером или без резисторов в выходных эмиттерных повторителях вентили ECL доступны. Возможны простые соединения между выходами с открытым эмиттером. Операцию проводного ИЛИ можно выполнить, подключив выходную клемму с общим эмиттером к отрицательному напряжению питания (-5,2 В) с помощью внешнего резистора.

Транзисторы, помеченные T3, являются выходными транзисторами затворов 1 и 2. В момент, когда базы обоих транзисторов находятся на уровне -0,9 В, оба транзистора проводят и создают напряжение на общем эмиттере, -0,9 В - 0,8 В = – 13 В. В момент, когда обе базы находятся на уровне – 0,1 В, снова оба транзистора проводят и обеспечивают выходное напряжение – 0,1 В – 0,8 В = – 0,9 В. В момент, когда только одна база при – 0,1 В, а другой при – 0,9 В, выходной транзистор с базовым напряжением – 0,1 В проводит и создает напряжение на общем эмиттере – 0,9 В, удерживая второй транзистор от проводимости, чтобы обеспечить работу схемы ИЛИ.

Характеристики ЭКЛ:

Характеристики ECL следующие:

1. Огромная потребность в токе семейства ECL является одной из его отличительных особенностей, поскольку она практически постоянна и практически не меняется в зависимости от состояния схемы.
2. В отличие от других типов логики, которым требуется больший ток при переключении, чем в состоянии покоя, схемы ECL производят сравнительно минимальный шум мощности.
3. Обладает низкой помехозащищенностью порядка 0,2 – 0,25 В.
4. Схемы ECL также менее уязвимы для атак по сторонним каналам, таких как дифференциальный анализ мощности в криптографических приложениях.
5. Эта конфигурация имеет время распространения менее 1 наносекунды, включая задержку сигнала при включении и выключении корпуса ИС.
6. ECL имеет высокое энергопотребление, возможно, 60 МВт/затвор.
7. ECL всегда был самым быстрым логическим семейством.

Преимущества ЭКЛ:

Преимущества ЭКЛ заключаются в следующем:

1. Среди всех логических семейств вентили ECL имеют самую высокую скорость, поскольку их BJT работают в активной области.
2. ECL имеет значительное преимущество по сравнению с переключением CMOS в том, что поведение его входного каскада по управлению током (Q1 и Q2) не нарушает работу системы таким же образом.
3. Хотя для достижения таких шумовых характеристик требуется больше статического электричества.
4. Выходы, создаваемые вентилями ECL, дополняют друг друга (ИЛИ-НЕ).
5. Функция проводного ИЛИ может быть реализована путем соединения выходов.
6. Отсутствуют пики коммутации тока в линиях электроснабжения и влияние температуры на параметры минимально.
7. Одна микросхема может выполнять большое количество функций, а ее стандартное напряжение питания составляет -5,2 В.

Недостатки ЭКЛ:

К основным недостаткам ЭКЛ относятся:

1. Ворота ECL дороже, чем ворота TTL.
2. Он имеет крайне низкий запас по шуму (200 мВ).
3. Самое высокое рассеивание мощности среди всех логических вентилей.
4. Его отрицательное напряжение питания и логические уровни несовместимы с другими семействами логики (что затрудняет использование ECL, связанного с схемами TTL и CMOS).
5. Для взаимодействия с различными логическими семействами необходимы переключатели уровней.
6. Нагрузочные ограничения конденсаторов разветвляются.
7. Конструкция СБИС сложна, потому что вентили ECL требуют изготовления резисторов.

Применение ECL

Ниже приведены некоторые приложения логики с эмиттерной связью.

1. Логика, связанная с эмиттером, — это технология логики и интерфейсов, которая используется в высокоскоростных коммуникационных устройствах, таких как оптоволоконные приемопередающие интерфейсы, Ethernet и сети ATM (асинхронный режим передачи).
2. ECL — это логическое семейство, основанное на BJT, которое обеспечивает высокую скорость работы за счет использования очень малого размаха напряжения и предотвращения насыщения транзистора.
3. ECL реализует функцию инвертора, не требуя многослойных транзисторов, за счет использования несимметричного смещения i/p и положительной обратной связи между первичным и вторичным транзисторами.
4. ECL широко используется в сверхбыстрой или высокоскоростной электронике.

Взаимодействие шлюзов ECL:

Чтобы соединить вентили ECL с другими логическими семействами, необходимы специальные схемы сдвига уровня, известные как преобразователи уровней, поскольку логические уровни ECL не совпадают с логическими уровнями схем TTL и CMOS. Чтобы помочь в объединении ECL с различными семействами, трансляторы уровней доступны в нескольких сериях ECL.