Эмиттерге жұптасқан логика отбасысы

Кіріспе

Интегралды схема логикасы отбасы

Электроникада, эмитерлік жұпталған логика (ECL) – жоғары жылдамдықты интегралды схема, биполярлы транзисторлық логикаға негізделген. ECL артық жүктелген биполярлы тоқтарлы транзисторды (BJT) дифференциалдық күшейткішті, бір ұшты кіріспен және эмитер тогының шектеулі мөлшерімен қолданады, қанығу (толық ашық) жұмыс режимінен және оның баяу өшірілу қасиеттерінен аулақ болу үшін. Ток эмитерлік жұпталған жұптың екі тармағы арасында бағытталатындықтан, ECL кейде ток басқару логикасы (CSL), ток режимі логикасы (CML) немесе ток коммутаторы эмитерлік ізбасар (CSEF) логикасы деп аталады. ECL-де транзисторлар ешқашан қанықпайды, кіріс және шығыс кернеулерінің өзгеруі шағын (0,8 В), кіріс кедерісі жоғары, ал шығыс кедерісі төмен болады. Нәтижесінде транзисторлар күйін жылдам өзгертеді, шлюздердің кешігуі төмен, және шығару қабілеті жоғары. Сонымен қатар, дифференциалдық күшейткіштердің тұрақты токты тұтынуы, қуат беру желісінің индуктивтілігі мен сыйымдылығына байланысты кешігулерді және қателерді азайтады, ал толықтырылған шығыстар инверторлардың санын азайту арқылы бүкіл тізбектің таралу уақытын қысқартады. ECL-дің басты кемшілігі – әр шлюз үнемі ток тартады, яғни ол басқа логикалық отбасыларға қарағанда, әсіресе күрделі жағдайда, айтарлықтай көп қуатты қажет етеді (және ысыраптайды). FET-тен жасалған эмитерлік жұпталған логиканың баламасы – көздік жұпталған логика (SCFL) деп аталады. ECL-дің барлық сигнал жолдары мен шлюз кірістері дифференциалдық болатын түрі – дифференциалдық ток коммутаторы (DCS) логикасы деп аталады.

Тарих

[[Сурет:CurrentSwitchLogic.svg|350px|thumb|right|Yourke's current switch (шамамен 1955) Бастапқыда токты бағыттау логикасы деп аталған, ол Stretch, IBM 7090 және IBM 7094 компьютерлерінде қолданылған. Бұл логика ток режиміндегі схема деп те аталады. Ол сондай-ақ IBM 360/91 жүйесіндегі ASLT схемаларын жасау үшін пайдаланылды. Yourke's тоқ ауыстырғышы – кіріс және шығыс логикалық деңгейлері әртүрлі дифференциалдық күшейткіш. "Ток режимінде жұмыс істегенде, шығыс сигналы кіріс эталондық деңгейінен өзгеше эталондық деңгейге қатысты өзгеретін кернеу деңгейлерінен тұрады". Yourke's дизайнында екі логикалық эталондық деңгей 3 вольтқа ерекшеленеді. Осыдан келіп, екі толықтырушы нұсқа қолданылды: NPN және PNP нұсқалары. NPN шығысы PNP кірістерін басқара алады, және керісінше. "Кемшіліктері – электр қуатының әртүрлі кернеулері қажет, сондай-ақ pnp және npn транзисторларының қажеттігі". 1960 жылдардың басында ECL схемалары монолиттік интегралды схемаларда жүзеге асырылды және логикалық функцияларды орындау үшін дифференциалдық күшейткіш кіріс сатысынан, ал шығыстарды басқару және шығыс кернеуін кіріспен үйлесімді ету үшін эмитерлік ізбасар сатысынан тұрды. Эмиттерлік ізбасар шығыс сатыларын сымдық немесе логикалық операцияларды орындау үшін де қолдануға болады. Motorola компаниясы 1962 жылы өзінің алғашқы цифрлық монолиттік интегралды схемалар желісін – MECL I ұсынды. Motorola бірнеше жетілдірілген серияларды жасады, соның ішінде 1966 жылы MECL II, 1968 жылы MECL III (1 наносекундтық шлюз таралу уақыты және 300 МГц флип-флоп ауысу жылдамдығымен) және 1971 жылы 10,000 сериясы (төмен қуат тұтыну және басқарылатын шет жылдамдықтарымен). MECL 10H отбасы 1981 жылы ұсынылды. Fairchild F100K отбасын таныстырды. ECLinPS ("пикосекундтардағы ECL") отбасы 1987 жылы ұсынылды. ECLinPS 500 пс бір шлюздік кешігумен және 1,1 ГГц флип-флоп ауысу жиілігімен сипатталады. ECLinPS отбасының бөліктерін Arizona Microtek, Micrel, National Semiconductor және ON Semiconductor сияқты көптеген көздерден алуға болады. ECL-дің жоғары қуат тұтынуы оны негізінен жоғары жылдамдық маңызды талап ретінде қарастырылатын жағдайларда қолдануға әкелді. IBM-нің ESA/390 компьютерлер отбасының Enterprise System/9000 сияқты ескі жоғары деңгейдегі мейнфрейм компьютерлері ECL-ді пайдаланды, сондай-ақ Amdahl бірінші буын мейнфреймдерінде де қолданылды. (Қазіргі IBM мейнфреймдері CMOS-ты пайдаланады.) 1975 жылдан бастап Digital Equipment Corporation компаниясының ең жоғары өнімділік процессорларының барлығы ECL KL10-нан ECL VAX 8000-ға дейін және соңында VAX 9000-ға дейін көп чипті ECL CPU-ларға негізделген. 1991 жылы CMOS NVAX ұсынылды, ол VAX 9000-мен салыстырылатын өнімділікті ұсынды, бірақ 25 есе арзан және едәуір аз қуатты тұтынуымен ерекшеленді. MIPS R6000 компьютерлері де ECL-ді пайдаланды. Бұл компьютерлердің кейбір дизайндары ECL шлюз массивтерін қолданды.

[[Image:CurrentSwitchLogic. svg|350px|thumb|right|Yourke's current switch (around 1955) Originally called current steering logic, it was used in the Stretch, IBM 7090, and IBM 7094 computers. The logic was also called a current mode circuit. It was also used to make the ASLT circuits in the IBM 360/91. Yourke's current switch was a differential amplifier whose input logic levels were different from the output logic levels. "In current mode operation, however, the output signal consists of voltage levels which vary about a reference level different from the input reference level." In Yourke's design, the two logic reference levels differed by 3 volts. Consequently, two complementary versions were used: an NPN version and a PNP version. The NPN output could drive PNP inputs, and vice versa. "The disadvantages are that more different power supply voltages are needed, and both pnp and npn transistors are required." Beginning in the early 1960s, ECL circuits were implemented on monolithic integrated circuits and consisted of a differential amplifier input stage to perform logic and followed by an emitter follower stage to drive outputs and shift the output voltages so they will be compatible with the inputs. The emitter follower output stages could also be used to perform wired or logic. Motorola introduced their first digital monolithic integrated circuit line, MECL I, in 1962. Motorola developed several improved series, with MECL II in 1966, MECL III in 1968 with 1 nanosecond gate propagation time and 300 MHz flip flop toggle rates, and the 10,000 series (with lower power consumption and controlled edge speeds) in 1971. The MECL 10H family was introduced in 1981. Fairchild introduced the F100K family. The ECLinPS ("ECL in picoseconds") family was introduced in 1987. ECLinPS has 500 ps single gate delay and 1.1 GHz flip flop toggle frequency. The ECLinPS family parts are available from multiple sources, including Arizona Microtek, Micrel, National Semiconductor, and ON Semiconductor. The high power consumption of ECL meant that it has been used mainly when high speed is a vital requirement. Older high end mainframe computers, such as the Enterprise System/9000 members of IBM's ESA/390 computer family, used ECL, and first generation Amdahl mainframes. (Current IBM mainframes use CMOS.) Beginning in 1975, Digital Equipment Corporation's highest performance processors were all based on multi chip ECL CPUs—from the ECL KL10 through the ECL VAX 8000 and finally the VAX 9000. By 1991, the CMOS NVAX was launched which offered comparable performance to the VAX 9000 despite costing 25 times less and consuming considerably less power. The MIPS R6000 computers also used ECL. Some of these computer designs used ECL gate arrays.

Іске асыру

оң жақтағы сурет 350px Суретте Motorola-ның MECL-іне негізделген типтік ECL схемасы көрсетілген. Бұл сызбада T5′ транзисторы алдыңғы ECL шлюзінің шығыс транзисторын білдіреді, ол логикалық сигналды OR/NOR шлюзінің T1 кіріс транзисторына жібереді, ал екінші кірісі T2 орналасқан және Y шығыстары бар. Қосымша суреттер схеманың жұмысын төменгі кіріс кернеуінде (логикалық "0"), ауысу кезінде және жоғары кіріс кернеуінде (логикалық "1") кернеудің өзгеруін және ток ағынын визуализациялау арқылы көрсетеді. ECL оң жақтағы суретте қызыл түсте көрсетілген эмитерлік жұпталған (ұзын құйрықты) жұпқа негізделген. Жұптың сол жағы (сары түспен көлеңкеленген) NOR логикасын іске асыратын екі параллель қосылған кіріс транзисторынан – T1 және T2-ден (мысал ретінде екі кірісті шлюз қарастырылады) тұрады. Оң жақтағы T3 транзисторының базалық кернеуі референттік кернеу көзімен бекітіледі (ашық жасыл түспен көлеңкеленген), ол диодтық жылулық компенсациясы бар кернеуді бөлуші (R1, R2, D1 және D2) және кейде буферлік эмитерді жалғаушыдан (суретте көрсетілмеген) тұрады; осылайша эмитерлік кернеулер салыстырмалы түрде тұрақты сақталады. Нәтижесінде, жалпы эмитерлік резистор RE ток көзі ретінде жұмыс істейді. Коллекторлық жүктемелік резисторлар RC1 және RC3-тің шығыс кернеулері T4 және T5 (көк түспен көрсетілген) эмитерлік ізбасарлар арқылы инверттелген және инверттелмеген шығыстарға ауыстырылады және буферленеді. Шығатын эмитерлік резисторлар RE4 және RE5 ECL-дің барлық нұсқаларында кездеспейді. Кейбір жағдайларда кіріс транзисторларының базалары мен -2 В арасында қосылған 50 Омдық желілік тоқтам резисторлары эмитерлік резисторлар рөлін атқарады.

Операция

ECL схемасының жұмысы төменде қарастырылады, кіріс кернеуі T1 базасына қолданылады, ал T2 кірісі пайдаланылмайды немесе логикалық "0" қолданылады. Ауысу кезінде схеманың негізгі бөлігі – эмитерлік жұпталған транзисторлар (T1 және T3) – бір ұшты кірісі бар дифференциалдық күшейткіш ретінде жұмыс істейді. "Ұзын құйрық" тоқ көзі (RE) осы жұптың екі транзисторы арқылы өтетін жалпы токты анықтайды. Кіріс кернеуі транзисторлар арқылы өтетін токты екі транзистордың арасында бөліседі, ауысу нүктесіне жақын болмағанда токты бір жаққа бағыттайды. Күшейту коэффициенті соңғы күйлердегіден жоғары (төменде қараңыз), сондықтан схема жылдам ауысады. Кіріс кернеуі төмен (логикалық "0") немесе жоғары (логикалық "1") болғанда дифференциалдық күшейткіш жүктемеден асып кетеді. Транзистордың біреуі (T1 немесе T3) тоқтатылады, ал екіншісі (T3 немесе T1) эмитерлік дегенерациясы бар ортақ эмитерлік каскад ретінде белсенді сызықтық аймақта жұмыс істейді, барлық токты өзіне алып, екінші тоқтатылған транзисторды толықтай өшіреді. Белсенді транзистор эмитердің салыстырмалы түрде жоғары кедергісімен (RE) жүктеледі, бұл маңызды теріс кері байланыс (эмитерлік дегенерация) тудырады. Активті транзистордың қанығуына жол бермеу үшін, қанығудан қалпына келтіруді баяулататын диффузия уақыты логикалық кешігуге әсер етпеуі керек.

Сәулеленудан қорғау: Кәдімгі коммерциялық микросхемалар 100 Грей (10 крад) сәулеленуге төтеп бере алады, ал көптеген ECL құрылғылары 100,000 Грей (10 Мрад) сәулеленуден кейін де жұмыс істейді.

Қуат көздері мен логикалық деңгейлер

ECL схемалары көбінесе теріс қуат көздерімен жұмыс істейді (қуат көзінің оң ұшы жерге қосылады). Басқа логикалық отбасылар қуат көзінің теріс ұшын жерге қосады. Бұл негізінен қуат көзінің өзгеруінің логикалық деңгейлерге тигізетін әсерін азайту үшін жасалады. ECL VCC-дегі шуға сезімтал, ал VEE-дегі шуға салыстырмалы түрде төзімді. Жер жүйедегі ең тұрақты кернеу болуы керек болғандықтан, ECL оң жермен сипатталады. Осыған байланысты, қуат көзі кернеуі өзгергенде коллекторлық кедергілердегі кернеудің төмендеуі аздап өзгереді (эмиттерлік тұрақты ток көзі болған жағдайда, мүлдем өзгермейді). Коллекторлық кедергілер жерге берік бекітілгендіктен, шығыс кернеулері аздап "қозғалады" (немесе қозғалмайды). Егер қуат көзінің теріс ұшы жерге қосылса, коллекторлық кедергілер оң шинге бекітіледі. Коллекторлық кедергілердегі тұрақты кернеудің төмендеуі аздап (немесе мүлдем) өзгергенде, шығыс кернеулері қуат көзі кернеуінің өзгеруіне сәйкес келеді және екі тізбек бөлігі тұрақты ток деңгейін өзгертуге арналған құрылмыстар ретінде жұмыс істейді. Бұл жағдайда, кернеуді бөлуші R1 R2 кернеудің өзгеруін белгілі бір деңгейде өтемелейді. Оң қуат көзінің тағы бір кемшілігі бар – шығыс кернеулері жоғары тұрақты кернеудің (+3,9 В) фонында аздап өзгереді (±0,4 В). Теріс қуат көзін пайдаланудың тағы бір себебі – шығыс транзисторларын шығыс пен жер арасында кездейсоқ қысқа тұйықталудан қорғау (бірақ шығыстар теріс шинге қысқа тұйықталудан қорғалмайды). Қуат көзі кернеуінің шамасы D1 және D2 өтемақылық диодтары арқылы жеткілікті ток өтуі және жалпы эмиттерлік RE кедергісіндегі кернеудің төмендеуі жеткілікті болуы үшін таңдалады. Ашық нарықта қол жетімді ECL схемалары көбінесе басқа отбасылармен үйлесімсіз логикалық деңгейлермен жұмыс істейді. Бұл ECL мен басқа логикалық отбасылардың, мысалы, танымал TTL отбасының, өзара әрекеттесуі үшін қосымша интерфейстік схемаларды қажет етеді. Жоғары және төмен логикалық деңгейлердің салыстырмалы түрде жақын болуы ECL-де шу маржасының төмен болуын білдіреді, бұл қиындықтар тудыруы мүмкін. Кем дегенде бір өндіруші, IBM, өзінің өнімдерінде пайдалану үшін ECL схемаларын жасады. Олардың қуат көздері ашық нарықтағылардан едәуір өзгеше болды.

ECL circuits usually operate with negative power supplies (positive end of the supply is connected to ground). Other logic families ground the negative end of the power supply. This is done mainly to minimize the influence of the power supply variations on the logic levels. ECL is more sensitive to noise on the VCC and is relatively immune to noise on VEE. Because ground should be the most stable voltage in a system, ECL is specified with a positive ground. In this connection, when the supply voltage varies, the voltage drops across the collector resistors change slightly (in the case of emitter constant current source, they do not change at all). As the collector resistors are firmly "tied up" to ground, the output voltages "move" slightly (or not at all). If the negative end of the power supply was grounded, the collector resistors would be attached to the positive rail. As the constant voltage drops across the collector resistors change slightly (or not at all), the output voltages follow the supply voltage variations and the two circuit parts act as constant current level shifters. In this case, the voltage divider R1 R2 compensates the voltage variations to some extent. The positive power supply has another disadvantage — the output voltages will vary slightly (±0.4 V) against the background of high constant voltage (+3.9 V). Another reason for using a negative power supply is protection of the output transistors from an accidental short circuit developing between output and ground (but the outputs are not protected from a short circuit with the negative rail). The value of the supply voltage is chosen so that sufficient current flows through the compensating diodes D1 and D2 and the voltage drop across the common emitter resistor RE is adequate. ECL circuits available on the open market usually operated with logic levels incompatible with other families. This meant that interoperation between ECL and other logic families, such as the popular TTL family, required additional interface circuits. The fact that the high and low logic levels are relatively close meant that ECL suffers from small noise margins, which can be troublesome. At least one manufacturer, IBM, made ECL circuits for use in the manufacturer's own products. The power supplies were substantially different from those used in the open market.