Логика с эмиттерной связью: принципы и применение.

Введение

Семейство логических интегральных схем

В электронике, логика с эмиттерным соединением (ECL) – это высокоскоростное семейство логических интегральных схем на биполярных транзисторах. ECL использует перегруженный дифференциальный усилитель на биполярном переходе (BJT) с односторонним входом и ограниченным током эмиттера, чтобы избежать области насыщения (полного включения) и связанного с ней медленного выключения. Поскольку ток перенаправляется между двумя плечами дифференциальной пары, ECL иногда называют логикой управления током (CSL), логикой токового режима (CML) или логикой эмиттерного повторителя переключателя тока (CSEF). В ECL транзисторы никогда не насыщаются, размах входных и выходных напряжений невелик (0,8 В), входное сопротивление высокое, а выходное – низкое. В результате транзисторы быстро переключаются, задержки малы, а способность к нагрузке высока. Кроме того, практически постоянный ток, потребляемый дифференциальными усилителями, минимизирует задержки и сбои, вызванные индуктивностью и ёмкостью линии питания, а комплементарные выходы уменьшают время распространения сигнала по всей схеме за счет снижения количества инверторов. Основной недостаток ECL заключается в том, что каждый элемент логики непрерывно потребляет ток, что означает, что он требует (и рассеивает) значительно больше энергии, чем другие семейства логики, особенно в режиме ожидания. Эквивалент логики с эмиттерным соединением, реализованный на полевых транзисторах (FET), называется логикой с истоковым соединением (SCFL). Вариант ECL, в котором все пути передачи сигналов и входы элементов логики являются дифференциальными, известен как дифференциальная логика переключателя тока (DCS).

История

[[Изображение:CurrentSwitchLogic.svg|350px|thumb|right|Токовый переключатель Юрка (около 1955 года). Первоначально назывался схемой управления током (current steering logic), он использовался в компьютерах Stretch, IBM 7090 и IBM 7094. Логику также называли схемой с токовым режимом работы (current mode circuit). Она также применялась для создания схем ASLT в IBM 360/91. Токовый переключатель Юрка представлял собой дифференциальный усилитель, входные логические уровни которого отличались от выходных. «В режиме работы с током выходной сигнал состоит из уровней напряжения, которые изменяются относительно опорного уровня, отличного от входного опорного уровня». В конструкции Юрка два логических опорных уровня отличались на 3 вольта. Соответственно, использовались две дополнительные версии: NPN и PNP. Выход NPN мог управлять входами PNP и наоборот. «Недостатки заключаются в том, что требуется больше различных напряжений питания и необходимы как транзисторы pnp, так и npn». Начиная с начала 1960-х годов, схемы ECL (Emitter-Coupled Logic) стали реализовываться на монолитных интегральных схемах и состояли из входной каскадной ступени дифференциального усилителя для выполнения логических операций, за которой следовала каскадная ступень эмиттерного повторителя для управления выходами и сдвига выходных напряжений для обеспечения совместимости с входами. Выходные каскадные ступени эмиттерного повторителя также могли использоваться для реализации логики «ИЛИ» по проводам (wired OR logic). Motorola представила свою первую линейку цифровых монолитных интегральных схем MECL I в 1962 году. Motorola разработала несколько улучшенных серий, включая MECL II в 1966 году, MECL III в 1968 году с временем задержки распространения сигнала 1 наносекунда и частотой переключения триггеров 300 МГц, а также серию 10000 (с пониженным энергопотреблением и контролируемой крутизной фронтов) в 1971 году. Семейство MECL 10H было представлено в 1981 году. Fairchild представила семейство F100K. Семейство ECLinPS («ECL в пикосекундах») было представлено в 1987 году. ECLinPS имеет задержку распространения сигнала в одном вентиле 500 пс и частоту переключения триггеров 1,1 ГГц. Компоненты семейства ECLinPS доступны от различных производителей, включая Arizona Microtek, Micrel, National Semiconductor и ON Semiconductor. Высокое энергопотребление ECL означало, что оно использовалось в основном там, где высокая скорость является критически важным требованием. Старые высокопроизводительные мэйнфреймы, такие как Enterprise System/9000 из семейства компьютеров IBM ESA/390, использовали ECL, а также мэйнфреймы Amdahl первого поколения. (Современные мэйнфреймы IBM используют CMOS.) Начиная с 1975 года, самые производительные процессоры Digital Equipment Corporation были основаны на многочиповых процессорах ECL — от ECL KL10 до ECL VAX 8000 и, наконец, VAX 9000. К 1991 году был выпущен CMOS NVAX, который предлагал сопоставимую производительность с VAX 9000, при этом стоил в 25 раз меньше и потреблял значительно меньше энергии. Компьютеры MIPS R6000 также использовали ECL. Некоторые из этих компьютерных разработок использовали массивы вентилей ECL.

[[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.

Реализация

На этой схеме транзистор T5′ представляет собой выходной транзистор предыдущего вентиля ECL, который обеспечивает логический сигнал входному транзистору T1 вентиля OR/NOR, другой вход которого подключен к T2 и имеет выходы Y и Y. Дополнительные изображения иллюстрируют работу схемы, визуализируя снижение напряжения и топологию тока при низком входном напряжении (логический "0"), во время перехода и при высоком входном напряжении (логический "1"). ECL основана на дифференциальной паре с общим эмиттером (длиннохвостая пара), выделенной красным цветом на рисунке справа. Левая половина пары (выделенная желтым цветом) состоит из двух параллельно соединенных входных транзисторов T1 и T2 (рассматривается пример двухвходового вентиля), реализующих логику NOR. Базовое напряжение правого транзистора T3 фиксируется источником опорного напряжения, выделенным светло-зеленым цветом: делителем напряжения с диодной температурной компенсацией (R1, R2, D1 и D2) и иногда буферным эмиттерным повторителем (не показанным на рисунке); таким образом, напряжения эмиттеров поддерживаются относительно стабильными. В результате, общий эмиттерный резистор RE работает почти как источник тока. Выходные напряжения на коллекторных резисторах RC1 и RC3 сдвигаются и буферизуются на инвертирующие и неинвертирующие выходы с помощью эмиттерных повторителей T4 и T5 (синий цвет). Выходные резисторы эмиттеров RE4 и RE5 отсутствуют в некоторых версиях ECL. В некоторых случаях 50 Ом обжимные резисторы, подключенные между базами входных транзисторов и -2 В, выполняют функцию эмиттерных резисторов.

Операция

В дальнейшем рассматривается работа схемы ECL с предположением, что входное напряжение подается на базу T1, а вход T2 не используется или ему подается логический "0". Во время переключения ядро схемы – дифференциальная пара (T1 и T3) – функционирует как дифференциальный усилитель с односторонним входом. Источник тока "длинный хвост" (RE) определяет общий ток, протекающий через обе ветви пары. Входное напряжение управляет током, протекающим через транзисторы, перераспределяя его между двумя ветвями и направляя весь ток на одну сторону, когда напряжение не близко к точке переключения. Коэффициент усиления выше, чем в устойчивых состояниях (см. ниже), и схема переключается быстро. При низком входном напряжении (логический "0") или при высоком входном напряжении (логический "1") дифференциальный усилитель перегружается. Один из транзисторов (T1 или T3) оказывается в состоянии отсечки, а другой (T3 или T1) – в активной линейной области, работая как каскад с общим эмиттером и дегенерацией эмиттера, поглощая весь ток и лишая тока транзистор в состоянии отсечки. Активный транзистор нагружен относительно высоким сопротивлением эмиттера RE, что создает значительную отрицательную обратную связь (дегенерацию эмиттера). Чтобы предотвратить насыщение активного транзистора, и, следовательно, исключить влияние времени диффузии, замедляющего восстановление из насыщения, на логическую задержку,

Радиационная стойкость: в то время как обычные микросхемы коммерческого качества выдерживают 100 Грей (10 крад), многие устройства ECL остаются работоспособными после 100 000 Грей (10 Мрад).

Токсовые источники питания и логические уровни

Схемы ECL обычно работают с отрицательным источником питания (положительный вывод источника питания подключен к земле). Другие логические семейства заземляют отрицательный вывод источника питания. Это делается главным образом для минимизации влияния колебаний напряжения питания на логические уровни. ECL более чувствителен к шумам на VCC и относительно устойчив к шумам на VEE. Поскольку земля должна быть наиболее стабильным напряжением в системе, ECL специфицируется с положительной землей. В связи с этим, при изменении напряжения питания, падения напряжения на коллекторных резисторах изменяются незначительно (в случае источника постоянного тока на эмиттере – не изменяются вовсе). Поскольку коллекторные резисторы надежно "привязаны" к земле, выходные напряжения "сдвигаются" незначительно (или не сдвигаются вообще). Если бы отрицательный вывод источника питания был заземлен, коллекторные резисторы были бы подключены к положительной шине. Поскольку постоянные падения напряжения на коллекторных резисторах изменяются незначительно (или не изменяются вовсе), выходные напряжения следовали бы за колебаниями напряжения питания, и две части схемы действовали бы как сдвигатели уровня постоянного тока. В этом случае делитель напряжения R1 R2 в некоторой степени компенсирует изменения напряжения. Положительное питание имеет еще один недостаток – выходные напряжения будут незначительно изменяться (±0,4 В) относительно высокого постоянного напряжения (+3,9 В). Другая причина использования отрицательного источника питания – защита выходных транзисторов от случайного короткого замыкания между выходом и землей (но выходы не защищены от короткого замыкания с отрицательной шиной). Значение напряжения питания выбирается таким образом, чтобы через компенсационные диоды D1 и D2 протекал достаточный ток, а падение напряжения на общем эмиттерном резисторе RE было адекватным. Схемы ECL, доступные на открытом рынке, обычно работали с логическими уровнями, несовместимыми с другими семействами. Это означало, что для взаимодействия между ECL и другими логическими семействами, такими как популярное семейство TTL, требовались дополнительные интерфейсные схемы. Близость высоких и низких логических уровней приводит к небольшим запасам по помехоустойчивости, что может быть проблематично. По крайней мере один производитель, IBM, выпускал схемы ECL для использования в собственных продуктах. Их источники питания существенно отличались от тех, что использовались на открытом рынке.

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.