Sendergekoppelte Logik - Emitter-coupled logic

Motorola ECL 10.000 grundlegender Gate-Schaltplan

In der Elektronik ist die emittergekoppelte Logik ( ECL ) eine Familie der Bipolartransistorlogik mit integrierter Hochgeschwindigkeitsschaltung . ECL verwendet einen übersteuerten BJT- Differenzverstärker mit Single-Ended-Eingang und begrenztem Emitterstrom, um den gesättigten (vollständig eingeschalteten) Betriebsbereich und sein langsames Abschaltverhalten zu vermeiden . Da der Strom zwischen zwei Schenkeln eines emitter-gekoppelten Paares gesteuert wird, wird manchmal auch als ECL Stromsteuerungslogik (CSL), Current Mode Logic (CML) oder Stromschalter-Emitterfolger (CSEF) Logik.

Bei ECL sind die Transistoren nie in Sättigung, die Eingangs-/Ausgangsspannungen haben einen kleinen Hub (0,8 V), die Eingangsimpedanz ist hoch und die Ausgangsimpedanz niedrig. Als Ergebnis ändern die Transistoren ihre Zustände schnell, die Gate-Verzögerungen sind gering und die Fanout- Fähigkeit ist hoch. Außerdem minimiert die im Wesentlichen konstante Stromaufnahme der Differenzverstärker Verzögerungen und Störimpulse aufgrund von Induktivität und Kapazität der Versorgungsleitung, und die komplementären Ausgänge verringern die Ausbreitungszeit der gesamten Schaltung durch Reduzierung der Inverterzahl.

Der Hauptnachteil von ECL besteht darin, dass jedes Gate kontinuierlich Strom zieht, was bedeutet, dass es erheblich mehr Leistung benötigt (und abgibt) als die anderer Logikfamilien, insbesondere im Ruhezustand.

Das Äquivalent zu emittergekoppelter Logik aus FETs wird Source-gekoppelte Logik (SCFL) genannt.

Eine Variante von ECL, bei der alle Signalpfade und Gate-Eingänge differenziell sind, wird als Differenzstromschalter-(DCS)-Logik bezeichnet.

Geschichte

Yourkes aktueller Schalter (um 1955)

ECL wurde im August 1956 bei IBM von Hannon S. Yourke erfunden . Ursprünglich als Stromsteuerungslogik bezeichnet , wurde sie in den Computern Stretch , IBM 7090 und IBM 7094 verwendet. Die Logik wurde auch Strommodusschaltung genannt. Es wurde auch verwendet, um die ASLT- Schaltungen in der IBM 360/91 herzustellen .

Der Stromschalter von Yourke war ein Differenzverstärker, dessen Eingangslogikpegel sich von den Ausgangslogikpegeln unterschieden. "Im Strommodus-Betrieb besteht das Ausgangssignal jedoch aus Spannungspegeln, die sich um einen Referenzpegel ändern, der sich vom Eingangsreferenzpegel unterscheidet." In Yourkes Design unterschieden sich die beiden logischen Referenzpegel um 3 Volt. Folglich wurden zwei komplementäre Versionen verwendet: eine NPN-Version und eine PNP-Version. Der NPN-Ausgang könnte PNP-Eingänge ansteuern und umgekehrt. "Die Nachteile sind, dass mehr unterschiedliche Versorgungsspannungen benötigt werden und sowohl pnp- als auch npn-Transistoren benötigt werden."

Anstelle von abwechselnden NPN- und PNP-Stufen verwendet ein anderes Kopplungsverfahren Zener-Dioden und Widerstände, um die logischen Ausgangspegel so zu verschieben, dass sie den logischen Eingangspegeln entsprechen.

Anfang der 1960er Jahre wurden ECL-Schaltungen auf monolithischen integrierten Schaltkreisen implementiert und bestanden aus einer Differenzverstärker-Eingangsstufe zur Ausführung der Logik und gefolgt von einer Emitterfolger-Stufe zur Ansteuerung von Ausgängen und Verschiebung der Ausgangsspannungen, damit sie mit den Eingängen kompatibel sind . Die Emitterfolger-Ausgangsstufen könnten auch verwendet werden, um eine verdrahtete oder logische Logik auszuführen .

Motorola stellte 1962 seine erste digitale monolithische integrierte Schaltungslinie MECL I vor. Motorola entwickelte mehrere verbesserte Serien, mit MECL II im Jahr 1966, MECL III im Jahr 1968 mit einer Gate-Laufzeit von 1 Nanosekunde und 300 MHz Flip-Flop-Toggle-Raten, und die Serie 10.000 (mit geringerem Stromverbrauch und kontrollierten Kantengeschwindigkeiten) im Jahr 1971. Die MECL 10H-Familie wurde 1981 eingeführt. Fairchild führte die F100K-Familie ein.

Die ECLinPS-Familie ("ECL in Picosekunden") wurde 1987 eingeführt. ECLinPS hat eine Single-Gate-Verzögerung von 500 ps und eine Flip-Flop-Toggle-Frequenz von 1,1 GHz. Die Teile der ECLinPS-Familie sind von mehreren Quellen erhältlich, darunter Arizona Microtek, Micrel, National Semiconductor und ON Semiconductor.

Der hohe Stromverbrauch von ECL führte dazu, dass es hauptsächlich dann eingesetzt wurde, wenn hohe Geschwindigkeit eine wesentliche Anforderung ist. Ältere High-End-Mainframe-Computer, wie die Enterprise System/9000- Mitglieder der ESA/390- Computerfamilie von IBM , verwendeten ECL ebenso wie der Cray-1 ; und Amdahl- Mainframes der ersten Generation . (Aktuelle IBM-Mainframes verwenden CMOS .) Von 1975 bis 1991 basierten die leistungsstärksten Prozessoren der Digital Equipment Corporation alle auf Multi-Chip-ECL-CPUs – vom ECL KL10 über den ECL VAX 8000 und VAX 9000 bis zum 1991er Single-Chip-CMOS NVAX als der Versuch scheiterte, einen konkurrenzfähigen Single-Chip-ECL-Prozessor zu entwickeln. Die MIPS R6000- Computer verwendeten ebenfalls ECL. Einige dieser Computerdesigns verwendeten ECL- Gate-Arrays .

Implementierung

Das Bild zeigt einen typischen ECL-Schaltplan basierend auf Motorolas MECL. In diesem Schema stellt der Transistor T5' den Ausgangstransistor eines vorherigen ECL-Gatters dar, das ein logisches Signal an den Eingangstransistor T1 eines ODER/NOR-Gatters liefert, dessen anderer Eingang bei T2 liegt und Ausgänge Y und Y aufweist . Zusätzliche Bilder veranschaulichen den Schaltungsbetrieb durch Visualisierung der Spannungsentlastung und Stromtopologie bei niedriger Eingangsspannung (logisch „0“), während des Übergangs und bei hoher Eingangsspannung (logisch „1“).

ECL basiert auf einem emittergekoppelten ( Langschwanz- )Paar, das in der Abbildung rechts rot schattiert ist. Die linke Hälfte des Paares (gelb schattiert) besteht aus zwei parallel geschalteten Eingangstransistoren T1 und T2 (es wird ein beispielhaftes Gatter mit zwei Eingängen betrachtet), die eine NOR-Logik implementieren. Die Basisspannung des rechten Transistors T3 wird von einer hellgrün schattierten Referenzspannungsquelle gehalten: dem Spannungsteiler mit einer Diodenthermokompensation (R1, R2, D1 und D2) und manchmal einem puffernden Emitterfolger (auf dem Bild nicht dargestellt) ); somit werden die Emitterspannungen relativ konstant gehalten. Als Ergebnis wirkt der gemeinsame Emitterwiderstand R E fast wie eine Stromquelle . Die Ausgangsspannungen an den Kollektorlastwiderständen R C1 und R C3 werden durch die Emitterfolger T4 und T5 (blau schattiert) auf die invertierenden und nicht invertierenden Ausgänge verschoben und gepuffert. Die Ausgangsemitterwiderstände R E4 und R E5 sind nicht in allen ECL-Versionen vorhanden. In einigen Fällen wirken 50 Ω Leitungsabschlusswiderstände zwischen den Basen der Eingangstransistoren und –2 V als Emitterwiderstände.

Betrieb

Der Betrieb der ECL-Schaltung wird im Folgenden unter der Annahme betrachtet, dass die Eingangsspannung an die Basis von T1 angelegt wird, während der Eingang von T2 unbenutzt ist oder eine logische "0" angelegt wird.

Während des Übergangs agiert das Herzstück der Schaltung – das emittergekoppelte Paar (T1 und T3) – als Differenzverstärker mit Single-Ended-Eingang. Die "Long-Tail"-Stromquelle (R E ) stellt den Gesamtstrom ein, der durch die beiden Zweige des Paares fließt. Die Eingangsspannung steuert den durch die Transistoren fließenden Strom, indem sie ihn zwischen den beiden Beinen aufteilt und alles auf eine Seite lenkt, wenn sie sich nicht in der Nähe des Schaltpunktes befindet. Die Verstärkung ist höher als in den Endzuständen (siehe unten) und die Schaltung schaltet schnell.

Bei niedriger Eingangsspannung (logisch „0“) oder bei hoher Eingangsspannung (logisch „1“) wird der Differenzverstärker übersteuert. Der Transistor (T1 oder T3) ist gesperrt und der andere (T3 oder T1) befindet sich im aktiven linearen Bereich, der als Emitterstufe mit Emitterdegeneration wirkt , die den gesamten Strom aufnimmt und den anderen Sperrtransistor aushungert.
Der aktive Transistor wird mit dem relativ hohen Emitterwiderstand R E belastet , der eine signifikante Gegenkopplung (Emitterdegeneration) einführt. Um eine Sättigung des aktiven Transistors zu verhindern, so dass die Diffusionszeit, die die Erholung von der Sättigung verlangsamt, nicht in die logische Verzögerung einbezogen wird, werden die Emitter- und Kollektorwiderstände so gewählt, dass bei maximaler Eingangsspannung etwas Spannung über dem Transistor verbleibt. Der Restgewinn ist gering ( K  =  R C / R E  < 1). Die Schaltung ist gegenüber Schwankungen der Eingangsspannung unempfindlich und der Transistor bleibt fest im aktiven linearen Bereich. Der Eingangswiderstand ist wegen der seriellen Gegenkopplung hoch.
Der Cutoff-Transistor unterbricht die Verbindung zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang. Als Ergebnis hat seine Eingangsspannung keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung. Der Eingangswiderstand ist wieder hoch, da der Basis-Emitter-Übergang gesperrt ist.

Eigenschaften

Zu den weiteren bemerkenswerten Merkmalen der ECL-Familie gehört die Tatsache, dass der große Strombedarf annähernd konstant ist und nicht wesentlich vom Zustand der Schaltung abhängt. Dies bedeutet, dass ECL-Schaltungen relativ wenig Leistungsrauschen erzeugen, im Gegensatz zu anderen Logiktypen, die beim Schalten mehr Strom verbrauchen als im Ruhezustand. In kryptografischen Anwendungen sind ECL-Schaltungen auch weniger anfällig für Seitenkanalangriffe wie beispielsweise die Differenzleistungsanalyse .

Die Ausbreitungszeit für diese Anordnung kann weniger als eine Nanosekunde betragen, einschließlich der Signalverzögerung beim Ein- und Ausfahren des IC-Gehäuses. Ein ECL-Typ war schon immer die schnellste Logikfamilie.

Strahlungshärtung : Während normale handelsübliche Späne 100 Grau (10 krad) widerstehen können , sind viele ECL-Geräte nach 100.000 Grau (10 Mrad) betriebsbereit.

Netzteile und Logikpegel

ECL-Schaltungen arbeiten normalerweise mit negativen Stromversorgungen (das positive Ende der Stromversorgung ist mit Masse verbunden). Andere Logikfamilien erden das negative Ende der Stromversorgung. Dies geschieht hauptsächlich, um den Einfluss der Stromversorgungsschwankungen auf die Logikpegel zu minimieren. ECL ist empfindlicher gegenüber Rauschen auf V CC und relativ immun gegenüber Rauschen auf V EE . Da Masse die stabilste Spannung in einem System sein sollte, wird ECL mit einer positiven Masse spezifiziert. Dabei ändern sich bei schwankender Versorgungsspannung die Spannungsabfälle an den Kollektorwiderständen geringfügig (bei Emitter-Konstantstromquelle ändern sie sich überhaupt nicht). Da die Kollektorwiderstände fest an Masse "gebunden" sind, "bewegen" sich die Ausgangsspannungen leicht (oder gar nicht). Wenn das negative Ende des Netzteils geerdet wäre, würden die Kollektorwiderstände an die positive Schiene angeschlossen. Da sich die konstanten Spannungsabfälle an den Kollektorwiderständen geringfügig (oder überhaupt nicht) ändern, folgen die Ausgangsspannungen den Schwankungen der Versorgungsspannung und die beiden Schaltungsteile wirken als Konstantstrom-Pegelschieber. In diesem Fall kompensiert der Spannungsteiler R1-R2 die Spannungsschwankungen in gewissem Maße. Die positive Stromversorgung hat einen weiteren Nachteil - die Ausgangsspannungen variieren geringfügig (±0,4 V) vor dem Hintergrund einer hohen konstanten Spannung (+3,9 V). Ein weiterer Grund für die Verwendung einer negativen Stromversorgung ist der Schutz der Ausgangstransistoren vor einem versehentlichen Kurzschluss zwischen Ausgang und Masse (die Ausgänge sind jedoch nicht vor einem Kurzschluss mit der negativen Schiene geschützt).

Der Wert der Versorgungsspannung wird so gewählt, dass ausreichend Strom durch die Kompensationsdioden D1 und D2 fließt und der Spannungsabfall am gemeinsamen Emitterwiderstand R E ausreichend ist.

Auf dem freien Markt erhältliche ECL-Schaltungen arbeiteten normalerweise mit Logikpegeln, die mit anderen Familien nicht kompatibel sind. Dies bedeutete, dass die Interoperation zwischen ECL und anderen Logikfamilien, wie der beliebten TTL- Familie, zusätzliche Schnittstellenschaltungen erforderte. Die Tatsache, dass die hohen und niedrigen Logikpegel relativ nahe beieinander liegen, bedeutet, dass ECL unter kleinen Rauschgrenzen leidet, was lästig sein kann.

Mindestens ein Hersteller, IBM , hat ECL-Schaltungen für die Verwendung in den eigenen Produkten des Herstellers hergestellt. Die Netzteile unterschieden sich wesentlich von denen, die auf dem freien Markt verwendet wurden.

PECL

Positive Emitter-gekoppelte Logik , auch Pseudo-ECL genannt , (PECL) ist eine Weiterentwicklung von ECL, die eine positive 5 V-Versorgung anstelle einer negativen 5,2 V-Versorgung verwendet. Die positive emittergekoppelte Niederspannungslogik (LVPECL) ist eine leistungsoptimierte Version von PECL, die eine positive 3,3-V- statt einer 5-V-Versorgung verwendet. PECL und LVPECL sind differentielle Signalisierungssysteme und werden hauptsächlich in Hochgeschwindigkeits- und Taktverteilungsschaltungen verwendet.

Logikebenen:

Typ V ee V niedrig V hoch V cc V cm
PECL Masse 3,4 V 4,2 V 5,0 V
LVPECL Masse 1,6 V 2,4 V 3,3 V 2,0 V
Hinweis: V cm ist der Gleichtaktspannungsbereich.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links