Verici-bağlı mantık - Emitter-coupled logic

Motorola ECL 10.000 temel kapı devre şeması[1]

Elektronikte, yayıcı bağlı mantık (ECL) yüksek hızlıdır entegre devre bipolar transistör mantık ailesi. ECL aşırı yüklenmiş bir BJT tek uçlu girişli diferansiyel amplifikatör ve sınırlı yayıcı akımı önlemek için doymuş (tamamen açık) çalışma bölgesi ve yavaş kapanma davranışı.[2]Akım, yayıcıya bağlı bir çiftin iki ayağı arasında yönlendirildiği için, ECL bazen mevcut yönlendirme mantığı (CSL),[3]geçerli mod mantığı (KML)[4]veya akım anahtarı yayıcı takipçisi (CSEF) mantığı.[5]

ECL'de, transistörler asla doygunlukta değildir, giriş / çıkış voltajları küçük bir salınıma sahiptir (0,8 V), giriş empedansı yüksektir ve çıkış empedansı düşüktür. Sonuç olarak, transistörler durumları hızla değiştirir, kapı gecikmeleri düşük ve yayılma yeteneği yüksektir.[6] Ek olarak, diferansiyel amplifikatörlerin temelde sabit akım çekişi, besleme hattı endüktansı ve kapasitans nedeniyle gecikmeleri ve aksaklıkları en aza indirir ve tamamlayıcı çıkışlar, inverter sayısını azaltarak tüm devrenin yayılma süresini azaltır.

ECL'nin en büyük dezavantajı, her bir geçidin sürekli olarak akım çekmesidir, bu da, özellikle durgun haldeyken diğer mantık ailelerinden önemli ölçüde daha fazla güce ihtiyaç duyduğu (ve dağıttığı) anlamına gelir.

Verici-bağlı mantığın eşdeğeri FET'ler denir kaynak bağlantılı mantık (SCFL).[7]

Tüm sinyal yollarının ve geçit girişlerinin diferansiyel olduğu bir ECL varyasyonu, diferansiyel akım anahtarı (DCS) mantığı olarak bilinir.[8]

Tarih

Yourke'nin mevcut anahtarı (1955 civarında)[9]

ECL, Ağustos 1956'da şu tarihte icat edildi: IBM tarafından Hannon S. Yourke.[10][11] Başlangıçta aradı mevcut yönlendirme mantığı, içinde kullanıldı Uzatmak, IBM 7090, ve IBM 7094 bilgisayarlar.[9] Mantık aynı zamanda akım modu devresi olarak da adlandırıldı.[12] Aynı zamanda ASLT IBM 360 / 91'deki devreler.[13][14][15]

Yourke'nin mevcut anahtarı, giriş mantık seviyeleri çıkış mantık seviyelerinden farklı olan bir diferansiyel amplifikatördü. "Bununla birlikte, mevcut mod işletiminde çıkış sinyali, giriş referans seviyesinden farklı bir referans seviyesi etrafında değişen voltaj seviyelerinden oluşur."[16] Yourke'nin tasarımında, iki mantık referans seviyesi 3 volt kadar farklılık gösterdi. Sonuç olarak, iki tamamlayıcı versiyon kullanıldı: bir NPN versiyonu ve bir PNP versiyonu. NPN çıkışı, PNP girişlerini çalıştırabilir ve bunun tersi de geçerlidir. "Dezavantajları, daha farklı güç kaynağı voltajlarına ihtiyaç duyulması ve hem pnp hem de npn transistörlerinin gerekli olmasıdır."[9]

NPN ve PNP aşamalarını değiştirmek yerine, başka bir bağlantı yöntemi kullanılmıştır Zener diyotları ve çıkış mantık seviyelerini giriş mantık seviyeleri ile aynı olacak şekilde kaydırmak için dirençler.[17]

1960'ların başından itibaren, ECL devreleri monolitik entegre devreler ve mantık gerçekleştirmek için bir diferansiyel amplifikatör giriş aşaması ve ardından çıkışları sürmek ve çıkış voltajlarını girişlerle uyumlu olacak şekilde kaydırmak için bir emitör-takipçi aşamasından oluşuyordu. Verici-takipçi çıkış aşamaları da gerçekleştirmek için kullanılabilir kablolu veya mantık.

Motorola 1962'de ilk dijital monolitik entegre devre hattı olan MECL I'i tanıttı.[18] Motorola, 1966'da MECL II, 1968'de 1 nanosaniye kapı yayılma süresi ve 300 MHz flip-flop geçiş hızlarına sahip MECL III ve 1971'de 10.000 serisi (daha düşük güç tüketimi ve kontrollü kenar hızları ile) ile birkaç geliştirilmiş seri geliştirdi.[19]MECL 10H ailesi 1981'de tanıtıldı.[20]Fairchild, F100K ailesini tanıttı.[ne zaman? ]

ECLinPS ("pikosaniye cinsinden ECL") ailesi 1987'de tanıtıldı.[21] ECLinPS, 500 ps tek kapı gecikmesine ve 1.1 GHz flip-flop geçiş frekansına sahiptir.[22] ECLinPS ailesi parçaları, Arizona Microtek, Micrel, National Semiconductor ve ON Semiconductor dahil olmak üzere birçok kaynaktan elde edilebilir.[23]

ECL'nin yüksek güç tüketimi, esas olarak yüksek hızın hayati bir gereklilik olduğu durumlarda kullanıldığı anlamına geliyordu. Daha eski üst düzey ana bilgisayar bilgisayarlar, örneğin Kurumsal Sistem / 9000 IBM'in üyeleri ESA / 390 bilgisayar ailesi, kullanılan ECL,[24] olduğu gibi Cray-1;[25] ve birinci nesil Amdahl anabilgisayarlar. (Mevcut IBM ana bilgisayarları, CMOS.[26]1975'ten 1991'e Digital Equipment Corporation en yüksek performanslı işlemcilerin tümü, ECL'den çok yongalı ECL CPU'lara dayanıyordu KL10 ECL aracılığıyla VAX 8000 ve VAX 9000 1991 tek çipli CMOS'a kadar NVAX rekabetçi, tek yongalı bir ECL işlemci geliştiremediğinde.[27] MIPS R6000 bilgisayarlar da ECL kullandı. Bu bilgisayar tasarımlarından bazıları ECL kullandı kapı dizileri.

Uygulama

Resim, Motorola'nın MECL'sini temel alan tipik bir ECL devre şemasını temsil etmektedir. Bu şemada, transistör T5 ′, diğer girişi T2'de olan ve çıkışları Y olan bir OR / NOR geçidinin giriş transistörü T1'e mantık sinyali sağlayan önceki bir ECL geçidinin çıkış transistörünü temsil eder ve Y. Ek resimler, gerilim azaltma ve akım topolojisini görselleştirerek devrenin çalışmasını gösterir. düşük giriş voltajı (mantıksal "0"), geçiş sırasında ve yüksek giriş voltajı (mantıksal "1").

ECL, bir yayıcıya bağlı (uzun kuyruklu ) çift, sağdaki şekilde gölgeli kırmızı. Çiftin sol yarısı (gölgeli sarı) NOR mantığını uygulayan iki paralel bağlı giriş transistöründen (T1 ve T2) (örnek bir iki girişli geçit olarak değerlendirilir) oluşur. Sağ transistör T3'ün temel voltajı, bir referans voltaj kaynağı ile sabit tutulur, gölgeli açık yeşil: diyotlu termal kompanzasyonlu voltaj bölücü (R1, R2, D1 ve D2) ve bazen bir tampon emitör takipçisi (resimde gösterilmemiştir) ); bu nedenle, yayıcı voltajlar nispeten sabit tutulur. Sonuç olarak, ortak yayıcı direnç RE neredeyse bir akım kaynağı. Kolektör yük dirençlerindeki çıkış gerilimleri RC1 ve RC3 emitör takipçileri T4 ve T5 (gölgeli mavi) tarafından ters çeviren ve tersine çevrilmeyen çıktılara kaydırılır ve tamponlanır. Çıkış yayıcı dirençleri RE 4 ve RE5 ECL'nin tüm sürümlerinde mevcut değildir. Bazı durumlarda, giriş transistörlerinin tabanları ile −2 V arasına bağlanan 50 Ω hat sonlandırma dirençleri, yayıcı dirençler olarak işlev görür.[28]

Operasyon

ECL devresinin çalışması, giriş voltajının T1 tabanına uygulandığı, T2 girişinin kullanılmadığı veya mantıksal bir "0" uygulandığı varsayılarak aşağıda ele alınmıştır.

Geçiş sırasında, devrenin çekirdeği - yayıcıya bağlı çift (T1 ve T3) - tek uçlu girişi olan bir diferansiyel amplifikatör görevi görür. "Uzun kuyruklu" akım kaynağı (RE) çiftin iki ayağından geçen toplam akımı ayarlar. Giriş voltajı, iki ayak arasında paylaşarak transistörlerden akan akımı kontrol eder ve anahtarlama noktasına yakın olmadığında hepsini bir tarafa yönlendirir. Kazanç, uç durumlardan daha yüksektir (aşağıya bakın) ve devre hızla değişir.

Düşük giriş voltajında (mantıksal "0") veya yüksek giriş voltajında (mantıksal "1") diferansiyel amplifikatör aşırı hızlanmıştır. Transistör (T1 veya T3) kesiktir ve diğeri (T3 veya T1) aktif doğrusal bölgededir ve bir yayıcı dejenerasyonlu ortak yayıcı aşama bu, diğer kesme transistörünü aç bırakarak tüm akımı alır.
Aktif transistör, nispeten yüksek yayıcı direnci ile yüklenir RE önemli bir olumsuz geri bildirim (yayıcı dejenerasyonu) ortaya çıkarır. Aktif transistörün doymasını önlemek için, doygunluktan kurtarmayı yavaşlatan difüzyon süresi mantık gecikmesine dahil olmayacak,[2] yayıcı ve toplayıcı dirençleri, maksimum giriş voltajında ​​transistör boyunca bir miktar voltaj kalacak şekilde seçilir. Kalan kazanç düşüktür (K = RC/RE <1). Devre, giriş voltajı değişikliklerine karşı duyarsızdır ve transistör, aktif doğrusal bölgede sıkıca kalır. Giriş direnci, seri negatif geri beslemeden dolayı yüksektir.
Kesme transistörü, girişi ve çıkışı arasındaki bağlantıyı keser. Sonuç olarak, giriş voltajı çıkış voltajını etkilemez. Baz yayıcı bağlantısı kesildiği için giriş direnci yine yüksek.

Özellikler

ECL ailesinin diğer kayda değer özellikleri, büyük akım gereksiniminin yaklaşık olarak sabit olması ve devrenin durumuna önemli ölçüde bağlı olmamasıdır. Bu, ECL devrelerinin, anahtarlama sırasında hareketsiz duruma göre daha fazla akım çeken diğer mantık türlerinin aksine, nispeten az güç gürültüsü oluşturduğu anlamına gelir. Kriptografik uygulamalarda, ECL devreleri de daha az duyarlıdır yan kanal saldırıları gibi diferansiyel güç analizi.[kaynak belirtilmeli ]

yayılma zamanı bu düzenleme için, IC paketine girip çıkarken sinyal gecikmesi de dahil olmak üzere bir nanosaniyeden daha az olabilir. Bir tür ECL her zaman en hızlı mantık ailesi olmuştur.[29][30]

Radyasyon sertleşmesi: Normal ticari sınıf yongalar 100'e dayanabilirken gri (10 krad), birçok ECL cihazı 100.000 Gray (10 Mrad) sonrasında çalışır durumda.[31]

Güç kaynakları ve mantık seviyeleri

ECL devreleri genellikle negatif güç kaynakları ile çalışır (beslemenin pozitif ucu toprağa bağlıdır). Diğer mantık aileleri güç kaynağının negatif ucunu topraklar. Bu, esas olarak güç kaynağı değişikliklerinin mantık seviyeleri üzerindeki etkisini en aza indirmek için yapılır. ECL, V üzerindeki gürültüye daha duyarlıdırCC ve V üzerindeki gürültüye nispeten bağışıktırEE.[32] Toprak bir sistemdeki en kararlı voltaj olması gerektiğinden, ECL pozitif bir toprakla belirtilir. Bu bağlamda, besleme voltajı değiştiğinde, kollektör dirençlerindeki voltaj düşüşleri biraz değişir (yayıcı sabit akım kaynağı olması durumunda, hiç değişmezler). Kolektör dirençleri toprağa sıkıca "bağlandığından", çıkış voltajları hafifçe "hareket eder" (veya hiç hareket etmez). Güç kaynağının negatif ucu topraklanmışsa, kollektör dirençleri pozitif raya bağlanacaktır. Kolektör dirençleri boyunca sabit voltaj düştükçe (veya hiç değişmediğinde), çıkış voltajları besleme voltajı değişikliklerini takip eder ve iki devre parçası sabit akım seviyesi değiştiriciler olarak işlev görür. Bu durumda, voltaj bölücü R1-R2, voltaj değişimlerini bir dereceye kadar telafi eder. Pozitif güç kaynağının başka bir dezavantajı daha vardır - çıkış voltajları, yüksek sabit voltajın (+3,9 V) arka planına göre biraz (± 0,4 V) değişecektir. Negatif güç kaynağı kullanmanın bir başka nedeni, çıkış transistörlerinin çıkış ve toprak arasında gelişen kazara kısa devreden korunmasıdır.[33] (ancak çıkışlar, negatif ray ile kısa devreye karşı korunmaz).

Besleme voltajının değeri, D1 ve D2 telafi diyotlarından yeterli akım geçecek ve ortak verici direnci R boyunca voltaj düşüşü olacak şekilde seçilir.E yeterlidir.

Açık piyasada bulunan ECL devreleri genellikle diğer ailelerle uyumsuz mantık seviyelerinde çalıştırılır. Bu, ECL ile popüler mantık aileleri gibi diğer mantık aileleri arasındaki TTL ailesi, ek arayüz devreleri gerektirdi. Yüksek ve düşük mantık seviyelerinin nispeten yakın olması, ECL'nin sorun yaratabilecek küçük gürültü marjlarından muzdarip olduğu anlamına gelir.

En az bir üretici, IBM, üreticinin kendi ürünlerinde kullanılmak üzere ECL devreleri yaptı. Güç kaynakları, açık pazarda kullanılanlardan önemli ölçüde farklıydı.[24]

PECL

Pozitif yayıcı-bağlı mantık, olarak da adlandırılır sözde ECL, (PECL), negatif 5,2 V besleme yerine pozitif 5 V besleme kullanan ECL'nin bir başka geliştirmesidir.[34] Düşük voltajlı pozitif yayıcı bağlı mantık (LVPECL), 5 V besleme yerine pozitif 3,3 V kullanan, güç açısından optimize edilmiş bir PECL sürümüdür. PECL ve LVPECL diferansiyel sinyal sistemleridir ve esas olarak yüksek hızlı ve saat dağıtım devrelerinde kullanılır.

Mantık seviyeleri:[35]

TürVeeVdüşükVyüksekVccVsantimetre
PECLGND3.4 V4,2 V5.0 V
LVPECLGND1,6 V2,4 V3,3 V2.0 V
Not: Vsantimetre ortak mod voltaj aralığıdır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Orijinal çizim William R. Blood Jr.'a (1972) dayanmaktadır. MECL Sistem Tasarımı El Kitabı 2. baskı n.p .: Motorola Semiconductor Ürünleri. 1.
  2. ^ a b Brian Lawless. "Unit4: ECL Verici Eşleşen Mantığı" (PDF). Temel Dijital Elektronik.
  3. ^ Anand Kumar (2008). Darbe ve Dijital Devreler. PHI Learning Pvt. Ltd. s. 472. ISBN  978-81-203-3356-7.
  4. ^ T. J. Stonham (1996). Dijital Mantık Teknikleri: İlkeler ve Uygulama. Taylor & Francis ABD. s. 173. ISBN  978-0-412-54970-0.
  5. ^ Rao R. Tummala (2001). Microsystems Paketlemenin Temelleri. McGraw-Hill Profesyonel. s. 930. ISBN  978-0-07-137169-8.
  6. ^ Forrest M. Mims (2000). Forrest Mims Circuit Defteri. 2. Newnes. s. 115. ISBN  978-1-878707-48-2.
  7. ^ Dennis Fisher ve I. J. Bahl (1995). Gallium Arsenide IC Uygulamaları El Kitabı. 1. Elsevier. s. 61. ISBN  978-0-12-257735-2.
  8. ^ E. B. Eichelberger ve S. E. Bello (Mayıs 1991). "Diferansiyel Akım Anahtarı - Düşük güçte yüksek performans". IBM Araştırma ve Geliştirme Dergisi. 35 (3): 313–320. doi:10.1147 / rd.353.0313.
  9. ^ a b c E. J. Rymaszewski; et al. (1981). "IBM'de Yarı İletken Mantık Teknolojisi" (PDF). IBM Araştırma ve Geliştirme Dergisi. 25 (5): 607–608. doi:10.1147 / rd.255.0603. ISSN  0018-8646. Arşivlenen orijinal (PDF) 5 Temmuz 2008. Alındı 27 Ağustos 2007.
  10. ^ IBM'de Erken Transistör Geçmişi.
  11. ^ Yourke, Hannon S. (Ekim 1956), Milimikrosaniye doymamış transistör anahtarlama devreleri (PDF), Streç Devre Notu # 3. Yourke'nin devreleri ticari transistörler kullandı ve ortalama 12 ns'lik bir geçit gecikmesine sahipti.
  12. ^ Roehr, William D .; Thorpe, Darrell, editörler. (1963). Yüksek Hızlı Anahtarlama Transistörü El Kitabı. Motorola., s. 37.
  13. ^ IBM'in 360 ve Erken 370 Sistemleri. 2003. s. 108. ISBN  0262517205.
  14. ^ J.L. Langdon, E. J. VanDerveer (1967). "ASLT Akım Anahtarı için Yüksek Hızlı Transistör Tasarımı" (PDF). IBM Araştırma ve Geliştirme Dergisi. 11: 69. doi:10.1147 / rd.111.0069.
  15. ^ "Mantık Blokları Otomatik Mantık Diyagramları SLT, SLD, ASLT, MST" (PDF). IBM. s. 1-10. Alındı 11 Eylül 2015.
  16. ^ Roehr ve Thorpe 1963, s. 39
  17. ^ Roehr ve Thorpe 1963, s. 40, 261
  18. ^ William R. Blood Jr. (1988) [1980]. MECL Sistem Tasarımı El Kitabı (PDF) (4. baskı). On Semiconductor tarafından yeniden yayınlanan Motorola Semiconductor Ürünleri. s. vi.
  19. ^ William R. Blood Jr. (Ekim 1971). MECL Sistem Tasarımı El Kitabı (İlk baskı). Motorola Inc., s. vi – vii.
  20. ^ "TND309: MECL 10H ve MECL 10K için Genel Bilgiler".2002.p. 2.
  21. ^ Anil K. Maini. "Dijital Elektronik: İlkeler, Cihazlar ve Uygulamalar".2007. s. 148.
  22. ^ "Yüksek Performanslı ECL Verileri: ECLinPS ve ECLinPS Lite". 1996. s. iii.
  23. ^ ECL Logic Manufacturers - "Emitter Coupled Logic".
  24. ^ a b A. E. Barish; et al. (1992). "IBM Enterprise System / 9000 bipolar mantık yongalarının geliştirilmiş performansı". IBM Araştırma ve Geliştirme Dergisi. 36 (5): 829–834. doi:10.1147 / rd.365.0829.
  25. ^ R.M. Russell (1978). "CRAY1 bilgisayar sistemi" (PDF). ACM'nin iletişimi. 21 (1): 63–72. doi:10.1145/359327.359336. Alındı 27 Nisan 2010.
  26. ^ "IBM zEnterprise System Teknik Tanıtımı" (PDF). 1 Ağustos 2013. Arşivlenen orijinal (PDF) 2013-11-03 tarihinde.
  27. ^ Bob Supnik."Raven: Giriş: ECL Muamması"
  28. ^ Kan, W.R. (1972). MECL Sistem Tasarımı El Kitabı 2. baskı n.p .: Motorola Semiconductor Products Inc. s. 3.
  29. ^ John F. Wakerly. Dijital Tasarım İlkelerine ve Uygulamalarına Ek. Bölüm "ECL: Verici-Eşleşmiş Mantık".
  30. ^ Sedra; Smith. "Mikroelektronik Devreler". 2015. Bölüm"Verici-Eşleşmiş Mantık (ECL)".p. 47.
  31. ^ Leppälä, Kari; Verkasalo, Raimo (1989). "Enstrüman Kontrol Bilgisayarlarının Yumuşak ve Sert Hatalara ve Kozmik Işın Etkilerine Karşı Korunması". CiteSeerX  10.1.1.48.1291. Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
  32. ^ Elektronik Malzemeler El Kitabı: Paketleme (sayfa 163) Yazan: Merrill L. Minges, ASM International. El Kitabı Komitesi
  33. ^ R P Jain'den modern dijital elektronik (sayfa 111)
  34. ^ John Goldie (21 Ocak 2003). "LVDS, CML, ECL - tek voltajlı diferansiyel arayüzler". EE Times.
  35. ^ LVPECL, VML, CML ve LVDS Seviyeleri Arasında Arayüz.

daha fazla okuma

Dış bağlantılar