Logica ECL

Emitter Coupled Logic (ECL)
Utilizza la coppia differenziale come interruttore di corrente
I BJT lavorano tra interdizione e zona attiva diretta
•Elevata velocità di commutazione
•Dissipazione di potenza relativamente alta
Luigi Zeni DII-SUN Elettronica dei Sistemi Digitali
Coppia differenziale
1.5
RC
RC
v
v C2
C1
i
C2
Q2
Q1
V REF
α F I EE
i
0.5
i C1 - i C2
C1
vI
1.0
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
I EE
-V EE
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
vBE1 - vBE2
2 VT
VT = 25mV a temperatura ambiente (300K)
Sono sufficienti 0.3V per la commutazione
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4
6
8
10
12
Equazioni della corrente
⎛ v BE1 ⎞
⎟⎟
i C1 = IS exp⎜⎜
⎝ VT ⎠
⎛ v BE 2 ⎞
⎟⎟
i C 2 = IS exp⎜⎜
⎝ VT ⎠
i C1 − i C 2
⎛ v BE1 − v BE 2 ⎞
⎟⎟
= α F I EE tanh⎜⎜
2VT
⎠
⎝
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Coppia differenziale come interruttore di corrente
RC
RC
v C2
v C1
v I > VREF
RC
RC
v
v C2
C1
v I < V REF
I EE
-VEE
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I EE
-VEE
Valori di tensione
RC
2 kΩ
v
vC2
i
v = - 0.7 V
I
i
C1
+
VREF = - 1 V
Q2
+
0.4V
i
E1
O2
i C1
-1.4V
-
v
O1
C2
Q1
i
RC
2 kΩ
2 kΩ
vC1
0.7V
RC
RC
2 kΩ
-
E2
v = -1.3V
I
Q
1
+
0.4V
i C2
V
REF
Q
2
+
-1.7V
-
I EE = 0.3 mA
i E1
I
EE
= -1 V
i E2
-
0.7V
0.3 mA
-VEE
-VEE
Le tensioni sui collettori sono 0V e 0.6V e non coincidono con quelle di ingresso
NON è una porta logica
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Invertitore ECL
RC
i B3
Q
2 kΩ
v
v
C1
-0.6 V
3
+
-
BE3
v O1
i
0.1 mA
i
C2
B4
Q
v
BE4
Q
1
2
-1.4 V
0.3 mA
EE
-
V REF = -1.0 V
-0.7 V
v
i E2
I
4
+
C2
Q
i E1
A
I3
A iIN
vI = -0.7 V
-1.3 V
0V
i C1
v
RC
2 kΩ
A
0.1 mA
O2
I4
-V EE
Gli inseguitori di emettitore traslano le tensioni di collettore rendendole uguali a
quelle di ingresso
E’ una porta logica
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Caratteristica di trasferimento e margini di rumore
-0.5V
V
O1
Pendenza = -1
VOH = -0.7V; VOL = -1.3V
∆V = VOH - VOL = IEERC = 0.6V
-1.0V
ridotta escursione logica
V
O2
VIL
-1.5V
-1.3V
-1.2V
⎛ ∆V ⎞
− 1⎟⎟
VIL = VREF − VT ln⎜⎜
⎝ VT
⎠
Pendenza = -1
-1.1V
V
REF
-1.0V
⎛ ∆V ⎞
− 1⎟⎟
VIH = VREF + VT ln⎜⎜
V
⎝ T
⎠
VIH
-0.9V
-0.8V
-0.7V
vIN
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⎡ ∆V
⎛ ∆V ⎞ ⎤
− ln⎜⎜
− 1⎟⎟⎥ = 0.22V
NM L = NM H = VT ⎢
2
V
V
⎝ T
⎠⎦
⎣ T
Realizzazione con resistori
RC
2 kΩ
RC
2 kΩ
Q3
Q
4
I
A
Q
v I = -1.3 V
v O1
A
Q
1
2
-1.7 V
i
E1
R EE
i
V REF = -1.0 V
v
E2
O2
A
11.7 kΩ
42 kΩ
42 kΩ
-V
EE
= - 5.2 V
REE = [-1.7V-(-5.2V)]/(0.3mA) = 11.7kΩ
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Realizzazione con resistori
RC2
RC1
1.85 kΩ
2 kΩ
Q3
Q
4
I
A
V I = -0.7 V
vO1
A
Q
1
Q
2
-1.4 V
i E1
i
REE
V REF = -1.0 V
v
E2
11.7 kΩ
42 kΩ
A
O2
42 kΩ
- VEE = - 5.2 V
iE1 = [-1.4V-(-5.2V)]/(11. 7kΩ ) = 0.325mA
RC1 = 0.6V/(0.325mA) = 1.85V
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Porta OR-NOR
RC1
2 kΩ
R C2
2 kΩ
v
C1
Q3
A
B
Q
Q
2
C
Y1 = A + B + C
VREF
(-1 V)
Y2 = A + B + C
0.3 mA
I
EE
42 kΩ
42 kΩ
-V EE
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4
Dipendenza dei parametri dalla temperatura
•I valori logici dipendono dalle tensioni base-emettitore dei BJT
•Le tensioni VBE dipendono dalla temperatura
•Il coefficiente di temperatura della VBE è di circa -1.8mV/K
•La tensione di riferimento (VREF = -1V) non è più (VOH+VOL)/2
•I margini di rumore non sono più simmetrici
Problemi nel funzionamento della porta vista la ridotta escursione logica
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Generatore di tensione di riferimento
1 kΩ
Q5
- 0.3 V
D5
V
REF
0.3 mA
D1
3.3 kΩ
0.3 mA
11.7 kΩ
- 5.2 V
Il circuito fornisce una tensione di riferimento che varia con la
temperatura verificando sempre la condizione VREF = (VOH+VOL)/2
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Capacità nell’invertitore ECL
CCB3
RC
2 kΩ
2 kΩ
CCS1
C
Q
3
vC2
CS2
Q
CCB1
CCB2
Q
vI
CCB4
RC
Q
1
2
V REF
vO
I3
4
vO
I EE
0.3 mA
0.1 mA
0.1 mA
I4
-V EE = -5.2 V
Il ritardo di propagazione della porta dipende dalle capacità in figura
e da quella del carico
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Modello semplificato
v
⎡
⎛
t ⎞⎤
⎟⎟⎥
v C 2 ( t ) = − I EE R C ⎢1 − exp⎜⎜ −
⎝ R C C L ⎠⎦
⎣
τ PHL = 0.69R C C L
C2
2 kΩ
I
EE
R
C
C=C
L
CS2
+C
CB2
+C
CB4
⎛
t ⎞
⎟⎟
v C 2 ( t ) = − I EE R C exp⎜⎜ −
⎝ R CCL ⎠
τ PLH = 0.69R C C L
La effettiva tensione di uscita è traslata di
VBE = 0.7V ma la dinamica è ovviamente
la stessa
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τP =
τ PHL + τ PLH
= 0.69R C C L
2
Commutazione dell’invertitore ECL
V
-0.5V
vI
L’uscita è normalmente simmetrica, tuttavia
una elevata (10pF) capacità di carico può
portare ad una asimmetria della forma
d’onda di uscita, in particolare ad un
rallentamento della transizione H-L
v
O
-1.0V
τ PHL
vO
τ PLH
-1.5V
0s
5ns
10ns
15ns
20ns
25ns
30ns
t
Gli impulsi (spikes) sull’uscita negata sono dovuti ad un effetto derivativo
della capacità CCB1 che collega direttamente l’uscita invertente con l’ingresso
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Potenza dissipata dall’invertitore ECL
Nelle porte ECL circola praticamente la stessa corrente, salvo piccole differenze,
sia per uscita alta sia per uscita bassa e dipende dai valori delle resistenze. Nel
caso delle porte analizzate precedentemente la dissipazione di potenza è di circa
2.7mW.
Il prodotto ritardo-potenza è dell’ordine della decina di pJ e ciò non rende adatte
le famiglie ECL alla realizzazione di circuiti VLSI.
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FAN-OUT dell’invertitore ECL
Il FAN-OUT per uscita bassa non è un problema in quanto le porte in uscita
non assorbono corrente significativa (il BJT di ingresso è interdetto).
Il FAN-OUT per uscita alta dipende dal massimo incremento della corrente,
che attraversa il resistore RC, tollerabile senza che VOH si abbassi troppo. E’
comunque un valore piuttosto alto (N > 150) perché l’incremento di corrente
che attraversa RC è pari alla corrente di uscita divisa per βF + 1.
La vera limitazione al numero di porte in uscita dipende, come per le porte CMOS,
da considerazioni di tipo dinamico.
In particolare, il FAN-OUT è limitato dal rallentamento della transizione H-L per
elevati carichi capacitivi.
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Prodotto ritardo-potenza di famiglie logiche
commerciali ECL e TTL
100
50 pJ
Low Power TTL
(54L, 74L)
10
TTL (54, 74)
Low Power
Schottky TTL
(54LS, 74LS)
τ p (ns)
ECL II
Schottky TTL
1 pJ
ECL 10K
ECL III
1
ECL 100K
On-Chip VLSI Circuit
Requirements
100 fJ
.1
.1
1
10
Potenza dissipata (mW)
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100