Download - ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Transcript
Page 1: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL(Emitter Coupled Logic)ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL

(Emitter Coupled Logic)

1

Page 2: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

The Current Switch (Μεταγωγός Ρεύματος)The Current Switch (Μεταγωγός Ρεύματος)

2

Κύκλωμα μεταγωγού ρεύματος σε πύληECL

Αρχή Λειτουργίας του μεταγωγού ρεύματος

Αποτελεί την καρδιά οποιασδήποτεπύλης ECLQ1, Q2 =πανομοιότυπαRc=matched αντιστάσεις

Αρχή Λειτουργίας :Σήμα εισόδου vι συγκρίνεται μετάση αναφοράς VrefΕάν vι > Vref (κατά μερικέςεκατοντάδες mV)=> IEE διέρχεται διαμέσου εκπομπούQ1Εάν vι < Vref (κατά μερικέςεκατοντάδες mV)=> IEE διέρχεται διαμέσου εκπομπούQ2

Page 3: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Μοντέλο Συμπεριφοράς Μεταγωγού ΡεύματοςΜοντέλο Συμπεριφοράς Μεταγωγού Ρεύματος

3

Ισχύει:

=>

Εάν VBE2>= VBE1 κατά +300 mVolts => ΔVBE =-0.3 V και για VT=0.025 V => ic2> ic1 κατά 1.6x 105 φορέςΠαρόμοια ισχύουν για ic1 εάν VBE1>= VBE2 κατά+300 mVolts Επαληθεύεται η υπόθεση ότι ΙΕΕ μετάγεται από τη μιά πλευρά στηάλλη τουcurrent switch για διαφορά στην VBE της τάξης μερικών εκατοντάδων mV

Page 4: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Μοντέλο Συμπεριφοράς Μεταγωγού ΡεύματοςΜοντέλο Συμπεριφοράς Μεταγωγού Ρεύματος

4

Μετ/μός προηγούμενων σχέσεων σε χρήσιμη έκφραση για απεικόνιση κανονικοποιημέ-νης διαφοράς για ic1,ic2 . Από σχέση ic, VBE παίρνουμε:

=>Επίσης:

Από συνδυασμό των παραπάνωσυνάγεται ότι:

Από απεικόνιση της παραπάνω σχέσηςσε διπλανή καμπύλη συνάγεται ότι:Απαιτείται μικρή μεταβολή τάσης γιαμεταγωγή ρεύματος από τον ένανσυλλέκτη στον άλλον99% του ρεύματος μετάγεται για

Αυτή η μικρή μεταβολή τάση για πλήρημεταγωγή ρεύματος =>μεγάλη ταχύτητατων πυλών ECL

Page 5: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Ανάλυση Μεταγωγού Ρεύματος (Vi> VREF)Ανάλυση Μεταγωγού Ρεύματος (Vi> VREF)

5

Με βάση τα προαναφερθέντα => τα +0.3 V = υπ-εραρκετά για πλήρη μεταγωγή ρεύματος στον Q1 κλάδο => θεωρούμε Q1=ενεργός περιοχή καιVBE=0.7 V Q2 = Off (Ic2=0) . Από KVL :

=>

=> VBE2=0.4 =>VBE2 - VBE1= 300 mV άραυπάρχει όντως πλήρη μεταγωγή στο Q1, Q2=στα όρια αγωγής (VBE2=0.4) αλλά στηνενεργό περιοχή? (Ισχύει VC>VB?) Βρίσκουμετις τάσεις εξόδου:

=>

Θεωρώντας ότι αF≈1=>

και =>Vc1= - 0.6 V , Vc2= 0V Ελέγχοντας εάν Q1, Q2=ενεργόςπεριοχή =>

Συνεπώς όντως και τα 2 τρανζίστορς είναι σε ενεργό περιοχή παρόλο που το Q2 διαρρέεταιαπό αμελητέο ρεύμα

Page 6: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Ανάλυση Μεταγωγού Ρεύματος (Vi< VREF)Ανάλυση Μεταγωγού Ρεύματος (Vi< VREF)

6

Τα -0.3 V =>πλήρη μεταγωγή ρεύματοςστον Q2 κλάδο => θεωρούμε Q2=ενεργόςπεριοχή και VBE=0.7 V Q1 = Off (Ic1=0) . Από KVL :

=>

=>

=>

Όπου έχει υποτεθεί : iE1≈0 , iE2 ≈ iEE (δεδομένου ότι UΒΕ1< UΒΕ2) υΕπιπλέον Q1, Q2 = ενεργός περιοχή διότι Q1: υC1=0 > υB1= υI=-1.3 V καιQ2: υC2=-0.6> υB2= VREF= -1 V

Page 7: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Ανάλυση Μεταγωγού ΡεύματοςΑνάλυση Μεταγωγού Ρεύματος

7

•Τα αποτελέσματα εισόδων –εξόδων που απεικονίζονται στον παραπάνω πίνακαδείχνουν την ύπαρξη δύο διακριτών επιπέδων τάσης (0 και -0.6V) τα οποία θαμπορούσαν να αντιστοιχούν σε λογικό 1 και λογικό 0 .•Πρόβλημα: διότι δεν είναι συμβατές (ίδιες ) οι τάσεις στις εξόδους του κυκλώματοςμεταγωγού ρεύματος με αυτές των εισόδων όπως είναι απαραίτητο για μία πύλη•Παρατήρηση : Υψηλά και χαμηλά επίπεδα στην είσοδο και έξοδο του κυκλώματοςμεταγωγής ρεύματος διαφέρουν κατά 0.7 V , όσο και μία πτώση τάσης βάσης –εκπομπού•Λύση: Χρήση στις εξόδους του κυκλώματος μεταγωγού δύο επιπλέον transistors που θ α παρέχουν τις επιπλέον αυτές πτώσεις τάσης

Page 8: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Η Λογική Πύλη με Σύζευξη Εκπομπού (ECL)Η Λογική Πύλη με Σύζευξη Εκπομπού (ECL)

8

Από κύκλωμα ισχύει:

=>Έστω

Δεδομένου ότι :

=> Για βF > 20=> ib Rc << υBE =>

Q3 , Q4= ενεργός περιοχή διότι Q3: υC3=0 > υB3= υc1=-0.6 V και Q4 : υC4=0>= υB4=υc2=0 V=> σωστά υποτέθηκε ότι υBE3 = υBE4 = 0.7 Volts

Page 9: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Η Λογική Πύλη με Σύζευξη Εκπομπού (ECL)Η Λογική Πύλη με Σύζευξη Εκπομπού (ECL)

9

Από κύκλωμα εξακολουθείβεβαίως να ισχύει :

=>Έστω

Ρεύμα Εισόδου Πύλης ECL : Μη μηδενικό σε αντίθεση με MOSFETiIN= ρεύμα βάσης Q1 . Όταν Q1= OFF (υI=-1.3 V)=> iIN= 0, Όταν Q1= άγει =>

Οι έξοδοι αλλάζουνκατάσταση και κάνονταςπαρόμοιες προσεγγίσεις και

υποθέσεις όπως και με έχομε:

Page 10: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Η Λογική Πύλη με Σύζευξη Εκπομπού (ECL)Η Λογική Πύλη με Σύζευξη Εκπομπού (ECL)

10

‘Οπως φαίνεται από πίνακα επίπεδα εισόδων πλέον =συμβατά με αυτά εξόδωνόπως αρμόζει σε μία πύλη. Αν υI= οριστεί σαν λογική μεταβλητή Α => υ01= Α’(συμπληρωματική Α) και υ01= Α

Επίσης είναι λογικό για συμμετρικά περιθώρια θορύβου η VREF να επιλέγεται ως:

Επίσης το λογικό σήμα μεταβάλλεται (swings) συμμετρικά σε σχέση με την VREF κατάτο μισό της μεταβολής=0.3 V . Η συνολική μεταβολή του σήματος ισούται με:

Ειδικότερα ισχύει:

Page 11: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Περιθώρια Θορύβου για Πύλη ECLΠεριθώρια Θορύβου για Πύλη ECL

11

Συνάρτηση Μεταφοράς για πύλη ECL Εκτίμηση VIH , VIL- καθορίζονται από τασημεία στα οποία η κλίση τηςκαμπύλης= -1 ή 1 για αναστρέφουσα ήμη έξοδο. Υπενθυμίζεται ότι η έξοδοςυ01 ισούται με:

Προσπάθεια για εύρεση έκφρασης ic1vs υΙ :

Διότι ισχύει:

Page 12: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

12

Περιθώρια Θορύβου για Πύλη ECLΠεριθώρια Θορύβου για Πύλη ECL

Πρέπει η προηγούμενη σχέση να εκφρασθεί συναρτήσει του υΙχρησιμοποιώντας την σχέση που προήλθε από KVL στον βρόχο μεταγωγούρεύματος

=> =>

Παίρνοντας την παράγωγο και αντικαθιστώντας στην αντίστοιχη εξίσωση =>

Page 13: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Κάνοντας χρήση των σχέσεων

13

Περιθώρια Θορύβου για Πύλη ECLΠεριθώρια Θορύβου για Πύλη ECL

με υΙ= =>

=>

Με παρόμοια ανάλυση συνάγεαι ότι το VIH ισούται με :

Page 14: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

14

Περιθώρια Θορύβου για Πύλη ECLΠεριθώρια Θορύβου για Πύλη ECL

=>

=>

Page 15: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Περιθώρια Θορύβου για Πύλη ECLΠεριθώρια Θορύβου για Πύλη ECL

15

Page 16: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Υλοποίηση της Πηγής Ρεύματος IEEΥλοποίηση της Πηγής Ρεύματος IEE

16

Page 17: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Υπολογισμός Κατανάλωσης ΙσχύοςΥπολογισμός Κατανάλωσης Ισχύος

17

Page 18: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Μέθοδος Μείωσης Κατανάλωσης ΙσχύοςΜέθοδος Μείωσης Κατανάλωσης Ισχύος

18

Page 19: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Η Λογική Πύλη με Σύζευξη Εκπομπού (ECL)Η Λογική Πύλη με Σύζευξη Εκπομπού (ECL)

Συμπεράσματα -Παρατηρήσεις: Το γεγονόςότι μία πλήρης λογική ECL πύλη παράγει τόσο αληθείςόσο και συμπληρωματικές εξόδους=> παρέχει δυνατότηταμειωμένων πυλών για συγκεκριμένη λογική λειτουργία

Τα transistors παραμένουν συνεχώς στην ενεργό περιοχή και δενεισέρχονται στην περιοχή κόρου όπου επιβραδύνεται σημαντικά ηταχύτητα μεταγωγής ενός διπολικού transistor (ελαττωμένη λογικήδιακύμανση οδηγεί σε μεγάλη ταχύτητα και μικρή ΔV ελαττώνειδυναμική ιχύ για φόρτιση/εκφόρτιση χωρητικοτήτων

To transistor που είναι OFF=στα όρια αγωγιμότητας και μπορεί ναγίνει πλήρως αγώγιμο με μικρή μεταβολή του VBE = δέκατα τουVolt

19

Page 20: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Η Πύλη ECL OR-NORΗ Πύλη ECL OR-NOR

20

Για την διαμόρφωση μίας πλήρους λογικής οικογένειας είναι απαραίτητο πλην τουαντιστροφέα να παρέχονται και οι λογικές συναρτήσεις AND ή/και ORO ECL αντιστροφέας = OR-NOR πύλη=> προσθήκη transistors παράλληλα με αρχικόtransistor εισόδου του αντιστροφέαΛ.χ. στο παραπάνω κύκλωμα εάν μία των εισόδων (Α, Β, C) = υψηλό επίπεδο (υI > VREF => ρεύμα πηγής (ΙΕΕ) θα περάσει εξ’ ολοκλήρου από τον κλάδο του υCI => έξοδος Υ1= Low, έξοδος Υ1= High=> έξοδος Υ1= NOR έξοδος Υ1= OR => και

Page 21: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Η Πύλη ECL OR-NORΗ Πύλη ECL OR-NOR

21

Αν και πύλη ECL παράγει τόσο αληθείςόσο και συμπληρωματικές εξόδουςδεν είναι απαραίτητο ναπεριλαμβάνονται και ι δύο έξοδοι αναυτό δεν απαιτείται από την λογικήσυνάρτησηΛ.χ. Το διπλανό κύκλωμα υλοποιείλογική συνάρτηση που απαιτεί μόνοντην λογική NOR=> παραλείπεται οκλάδος εξόδου που αφορά την OR λογικήΔεν χρειάζεται επίσης η αντίστασηστον συλλέκτη του Q2 και για αυτό τονλόγο παραλέιπεται,

Page 22: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Η Πύλη ECL OR-NORΗ Πύλη ECL OR-NOR

22

Το διπλανό κύκλωμα υλοποιεί λογικήσυνάρτηση που απαιτεί μόνον την λογικήOR=> παραλείπεται ο κλάδος εξόδου πουαφορά την NOR λογική

Δεν χρειάζεται επίσης η αντίσταση στονσυλλέκτη Q των transistors των Α, Β καιγια αυτό τον λόγο παραλείπεται,

Page 23: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Λογική με Σύνδεση Εκπομπών –Wired OR ΛογικήΛογική με Σύνδεση Εκπομπών –Wired OR Λογική

23

Παράλληλη Σύνδεση δύο ΑκόλουθωνΕκπομπού

Στις περισσότερες λογικές οικογένειες δενείναι δυνατή η σύνδεση των εξόδων τωνπυλών τους , κάτι όμως που είναι δυνατόν σεECL=> παρέχεται μεγαλύτερη ευελιξία στηνυλοποίηση λογικών συναρτήσεωνΗ έξοδος σε αυτές τις περιπτώσεις ακολουθείπάντα την πιο θετική τάση εισόδου δηλ. τουQ1Το transistor με μικρότερη τάση εισόδουδηλ. το Q2 λειτουργεί κοντά στην αποκοπή

Απόδειξη: Στο διπλανό κύκλωμα, Q2 =κοντά στην αποκοπή, διότι εάν ήγε => VBE2= 0.7 . Δεδομένου ότι VB2=-0.6=> VE2=VE = -1.3. Αυτό θα σήμαινε ότιVBE1 =1.3—αδύνατον διότι το VBE ενός τρανζίστορ δεν μπορεί να είναι > 0.7 => αναγκαστικά VBE1=0.7=> VE1=VE2= VE= 0.7 (μια και VB1=0) => VBE2 =VB2- VE= -0.6- (-0.7)= 0.1=> Q2 = όντως στα όρια της αποκοπήςΕπίσης μια και Q2=σχεδόν OFF=> iΕ1= 2IEE => Q1 πρέπει να παρέχει τορεύμα και των δύο πηγών ρεύματος

Page 24: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

24

Λογική με Σύνδεση Εκπομπών –Wired OR ΛογικήΛογική με Σύνδεση Εκπομπών –Wired OR Λογική

Η σύνδεση Wired –OR τωνακόλουθων εκπομπού

Με βάση τα προηγούμενα , υποθέτοντας ότι ή είσοδοςενός ακόλουθου εκπομπού αντιστοιχίζεται και με μίαλογική μεταβλητή η σύζευξη των εξόδων του διέπεταιαπό την λογική συνάρτηση OR.

Πράγματι από το διπλανό κύκλωμα θα έχομε γα τιςμεταβλητές εισόδου Α, Β. Γνωρίζοντας ότι η έξοδοςακολουθεί την πιο θετική τάση εισόδου , η έξοδος= High, εφόσον εάν έστω και μία από τις Α και Β είναι σευψηλή στάθμη ενώ μόνον όταν όλες οι είσοδοι Α και Βείναι σε χαμηλή στάθμη είναι και η έξοδος χαμηλή => συνάρτηση OR και Υ=Α+Β.

Κατ’α αυτόν τον τρόπο προσφέρεται μεγάλη ευελιξίααπό την οικογένεια ECL για υλοποίηση πολύπλοκωνλογικών συναρτήσεων

Page 25: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

25

Λογική με Σύνδεση Εκπομπών –Wired OR ΛογικήΛογική με Σύνδεση Εκπομπών –Wired OR Λογική

Η σύνδεση Wired –OR δύο πυλών ECL

Παράδειγμα υλοποίησης πολύπλοκων συναρτήσεων με Wired-OR. H NOR έξοδος της πάνω πύλης δίδει και της κάτω δίδει τηνσυνάρτηση και η σύζευξη των εξόδων τους δίδει την συνολική λογικήσυνάρτηση Τέλος η επάνω πύλη δίδει από την OR έξοδο της την λογική συνάρτηση

Page 26: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Λογική με Σύνδεση Εκπομπών –Wired OR –wired NAND ΛογικήΛογική με Σύνδεση Εκπομπών –Wired OR –wired NAND Λογική

26

Λεπτομέρεια κυκλώματος υπολογισμού λογικής συνάρτησης , όπου εδώ δίδεταιολόκληρο το κύκλωμα και όχι μόνον οι ακόλουθοι εκπομπού εξόδουΠαρατηρήσατε ότι η λογική συνάρτηση που παράγεται είναι η OR ή ισοδύναμα ηNAND των δύο εξόδων

Page 27: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Μειονεκτήματα (single-sided) ECL ΠύληςΜειονεκτήματα (single-sided) ECL Πύλης

Τα έως τώρα ECL κυκλώματα είναι single-sided δομής Κεντρικός Πυρήνας αυτής της πύλης=current switch (μεταγωγέας ρεύματος ) με την μία πλευρά της πύλης συνδεδεμένη στις επιθυμητές εισόδους και τηνάλλη σε μία τάση αναφοράς (Vref ) η οποία κείται στο κέντρο της συνολικήςμεταβολής τάσης μεταξύ μεταβάσεων από 0 σε 1 και αντίστροφα

Μεγάλη ταχύτητα ECL πυλών (subnanosecs απόδοση !) αλλά πολύ μεγάληκατανάλωση ισχύος –μη αποδεκτή για επίτευξη υψηλών VLSI πυκνοτήτων!

Παράδειγμα : Ένας 300 MHz 32-bit microprocessor που έχει αναφερθείστην βιβλιογραφία χρησιμοποιεί 486 Κ τρανζίστορ με συνολικήκατανάλωση ισχύος=115 W!

Δυνατότητα Χρήσης Διαφορικής ECL πύλης για επίτευξη μεγαλύτερηςακόμης ταχύτητας

27

Page 28: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Διαφορική ECL ΠύληΔιαφορική ECL Πύλη

28

Μικρή Διαφοροποίηση σχετικά με την απλή ECL πύλη: Αντί σε Vref η δεύτερηείσοδος του current switch συνδέεται στην συμπληρωματική τιμή της 1ης

εισόδου, Vin’Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται μεταγωγή ρεύματος από κλάδο σε κλάδο μεμικρότερο voltage swing=> μεγαλύτερη ταχύτητα switching όταν η μία είσοδοςανεβαίνει η συμπληρωματική της κατεβαίνει , διπλασιάζοντας έτσι το effective voltage swing σε σχέση με απλή ECL πύλη

Page 29: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Διαφορική ECL ΠύληΔιαφορική ECL Πύλη

29

Απόδειξη ότι στην Διαφορική ECL πύλη=δυνατή η μεταγωγή ρεύματος μεμικρότερο voltage swing. Ισχυει:

Βρίσκουμε για ποιες Vin=> μεταγωγή ρεύματος, δηλΙc1= 99% ΙΕΕ (οπότε τότε Vin= VIH και Vin’ =VIL)

Συμπέρασμα: Παρατηρείται μία μείωση του voltage swing κατά ένα παράγοντα 2 σεσχέση με την απλή (single-ended) ECL πύλη=>μπορεί να υπάρξει μείωση τουvoltage swing . Για παράδειγμα τιμές του voltage swing τόσο μικρές όο τα 200 mV δεν είναι ασυνήθεις

=> =

Page 30: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

CML (Current Mode Logic) Λογικές ΠύλεςCML (Current Mode Logic) Λογικές Πύλες

Με βάση την differential ECL πύλη => ανάπτυξη μία πιοεξελιγμένης γενιάς κυκλωμάτων μεταγωγών ρεύματος => Current Mode Logic (CML) όπου η μεταγωγή ρεύματος γίνεται με χρήσησυμπληρωματικών εισόδων και αποδοτική επαναχρησιμοποίησητου IEE (ρεύματος πόλωσης) με συσσώρευση τέτοιων (differential πυλών) την μία πάνω από την άλλη (stacking current switch pairs)

Χρησιμοποιείται η αρχή του current steering Βασιζόμενοι στηντιμή των εισόδων το ρεύμα της πηγής ρεύματος (IEE ) οδηγείταιστον αριστερό ή δεξιό κλάδο της διαφορικής διάταξης , οδηγώνταςτην μία έξοδο σε υψηλή και την άλλη σε χαμηλή στάθμη

Μειονέκτημα: Δυνητική Χρήση περισσότερων τρανζίστορς λογω τηςανάγκης χρήσης σε μία τέτοια πλήρως διαφορική διάταξηςσυμπληρωματικών λογικών δικτύων

Ακολουθούν παραδείγματα30

Page 31: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

CML Λογικές Πύλες (AND/NAND λογική)CML Λογικές Πύλες (AND/NAND λογική)

31

Εάν Α, Β και τα δύο σε λογικό 1 => το ρεύμα IEE θα εκτραπεί στην αρχήμέσω του Q1 και ακολούθως μέσω του Q3 στον αντιστάτη του συλλέκτηRC1 => η συμπληρωματική έξοδος (συλλέκτης του Q3 ), Υ’ = χαμηλήστάθμη και Υ= υψηλή στάθμη=> Υ=ΑΒ και Υ’= (ΑΒ)’ => υλοποιείται η λογικήAND-NAND μέσω της πύλης αυτής

Page 32: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

CML Λογικές Πύλες- Επίπεδα Εισόδου/ΕξόδουCML Λογικές Πύλες- Επίπεδα Εισόδου/Εξόδου

Now let us find the voltage levels in this circuit. At the output, IEE appears in one collector resistor, and zero current

is in the other collector resistor. Thus the two logic levels are :VH = 0 V and VL = −IEE RC. In CML circuits, VL is often chosen to be −400 mV, which is more

than enough to completely switch the currents with good noise margin.

The logic levels are centered around: (VH + VL)/2 = −200 mV.

32

Page 33: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

CML Λογικές Πύλες (OR/NOR λογική)CML Λογικές Πύλες (OR/NOR λογική)

33

Ίδια τοπολογία με προηγούμενη πύλη απλώς έχει αλλαχθεί η σειρά εισόδων –εξόδων(συμπληρωματικες είσοδοι στην θέση των κανονικών και το αντίθετο με αποτέλεσματην υλοποίηση της OR/NOR λογικήςΣυγκεκριμένα: Η έξοδος Z θα είναι χαμηλή (0), και η συμπληρωματική της Z’ θα είναιυψηλή (1) όταν και οι δύο είσοδοι A και B είναι σε υψηλό επίπεδο (1)Συνεπώς Z’ = A’ B’= (A + B )’ και Z = A + B.

Page 34: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

CML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων ΕπιπέδωνCML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων Επιπέδων

34

Σημείωση: Παρατηρήσατε στο παραπάνω Σχήμα (β) ότι η υλοποίηση της OR/NOR δομής χρειάζεται 6 transistors ενώ για την single-ended περιίπτωση (χρήση δηλ. Vref στην μία είσοδο) χρειάζονταν μόνον 4 transistors , κάτι που όπωςπροαναφέρθηκε αποτελεί και ένα από τα μειονεκτήματα της differential ECL (CML) λογικής

Page 35: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

CML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων Επιπέδων-ΠρόβλημαCML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων Επιπέδων-Πρόβλημα

35

Το πρόβλημα με CML πολλών επιπέδων = γιανα μην μεταβαίνουν τα transistors στον κόρο=> πρέπει οι είσοδοι των τρανζίστορ ενόςεπιπέδου να απέχουν από το αμέσωςκατώτερο επιπεδο κατά μία θετική DC απόκλιση τουλάχιστον =VBE (on)

Αναλυτική απόδειξη=δες παρακάτω (σταΑγγλικά)

Page 36: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

CML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων Επιπέδων-ΠρόβλημαCML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων Επιπέδων-Πρόβλημα

36

Λύση= Χρήση στην έξοδο τέτοιων πολυεπίπεδων πυλών = emitter followers όπωςστο παραπάνω κύκλωμα . Κάθε τρανζίστορ του emitter follower κατ’ ουσία δίοδοςπου παρέχει VBE (on). Αρκεί η έξοδος κάθε τέτοιου τρανζίστορ να συνδεθεί με είσοδοπύλης αντίστοιχου επιπέδου και λύνεται το πρόβλημα => παρέχεται η επιθυμητή DC απόκλισηΠρακτικά όχι παραπάνω από 3-4 επίπεδα CML διότι σε κάθε επίπεδο μειώνεται και ηδιαθέσιμη είσοδος κατά Vcc- N *VBE (on), όπου θεωρείται ότι Vin εδώ= Level N

Page 37: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

CML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων Επιπέδων-CML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων Επιπέδων-

Αλλα Μειονεκτήματα προηγούμενης λύσης This level-shifting creates extra complexity, since multiple wires

may need to be routed for the same signal, depending upon the fan-out of the gate.

It also puts a restriction on the number of transistors that can be stacked.

The propagation delay is a function of the output level, because signals lower on the stack have a higher delay.

Adding too many layers results in an intolerable performance degradation

37

Page 38: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

CML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων Επιπέδων-Εναλλακτική ΛύσηCML Λογικές Πύλες Περισσοτέρων Επιπέδων-Εναλλακτική Λύση

38

Another way to address non compatible signal levels, while avoiding the complex multilevel output emitter-follower, is to insert level-shifting circuits whenever needed. A level 1-to-level 2 converter is shown in Figure . In this way, all standard logic gates can be designed with a sole level 1 output, and level-shifting buffers are introduced only when connecting to multilevel gates.

Page 39: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Άλλα παραδείγματα Υλοποίησης CML λογικήςΆλλα παραδείγματα Υλοποίησης CML λογικής

39

Examples of complex CML logic gate implementations is the CML D-latch shown in Figure aboveNote that the storage element of the latch is formedby the cross-coupled inverter pair formed by Q5, Q6 and the two collector resistors. When the CLK input is high, the output tracks the D input; the outputs are latched when CLK goes low.

Page 40: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

NMOS CML ΛογικήNMOS CML Λογική

40

H CML λογική μπορεί να υλοποιηθεί με NMOS με παρόμοιο τρόπο όπωςμε differential ECL. H μεταγωγή ρεύματος δίνει VH= 0 στην έξοδο τουενός κλάδου και Vlow= - IEE RD στον άλλο κλάδο

Page 41: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Παραδείγματα Υλοποίησης με NMOS CML ΛογικήΠαραδείγματα Υλοποίησης με NMOS CML Λογική

41

It is easy to prove correct functionality by tracing out the currentflow. For instance, in the OR gate, (Fig.A) if A is high, then the current must flow through M2 and M5 (note that M5 is included for level matching), pulling the negative output low and, thus, producing logic one. If A is low, then B determines the output. With the differential CML topology, the CML AND gate is exactly thesame as the CML OR gate in structure (Figure (b)), but the input and output polarities are changed. This is not surprising, as DeMorgan’s law points out that

Page 42: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Παραδείγματα Υλοποίησης με NMOS CML ΛογικήΠαραδείγματα Υλοποίησης με NMOS CML Λογική

42

XOR gate.

As a XOR gate, it can be shown that if either A or B, but not both, is high, a logic one is the result

Page 43: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ECL (Emitter Coupled Logic)”ιάλεξη... · (Emitter Coupled Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) 1. ΨηφιακάΟλοκληρωμέναΚυκλώματακαιΣυστήματα2008

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Ισοδύναμη Υλοποίηση XOR πύλης με BJT CML ΛογικήΙσοδύναμη Υλοποίηση XOR πύλης με BJT CML Λογική

43

Είναι φανερό ότι η δομή της πύλης είναι εντελώς παρόμοια με αυτή της NMOS CML λογικής