信號完整性學(xué)習(xí)筆記之ECL邏輯電路

ECL 電路（ Emitter Coupled Logic ）是發(fā)射極梢合邏輯電路，由于其基本門電路工作在非飽和狀態(tài) ， 是一種非飽和型的數(shù)字邏輯電路。

與 DTL、 TTL, S一TTL 等邏輯電路不同， ECL路內(nèi)部的晶體管工作在線性區(qū)或截止區(qū)，處于非飽和狀態(tài) ， 從根本上消除了限制速度提高的少數(shù)載流子的“存儲時間”，它的平均延遲時間可達(dá)幾個毫微秒甚至亞毫微秒數(shù)量級。

因此，它是現(xiàn)有各種邏輯電路中速度最快的一種電路形式，也是目前唯一能夠提供亞毫微秒開關(guān)時間的實用電路。其在高速和超高速數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。它的主要缺點是直流功耗大，從某種意義上來說， ECL 電路開關(guān)速度的提高是以犧牲功耗換取的。

ECL 主要特點：作速度快。ECL 門電路的傳輸延遲時間可縮短至1ns 以內(nèi)，是現(xiàn)代數(shù)字 IC 中工作速度最的一種，適應(yīng)工作頻率范圍100～1000MHz。輸出內(nèi)阻低，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。功耗大，輸出電平穩(wěn)定性較差，噪聲容限比較低，抗干擾能力差 。

1 ECL器件原理及工作特性

典型的 ECL 基本門電路的結(jié)構(gòu)由三部分組成：差分放大器輸入電路、溫度電壓補(bǔ)償偏壓網(wǎng)絡(luò)和射極跟隨器輸出電路。基本門電路的結(jié)構(gòu)如圖所示。

(1) 當(dāng)輸入端AB都接低電平0（設(shè)VA=VB=0.5V）時

由于VREF=1V，因此T3優(yōu)先導(dǎo)通，使發(fā)射極e電位VE=VREF-VBE3=0.3V，對于T1、T2說，由于VE3=0.3V，而VA=VB=0，兩只管子都截止，流過RE的電流將全部由T3提供，且有

IE=[VE-(-VEE)]/RE=(0.3+1.2)/1.2k≈100mA

這樣就有

VC3=VCC-IE*RE=6-10m*0.2k=5V

而Vc1 =Vcc=6V 由此可見， 當(dāng)輸入為0 時，T1 、T2 截止，輸出端c1為高電平1 ( +6V); T3 導(dǎo)通，輸出端c3 為低電平0(+5V）。而且由于Vc3=VREF=1V ，而Vc3=5V， 所以T3 處于放大狀態(tài)。

( 2）當(dāng)輸入端A、B 中有一個接高山平1（設(shè)A 接高電平，VA=1.5V ）時

由于VA> VREF，所以T1優(yōu)先導(dǎo)通， 這就使VE=1.5V-0.7V=0.8V，對T3 來說，這時基極電位比發(fā)射極電位僅高0.2V , T3 截止。流過Re的電流由T1提供， IE=(0.8V+12V)/1.2kΩ=10.6mA, 而

VC1=VCC-IE*Rc1=6V-10.6mA×0.1KΩ≈5V,

Vc3=Vcc=6V

此時T1處于放大狀態(tài)。由于T1和T2 的發(fā)射極和集電極是分別連在一起的，所以只要A 、B 中有一個接高電平， 都會使c1為低電平0 ( + 5V ），而c3 為高電平1 ( +6V ） 。

由上分析可得：c1為或非輸出；c3為或輸出，即ECL 門的基本邏輯功能是同時具備或非／或輸出， 稱之為互補(bǔ)邏輯輸山。同時，不論是哪個BJT 導(dǎo)通， 所形成的發(fā)射極電流IE 都是很接近的。這個電流受輸入信號控制，分別流入T1 或T2 或T3，就象一個開關(guān)在控制，所以ECL 電路又稱為電流開關(guān)型電路（ CML) 。

綜上分析，當(dāng)輸入端A、B都接低電平。（設(shè)VA=VB=0.5V）時，T1 、T2 截止，T3 處于放大狀態(tài)而未達(dá)到飽和。當(dāng)輸入端A、B 中有一個接高電平1（設(shè)A 接高電平， VA= 1.5V ） 時，T1處于放大狀態(tài)， T3 截止。所以， ECL 電路始終工作在非飽和狀態(tài)。

2 ECL門電路實際電路

a.射極耦合電流開關(guān)

射極耦合電流開關(guān)實際上是一個一邊為固定輸入VBB，另一邊為大信號多輸入端的射極耦合差分級， 它的工作原理與單端輸入、雙端輸出的差分放大器非常類似，但它只對信號起傳遞作用。

一般說來， ECL 電路推薦使用負(fù)電源VEE=-5.2V 。此電路的作用相當(dāng)于一個電流開關(guān)，時而把電流撥給輸入管T1A 、T1B，時而又把電流撥給T2 管。這就是所謂的電流型開關(guān)邏輯電路的由來。

b.射極輸出器

射極輸出器的作用有三個：

(1) 保持輸出相位不變，邏輯關(guān)系不變；

(2) 進(jìn)行電平位移。由于電流開關(guān)的輸出高、低電平比輸入高、低電平約高0. 8V，所以電流開關(guān)的輸出不能直接作為下一級ECL 電路的輸入，不然會引起邏輯錯誤。經(jīng)射隨器位移一個VBE后，可以獲得ECL 標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，使前級的輸出電平和后級的輸入電平數(shù)值匹配。

(3) 提高負(fù)載能力、擴(kuò)大邏輯功能等。由于射隨器的輸入阻抗高（約6K 歐姆）、輸出阻抗低（約7 歐姆），它不僅起到了緩沖、隔離和電流放大的作用， 而且增大了電路的帶負(fù)載能力。因為射隨器有大電流輸出， 所以采用單獨接地， 以防止與電路其他部分之間的串?dāng)_。在大型系統(tǒng)中，射極輸出器還采用－2.0V 電源單獨供電。

c.參考電壓源

ECL 基本門電路的溫度－電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（又稱參考源）， 由晶體管T5、兩個二極管和電阻R1 、R2 、R3 組成。它為差分放大器提供一個固定的參考電壓VBB，其值一般被調(diào)整在信號邏輯電平擺幅的中間值上（如－1.29V ） 。分壓線路內(nèi)的二極管對T5管起溫度補(bǔ)償作用。該參考源的另一個特點是能適量跟蹤電源電壓的變化，因而也不會因電源電壓變化而顯著影響電路的交直流性能。