Цифровые элементы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) имеют наибольшее быстродействие среди других логик. Время переключения ЭСЛ составляет единицы – десятые доли нс (субнаносекундный диапазон). Схема логического элемента ЭСЛ строится на основе дифференциального усилителя, транзисторы которого могут переключать ток, оставаясь в активном режиме; при этом никогда не попадают в режим насыщения. На рис. 3.9 показана основа логического элемента – переключатель тока I0 на идентичных транзисторах VT1 и VT0.
Рис 3.9. Схема переключателя тока
На базу транзистора VT1 подается входной сигнал Uвх, а на базу VT0 подается опорное напряжение +Uоп.
Если Uвх = +Uоп, транзисторы находятся в открытом состоянии, через них протекают одинаковые коллекторные и эмиттерные токи.
Ток через общее эмиттерное сопротивление равен I0=(Uоп-Uбэ)/Rэ.
При Uбэ»0,7В<< Uоп можно считать I0» Uоп/Rэ. Эмиттерные токи транзисторов равны Iэ1=Iэ0= I0/2= Uоп/2Rэ. Коллекторные токи также одинаковы и приблизительно равны эмиттерным Iк1=Iк0= Uоп/2Rэ. Следовательно, напряжение на выходе Q и Q_ (на коллекторах транзисторов) равны Uк1=Uк0=Еп - Iк×Rк= Еп - Uоп ×Rк /2Rэ и не зависят от параметров транзисторов.
Если Uвх > Uоп, транзистор VT1 открывается, через него протекает большой ток. Падение напряжения на Rэ (URэ>Uоп) запирает транзистор VT0. Транзистор VT1 перехватывает (переключает) весь эмиттерный ток I0. Ток открытого транзистора Iэ1=Iк1= Uоп ×Rк /Rэ. Транзистор VT0 заперт Iэ0=Iк0=0. Напряжение на выходе Q равно Uк1= Еп - Uоп ×Rк /Rэ. Напряжение на выходе Q_ равно Uк0= Еп.
Если Uвх < Uоп, транзистор VT1 запирается. Транзистор VT0 перехватывает (переключает) весь эмиттерный ток I0. Ток открытого транзистора Iэ0=Iк0= Uоп ×Rк /Rэ. Транзистор VT1 заперт Iэ1=Iк1=0. Напряжение на выходе Q_ можно найти как Uк0= Еп - Uоп ×Rк /Rэ, а на выходе Q - Uк1= Еп.
Входной сигнал переключает транзисторы из одного состояния в другое; уровни напряжения на выходе Q и Q_ не зависят от транзисторов (от температуры, разброса параметров). Поэтому дифференциальный каскад (типичная аналоговая схема) при переключении относительно напряжения Uоп приобретает свойства цифрового ключа.
Два фактора способствуют максимальному быстродействию этого типа ключей:
¾ В процессе переключения транзисторы не заходят в область насыщения, следовательно, нет проблем с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе;
¾ Маленький логический перепад между высоким и низким уровнем входного и выходного напряжения, составляющий десятые доли вольта, способствует ускоренной перезарядке паразитных емкостей.
Недостатков у ЭСЛ логики много;
¾ Большая потребляемая и рассеиваемая мощность, как в статическом, так и динамическом режиме;
¾ Имеются значительные сложности отвода тепла от кристалла в ИС высокой интеграции;
¾ малый перепад напряжения (0.2-0.3 В) между низким и высоким логическим уровнем приводит к повышенной чувствительностью ЭСЛ к помехам;
¾ Напряжения логических уровней отличается от стандарта ТТЛ, что приводит к необходимости использования специальных преобразователей уровней при переходе от скоростной логики к стандартной и обратно.
Рис 3.10. а) Базовый ЭСЛ-элемент серии К500 и условные изображения ЛЭ б) в системе положительной логики и в) в системе отрицательной логики.
В реальной схеме логического элемента, показанной на рис 3.10, использованы дополнительные схемные решения, повышающие нагрузочную способность и помехоустойчивость.
Токовый переключатель выполнен на транзисторах VT0-VT1, представляет собой дифференциальный усилитель, работающий в ключевом режиме. Увеличение количества входов достигается подключением дополнительных входных транзисторов, подобно VT’1, выполняющих функцию входной логической операции ИЛИ. Выходные эмиттерные повторители VT3, VT4 усиливают выходные сигналы по мощности, повышают нагрузочную способность, смещают уровни выходных сигналов по напряжению, обеспечивая совместимость ЭСЛ элементов по входу и выходу. При соединении между собой ЭСЛ элементов, выход предыдущего эмиттерного повторителя нагружен на резисторы R1, R2 на входе последующего ИЭ. Кроме того, эти резисторы служат для стекания обратного базового тока и надежного запирания неиспользуемых (незадействованных) входных транзисторов.
Открытый эмиттерный выход ЭСЛ позволяет:
¾ уменьшить потребляемую ЛЭ мощность, если выход не используется;
¾ объединять выходы нескольких ЛЭ, реализуя логическую функцию «Монтажное И» на общем резисторе нагрузки.
Источник опорного напряжения, представляет собой параметрический стабилизатор с термокомпенсацией на резисторах R4, R5 и прямосмещенных диодах VD1, VD2. Эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT2 и R3, усиливает по току и снижает выходное сопротивление источника напряжения. Опорное напряжение такого источника составляет -1.3 В. Такой источник, как правило, обслуживает опорным напряжением несколько ЛЭ на одном кристалле.
Принципиальная особенность ИС ЭСЛ; они питаются отрицательным напряжением Еп=-5.2 В (напряжение подается со стороны эмиттеров, причем коллекторные цепи заземляются. Таким путем повышается помехоустойчивость ЭСЛ. Всплески коллекторных токов DIпот при переключении, протекая по шине с конечным сопротивлением Rш, создают напряжение помехи DUп=DIпот×Rш, которое может вызвать ложное срабатывание соседнего логического элемента. Поэтому коллекторная шина делается максимально большого сечения и заземляется. Разъединяются коллекторные цепи переключателя токов и эмиттерного повторителя на две земляные шины; слаботочная (малошумящая) земля переключателя токов и сильноточная (шумящая) земля силовых каскадов. Конечно, эти две шины земли проложены раздельно только в пределах цифровой платы и объединяются на общем плюсе источника питания.
Уровень помех на шине эмиттерного питания выше, чем на земляных шинах коллекторного питания (сечение земляной шины всегда больше потенциальной). Но влияние помехи потенциальной шины воздействуют на дифференциальный каскад со стороны эмиттера как синфазные сигналы, которые, как известно, ослабляются.
Наличие двух выходов Q и Q_ упрощает реализацию аппаратурных задач и исключает излишние задержки сигнала в дополнительных инверторах.
Передаточная характеристика и основные параметры ЭСЛ ЛЭ серии К500 и К1500 показаны ниже.
Рис 3.11. Передаточная характеристика и пределы переключательных характеристик ЭСЛ-элемента серии К1500
В положительной логике высокий уровень H (High) считается логической 1, а низкий уровень L (Low) – логическим нулем. Однако в ЭСЛ часто используется система отрицательной логики, где уровень H – логический нуль, а уровень L - логическая 1.
Параметры ЭСЛ серий К500 и К1500
Напряжение питания, В -5,2
Потребляемая мощность/на 1 ЛЭ, мВт 8 - 40
UH вх, В от -0.8 до -1.1
UL вх, В от -1,47 до -1,85
UH вых, В от -0,8 до -1,1
UL вых, В от -0,98 до -1,88
2DU амплитуда логического сигнала, В 0,8
Вх. ток высокого логического уровня, мкА 0,5
Вх. ток низкого логического уровня, мкА 265
Время переключения ЛЭ К500, нс 2,9
Время переключения ЛЭ К1500, нс 1,5
ИС на основе ЭСЛ еще недавно были основной элементной базой быстродействующих высокопроизводительных ЭВМ. На них построены отечественные суперЭВМ ЕС1035, ЕС1045, ЕС1060-1066, «Эльбрус» и др. Была даже выпущена отечественная микропроцессорная серия К1800 высокой интеграции. Однако тепловыделение было столь высоко, что требовалось искусственное охлаждение БИС. Более дешевой и экономичной оказалась архитектура ЭВМ с параллельной (многопроцессорной) обработкой информации дешевыми массовыми процессорами типа Pentium. Сотня процессоров Pentium дешевле, чем разрабатывать процессор ЭСЛ с быстродействием в сотни раз быстрее Pentium (да и не реально, учитывая, что Pentium и так уже работает на гигагерцовых частотах).
В настоящее время ЭСЛ логика область применения в суперЭВМ проиграла. Однако она сохраняет позиции как наиболее быстрая логика в таких разделах техники, где требуется максимальное быстродействие; электроника физического эксперимента, ядерные исследования, СВЧ счетчики и измерители частоты. Выпускается только как ИС малой и средней интеграции.
