EMİTER KUPLAJLI LOJİK (Emiter Coupled Logic - ECL)

1. EMİTER KUPLAJLI LOJİK (Emiter Coupled Logic - ECL)

2. ANAHTARLAMA HIZI • RTL, DTL ve TTL kapılarında anahtarlama: Doyum Kesim Sonuç: Yayılma gecikmesi uzamaktadır. • ECL kapısında anahtarlama: Aktif bölge Kesim Sonuç: Yayılma gecikmesi azalmaktadır.

3. Kesim ve aktif bölge arasında anahtarlama VR : sabit bir referans voltajı, Vİ : giriş voltajı. Vİ, VR ‘den yeterince küçük olduğunda; T1 kesimde Akım T2 üzerinden akar. Vİ = VR olduğunda; iki transistörün akımları eşit olacaktır. Fark kuvvetlendiricisi

4. Kesim ve aktif bölge arasında anahtarlama Vİ yükseltilmeye başlandığında; • Emiter gerilimi (VE) yükselecek, • T2 kesime gidecek, • T1 aktif bölgede çalışmaya başlayacaktır. Yani Vİ ‘deki değişim, akımı transistörlerin birinden diğerine anahtarlayacaktır. Anahtarlama esnasında RE ‘de akan toplam akımdaki değişim %2 ‘den daha azdır. VE = Vİ - VBE1 olduğundan dolayı VBE1, sabit Fark kuvvetlendiricisi

5. ECL KAPISI • Piyasada çok çeşitli ECL kapıları bulunmaktadır. • Bunlardan direnç değeri yüksek olanlarda, güç harcaması az olur fakat hızları düşük olur. • Direnç değeri düşük olanlarda, güç harcaması artarken hızları da artmaktadır. • ECL kapıları NOR veya OR olarak çalıştırılmaktadır. Bir ECL Kapısı

6. ECL TRANSİSTÖR VOLTAJLARI • Bir ECL transistörü için oda sıcaklığında Beyz-Emiter voltajı; V = 0.70V Eşik VBE = VBEA = 0.75V Aktif bölge V = 0.80V Doyum.

7. OR Çıkışı • Vİ yeterince yüksek olursa; T1 iletimde, T2 kesimde olacaktır. VC2 = VB4 = 0V T4 ‘ün Beyz-emiter jonksiyonu ise; V02 = -0.75V • T4 ‘ün emiter akımı ise : IE4 (Lojik 1) ECL Kapısı

8. OR Çıkışı • hFE = 100 alınırsa, T4 ‘ün beyz akımı = IB4 • Bu beyz akımı 300  ‘luk RC2 direnci üzerinden akar ve üzerinde bir gerilim düşümü meydana getirir. VRC2 = IB4 * RC2 = 300 * ( -0.03)mA  - 0.01 V.

9. OR Çıkışı Şekil’de; V02 -0.76 Volt olduğu görülmektedir. Kapının transfer karakteristiği

10. OR Çıkışı • Vİ azaltılarak; T1 kesime ve T2 aktif bölgeye girer VE = VR - VBEA(T2) = -1.175 - 0.75 = - 1. 925 V ECL Kapısı

11. OR Çıkışı • Beyz akımı ihmal edilirse, IE emiter akımı, RC2 üzerinden akan akıma eşittir. VC2 = VB4 = - RC2 * IE = - 300 . (2.78)=- 0.83V. • Kapı çıkış voltajı; V02 ; V02 = VB4 - VBEA(T4) = - 0. 83 - 0. 75 = - 1.58 V. (Lojik 1 durumunda; V02 = -0.76 V idi.) ECL Kapısı (Lojik 0)

12. IE ‘deki değişimin % 2 ‘den daha azdır ; • T1 kesimdeyse emiter akımının tamamı T2 üzerinden akar. • T2 kesimdeyse Emiter akımının tamamı T1 üzerinden akar. • T1 ‘in kesimden iletime geçtiği noktada emiter voltajındaki toplam değişim ; VE = 50mV. ‘tur.

13. IE ‘deki değişimin % 2 ‘den daha azdır ; • T2 ‘nin beyz voltajı ; (Vref) sabit olduğundan, bu VE değişimi T2 ‘yi aktif bölgeden kesime taşımak için 0.75V ‘tan 0.70 Volta kadar olan değişimdir. • Emiter akımındaki değişim ; • Denklem (5.4) ‘den IE = 2.78mA. bulunmuştu. Buradan ; Sonuç ; Bu nispi değer o kadar küçüktür ki IE sabit kabul edildiği zaman kadar bir hata yapılmamış olur.

14. NOR Çıkışı RC1 ve RC2 arasındaki fark ihmal edilirse, OR ve NOR kapıları için çıkış voltajları aynıdır. • Vİ yeterince küçük olduğunda; Çıkış voltajı V01; V01 = -VBEA( T3) - IB3 . RC1 V01 = - 0.75 - 0.01 = - 0.76 V. Bu değer, OR kapısındaki ile aynıdır. ( Lojik 1 seviyesi için.) • Vİ artırıldığı zaman; IC1 artacak, V01 çıkışı düşmeye başlayacak, T2 kesime gidecektir. ECL Kapısı

15. VC1 ve VE değerlerini bulalım; • Bir transistör tam doyum bölgesine giriyorken, VCE = 0.3 Volttur. V01 voltajı ve bununla ilgili giriş voltajı ise; V01= VC1 - VBE3(T3 aktif ) = - 0.97 - 0.75 = -1.72 V. Vİ= VE + V(T1 doyum) = -1.27 + 0.8 = - 0.47 V VE= VC1 - VCE = - 0.97 - 0.3 = -1.27V (Lojik 0)

16. FAN OUT - (ECL) • Bir kapının çıkışı Lojik 0 ‘da olduğu zaman sürülen kapı giriş akımı ihtiyacı duymaz. • Seviye Lojik 1 olduğu zaman giriş akımı gereklidir ve izin verilen Fan-out sorusunun cevaplanması gerekir.

17. Örnek 1 • Şekil 2’deki kapının V02 çıkışı, Şekil 4’te görüldüğü gibi N adet bezer kapıya fan-out sağlamaktadır. Gürültü aralığı 0.3 olduğuna göre oda sıcaklığındaki N sayısını bulunuz. Çözüm için aşağıdaki en kötü durum şartlarını kabul ediniz. Vİ = V02 =1.1V. * Sürücü katındaki dirençler tipik Rc2 değerinden %20 daha yüksektir, Rc2 = 300.(1.2) = 360, Emiter direnci = 1,5.(1,2)= 1.8k • Sürülen katların dirençleri tipik Re’ den %20 daha düşüktür. • Re = 1,8k . (0.8) = 940 * Kaynak voltajı %10 daha yüksektir. VEE = 5,1.(1,2) =5,7V * hFE = 40 Şekil 2. Bir ECL Kapısı Şekil 4. Fan-Out hesabı

18. EMİTER KUPLAJLI LOJİK - (ECL) Çözüm Vİ = V02 =1.1V. Eğer gürültü aralığı 0.3V ise, Vİ = V02 =-1.1V + 0.3V = -0.8V’ a ihtiyaç vardır. Farz edelim ki; VBEA = 0.75V VE = Vi-VBEA = -0.8 - 0.75 = -1.55V, IE = VE – VEE/Re = [-1.55 – (- 5.7)]/940 Ii = IE/(1+hFE) = 4.4/41 = 107μA bulunur. Sürücü katına dönüldüğünde ; VB4 = V02 + 0.75 = -0.8 + 0.75 = - 0.05V IB4 = VB4/RC2 = 139μA IE4 = (1+ hFE) . IB4 =41.(139) = 5.7mA I4 = [-0.8 - (- 5.7)]/1.8 = 2.7mA Io = IE4 – I4 = 5.7 – 2.7 = 3 mA Fan – out; N = Io/Ii = 3000/107 = 28 Fan-Out

19. EMİTER KUPLAJLI LOJİK - (ECL) Şekil 4. Fan-Out hesabı • Eğer 1’ in 0.1 V’ a düşmesine izin verilirse, biraz evvel ki örnekte de doğrulanabileceği gibi, N yaklaşık olarak 250 olur. • Her ilave yükleme kapısı, yük kapasitansını artırdığından, hız; fan – out’un artışından olumsuz etkilenir.

20. SICAKLIK KOMPANSELİ KUTUPLAMA KAYNAĞI • Diğer kapılarda olduğu gibi ECL kapılarında da transfer ve diğer karakteristikleri sıcaklığa bağımlıdır. • Bağımlılığın temel kaynağı, Beyz-emiter arasında düşen voltajın sıcaklıkla değişimidir.

21. ECL kapıları için referans kaynak devresi • Sıcaklık T = 25 C olduğunda D1 ve D2 diyodlarının ileri yönde kutuplanmasının 0.75 V. olduğunu kabul edelim. T5 ‘in beyz voltajını hesap edelim (T5 ‘in beyz akımı ihmal edilecektir). • T5 ‘in Beyz-emiter voltaj düşüşünü de 0.75V. kabul ederek VR = VB5 - VBE = - 0.425 - 0.75 = - 1.175 V. bulunur.

22. NEGATİF KAYNAK VOLTAJI • Diğer lojik kapılarda güç kaynağının negatif ucu topraklandığı halde ECL kapısında kaynağın pozitif ucu topraklanmıştır. • Bu tür uygulamanın getirdiği avantajlar vardır. Bunları inceleyelim; • Şekil b‘de bütün indüklenen voltajları temsilen kaynağa seri şekilde bir gürültü kaynağı ilave edilmiştir.

23. NEGATİF KAYNAK VOLTAJI • Şekil b ‘den de görülebileceği gibi kaynağın iki tarafı A ve B eşit değildir. Benzer şekilde V0 ve V’0 de eşit değildir. V0 ve V’0 voltajları gürültüyü değişik miktarlarda yansıtacaklardır. T2 ‘nin kesimde olduğunu farz edelim. Şekil c’den T4 ‘ün kollektör - emiter arasındaki empedansı =

24. NEGATİF KAYNAK VOLTAJI Sonuç : V0 ‘ın kullanılması V’0 ‘nün kullanılmasından daha avantajlı bulunmaktadır. • T4 kısadevre olma durumunda; Şekil c ‘de görüldüğü gibi, kaynak 1.5K ‘lık direnç üzerinden akan akımla korunmuş olur. Dolayısıyla kapı böyle bir kısa devreye karşı dayanıklı haldedir.

25. SEVİYE ÇEVRİMİ • ECL kapıları, diğer farklı tipteki kapılarla birbirlerine bağlanabilir. Doymalı lojiğin ECL ‘ye çevrimi : T5 ile ilgili devre, sabit bir (sıcaklık kompanzeli) referans voltajı sağlamaktadır. Doymalı lojiğin ECL ‘ye çevrimi

26. ECL - doymalı lojik çevrimi • Çevirme işlemi, T 3 ve T4 transistörlerinin kollektörlerinde meydana gelmektedir. • D1 diyotu, devrede üretilen herhangi bir osilasyonu (ringing) bastırmak içindir. ECL - Doymalı lojik çeviricisi

27. ECL kapısının avantaj ve dezavantajları : AVANTAJLARI • Transistörler doyuma gitmediğinden, lojik aileler içinde en yüksek hıza sahiptir. • Büyük bir Fan-out mümkündür. • Eşlenik çıkışları vardır. • Sıcaklık değişimlerinden etkilenmeleri çok azdır. • Hazır fonksiyon sayıları yüksektir. • Uzak mesafelere veri transferi kolayca sağlanmaktadır. DEZAVANTAJLARI • Gürültü aralığı sadece 200mV. dur. • Diğer ailelerle ara bağlaşım için seviye kaydırıcılar gerektirir.

28. 5. BÖLÜMÜN SONU