EMİTER KUPLAJLI LOJİK (Emiter Coupled Logic - ECL)

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

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

Kesim ve aktif bölge arasında anahtarlama Vİ yükseltilmeye başlandığında; VE = Vİ - VBE1 olduğundan dolayı VBE1, sabit 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. Fark kuvvetlendiricisi

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

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.

Vİ yeterince yüksek olursa; T1 iletimde, T2 kesimde olacaktır. 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

hFE = 100 alınırsa, T4 ‘ün beyz akımı = IB4 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.

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

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

(Lojik 1 durumunda; V02 = -0.76 V idi.) 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)

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.

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.

Bu değer, OR kapısındaki ile aynıdır. 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

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)

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.

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

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

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.

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.

T5 ‘in Beyz-emiter voltaj düşüşünü de 0.75V. kabul ederek 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.

Bu tür uygulamanın getirdiği avantajlar vardır. Bunları inceleyelim; 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.

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 =

Dolayısıyla kapı böyle bir kısa devreye karşı dayanıklı haldedir. 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.

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

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

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.

5. BÖLÜMÜN SONU