信号完整性学习笔记之ECL逻辑电路

ECL 电路（ Emitter Coupled Logic ）是发射极梢合逻辑电路，由于其基本门电路工作在非饱和状态 ， 是一种非饱和型的数字逻辑电路。

与 DTL、 TTL, S一TTL 等逻辑电路不同， ECL路内部的晶体管工作在线性区或截止区，处于非饱和状态 ， 从根本上消除了限制速度提高的少数载流子的“存储时间”，它的平均延迟时间可达几个毫微秒甚至亚毫微秒数量级。

因此，它是现有各种逻辑电路中速度最快的一种电路形式，也是目前唯一能够提供亚毫微秒开关时间的实用电路。其在高速和超高速数字系统中应用十分广泛。它的主要缺点是直流功耗大，从某种意义上来说， ECL 电路开关速度的提高是以牺牲功耗换取的。

ECL 主要特点：作速度快。ECL 门电路的传输延迟时间可缩短至1ns 以内，是现代数字 IC 中工作速度最的一种，适应工作频率范围100～1000MHz。输出内阻低，带负载能力很强。功耗大，输出电平稳定性较差，噪声容限比较低，抗干扰能力差 。

1 ECL器件原理及工作特性

典型的 ECL 基本门电路的结构由三部分组成：差分放大器输入电路、温度电压补偿偏压网络和射极跟随器输出电路。基本门电路的结构如图所示。

(1) 当输入端AB都接低电平0（设VA=VB=0.5V）时

由于VREF=1V，因此T3优先导通，使发射极e电位VE=VREF-VBE3=0.3V，对于T1、T2说，由于VE3=0.3V，而VA=VB=0，两只管子都截止，流过RE的电流将全部由T3提供，且有

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

这样就有

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

而Vc1 =Vcc=6V 由此可见， 当输入为0 时，T1 、T2 截止，输出端c1为高电平1 ( +6V); T3 导通，输出端c3 为低电平0(+5V）。而且由于Vc3=VREF=1V ，而Vc3=5V， 所以T3 处于放大状态。

( 2）当输入端A、B 中有一个接高山平1（设A 接高电平，VA=1.5V ）时

由于VA> VREF，所以T1优先导通， 这就使VE=1.5V-0.7V=0.8V，对T3 来说，这时基极电位比发射极电位仅高0.2V , T3 截止。流过Re的电流由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

此时T1处于放大状态。由于T1和T2 的发射极和集电极是分别连在一起的，所以只要A 、B 中有一个接高电平， 都会使c1为低电平0 ( + 5V ），而c3 为高电平1 ( +6V ） 。

由上分析可得：c1为或非输出；c3为或输出，即ECL 门的基本逻辑功能是同时具备或非／或输出， 称之为互补逻辑输山。同时，不论是哪个BJT 导通， 所形成的发射极电流IE 都是很接近的。这个电流受输入信号控制，分别流入T1 或T2 或T3，就象一个开关在控制，所以ECL 电路又称为电流开关型电路（ CML) 。

综上分析，当输入端A、B都接低电平。（设VA=VB=0.5V）时，T1 、T2 截止，T3 处于放大状态而未达到饱和。当输入端A、B 中有一个接高电平1（设A 接高电平， VA= 1.5V ） 时，T1处于放大状态， T3 截止。所以， ECL 电路始终工作在非饱和状态。

2 ECL门电路实际电路

a.射极耦合电流开关

射极耦合电流开关实际上是一个一边为固定输入VBB，另一边为大信号多输入端的射极耦合差分级， 它的工作原理与单端输入、双端输出的差分放大器非常类似，但它只对信号起传递作用。

一般说来， ECL 电路推荐使用负电源VEE=-5.2V 。此电路的作用相当于一个电流开关，时而把电流拨给输入管T1A 、T1B，时而又把电流拨给T2 管。这就是所谓的电流型开关逻辑电路的由来。

b.射极输出器

射极输出器的作用有三个：

(1) 保持输出相位不变，逻辑关系不变；

(2) 进行电平位移。由于电流开关的输出高、低电平比输入高、低电平约高0. 8V，所以电流开关的输出不能直接作为下一级ECL 电路的输入，不然会引起逻辑错误。经射随器位移一个VBE后，可以获得ECL 标准逻辑电平，使前级的输出电平和后级的输入电平数值匹配。

(3) 提高负载能力、扩大逻辑功能等。由于射随器的输入阻抗高（约6K 欧姆）、输出阻抗低（约7 欧姆），它不仅起到了缓冲、隔离和电流放大的作用， 而且增大了电路的带负载能力。因为射随器有大电流输出， 所以采用单独接地， 以防止与电路其他部分之间的串扰。在大型系统中，射极输出器还采用－2.0V 电源单独供电。

c.参考电压源

ECL 基本门电路的温度－电压补偿网络（又称参考源）， 由晶体管T5、两个二极管和电阻R1 、R2 、R3 组成。它为差分放大器提供一个固定的参考电压VBB，其值一般被调整在信号逻辑电平摆幅的中间值上（如－1.29V ） 。分压线路内的二极管对T5管起温度补偿作用。该参考源的另一个特点是能适量跟踪电源电压的变化，因而也不会因电源电压变化而显著影响电路的交直流性能。