4.4. ECL ба I2L интегралчлагч хэлхээнүүд

ТТЛ-ээс гадна биполяр транзистор ашигладаг ECL, I²L гэсэн 2 бүлийн тухайн энэ хэсэгт товч танилцаад өнгөрье.

ТТЛ-ээс илүү өндөр хурдтай буюу 30МГц хүртэл хурдтай ажиллахад биполяр транзистор ашигладаг өөр нэг урсгал болох ECL (emitter coupled logic) элементүүд тохиромжтой. ECL сери нь цаашид хөгжиж өндөр давтамжийн мужид ажилладаг ECL II, ECL III, ECL 10k, ECL 100k дэд бүлүүдийг гаргаж ажлын давтамжийг 500МГц хүртэл ихэсгэж чадсан болно. ECL серийн элементүүд нь биполяр транзисторын идэвхтэй ба хэрчилтийн горимыг ашигладаг тул биполяр транзисторын ханалт ба хэрчилтийн горимыг ашигладаг ТТЛ бүлийн элементүүдээс хурдан болж чадсан. ECL элементүүдийн саатлын хугацааг 1-2нс хүртэл багасгаж чадсан нь тэдгээрийг өндөр хурдтай системд өргөнөөр ашиглах боломжийг олгодог. Гэсэн хэдий боловч транзистор идэвхтэй горимд ажилладаг тул чадал их зарцуулдаг нь энэ бүлийн дутагдалтай тал нь болдог. Ерөнхий тохиолдолд 1 ECL элемент ойролцоогоор 25мВт чадал зарцуулдаг. ECL-ийн өөр нэг онцлог нь сөрөг хүчдлийг ашигладаг бөгөөд хүчдлийн төвшин -0.8в-оос их бол логик 1, -1.8-аас бага бол логик 0 төвшин гэж ойлгоно. Гэвч зөвшөөрөгдөх шуугианы өргөн дэндүү бага буюу 0.3в байдаг нь ECL элементийг үйлдвэрлэлийн орчинд тогтвортой ажиллуулахад гол бэрхшээл болдог.

ECL элемент нь оролтын хэсэг, дифференциал өсгүүр, эмиттерийн давтагч гэсэн 3 хэсгээс тогтдог бөгөөд дифференциал өсгүүр нь энэ элементийн гол үндсэн хэсэг болно. Жишээ болгон ECL NOR/OR элементийг зураг 4.1-д үзүүллээ.

Зураг 4.1

Хэрэв А ба В 2 оролтын В оролт нь -0.7в буюу логик 1 хүчдэлтэй байг. Тэгвэл Q1 транзисторын эмиттер дээрх хүчдэл -0.7в+(-0.7в)=-1.4в болох тул Q2 транзистор хаагдана. Иймээс Q1 транзистор нээгдэж гүйдэл R_C1 ба R_E резисторээр гүйнэ. Q2 транзистор хаалттай тул Q4-ийн бааз дээрх хүчдэл ойролцоогоор 0 байна. Иймээс Q4-ийн эмиттер дээрх хүчдэл -0.7в буюу логик 1 байна. Энэ үед Q1-ийн эмиттерээр гүйх гүйдэл нь  байна. Q1-ийн коллектороор гүйх гүйдлийг эмиттерээр гүйх гүйдэлтэйгээ ойролцоогоор тэнцүү гэж үзвэл Q1-ийн коллектор дээрх хүчдэл нь  байна. Энэ хүчдэл нь Q3-ийн бааз дээрх хүчдэлтэй тэнцүү учраас Q3-ийн эмиттер дээрх хүчдэл (-0.85в)+(-0.7в)=-1.55в хүчдэлтэй буюу логик 0 байна.

Харин 2 оролтын 2-улан дээр нь -1.55в буюу логик 0 байвал Q2 транзисторын эмиттер дээрх хүчдэл (-1.15в)+(-0.7в)=-1.85в байх тул Q1 ба Q1’ транзисторууд хаагдаж Q3-ийн бааз дээрх хүчдэл ойролцоогоор 0 болох тул Q3-ийн эмиттер дээрх хүчдэл -0.7в буюу логик 1 болно. Харин Q2-ийн эмиттерээр гүйх гүйдэл нь   байна. Q2-ийн коллектороор гүйх гүйдлийг эмиттерээр гүйх гүйдэлтэйгээ ойролцоогоор тэнцүү гэж үзвэл Q2-ийн коллектор дээрх хүчдэл нь  байна. Энэ хүчдэл нь Q4-ийн бааз дээрх хүчдэлтэй тэнцүү учраас Q4-ийн эмиттер дээрх хүчдэл (-0.85в)+(-0.7в)=-1.55в хүчдэлтэй буюу логик 0 байна. (зураг 4.2)

Зураг 4.2

Хүснэгт 2.1

A	B	Q1	Q1’	E	Q2	C	Q3	YNOR	D	Q4	VOR
-0.7v	-0.7v	active	active	-1.4v	off	-0.85v	active	-1.55v	~0	active	-0.7v
-0.7v	-1.55v	active	off	-1.4v	off	-0.85v	active	-1.55v	~0	active	-0.7v
-1.55v	-0.7v	off	active	-1.4v	off	-0.85v	active	-1.55v	~0	active	-0.7v
-1.55v	-1.55v	off	off	-1.85v	active	~0	active	-0.7v	-0.85v	active	-1.55v

ECL элементүүд нь шууд ба урвуу гэсэн 2 гаралттай байдаг. (зураг 4.3) Жишээ нь NAND ба AND, NOR ба OR г.м-члэн хос гаралттай байдаг тул үгүйсгэгчийг дангаар нь хийх шаардлагагүй болгосон. Ажиллах тэжээлийн хүчдэл нь -5.2в, гаралтын чадвар нь 25.

Зураг 4.3

ECL нь гаралтандаа эмиттерийн давтагчийг ашигладаг боловч эмиттерийг газартай холбосон pull-down резисторыг нь орхисон байдаг. Иймээс ECL элементийг ашиглах үедээ живэгч гүйдлийн гүйх замыг холбох зорилгоор pull-down резисторыг холбож өгөх шаардлагатай. Эмиттерийг сул орхисон ийм гаралтыг нээлттэй-эмиттерийн гаралт (open-emitter output) гэж нэрлэдэг. (зураг 4.4) Нээлттэй-эмиттерийн гаралттай ECL элементийг ашиглаж байгаа бол живэгч гүйдлийн замыг гүйцээх зорилгоор шууд ба үгүйсгэсэн гаралтуудыг нь тус тусад нь pull-down резистораар дамжуулан газардуулах замаар холбож хэрэглэнэ.

Зураг 4.4

ECL элементүүдийн шууд гаралтуудыг хооронд нь холбож ашиглаж болдог. Энэ үед шууд гаралтуудын хооронд AND үйлдлийг гүйцэтгэнэ. Жишээ нь OR/NOR ECL элементийн OR гаралтуудыг хооронд нь холбовол OR-AND үйлдлийг гүйцэтгэнэ. Мөн үүнтэй адилаар үгүйсгэсэн гаралтуудыг хооронд нь холбож ашиглаж болно. Хэрэв үгүйсгэсэн гаралтуудыг хооронд нь холбовол OR-AND-NOT үйлдлийг гүйцэтгэнэ. (зураг 4.5) 

Зураг 4.5

Ингээд ECL элементийн онцлог шинжүүдийг жагсаалвал:

·         Энд ашиглагдаж буй транзисторууд ханалтын горимонд ордоггүй. Үүгээрээ өмнөх ТТЛ-ээс үндсэндээ ялгагдах ба ийм бүлийг ханалтын бус логик ч гэж нэрлэдэг. Өөрөөр хэлбэл ТТЛ элемент нь татагч ба түлхэгч гэсэн 2 транзистор бүхий гаралттай бөгөөд эдгээр транзисторуудын аль нь нээлттэй байхаас хамааран гаралт логик ямар түвшинд байгаа нь тодорхойлогддог. Харин ECL-ийн хувьд дифференциал өсгүүрийн аль транзистораар нь гүйдэл гүйж байгаа эсэхээс нь хамааран гаралт логик ямар түвшинд байгаа нь тодорхойлогддог байна.

·         ECL элементийн логик 0 ба логик 1 хүчдлийн төвшиний хоорондох ялгаа маш бага буюу ойролцоогоор 0.85V байдаг. Иймээс гаралтын логик төвшингүүд харьцангуй бага хүчдлийн ялгаатай учир гаралтанд цэнэглэгдэж, цэнэгээ алдаж байх зорилгоор конденсатор тавьж газардуулдаг.

·         ECL элементийн оролтын импеданс харьцангуй их, гаралтын импеданс харьцангуй бага байх тул гаралтын конденсатор харьцангуй хурдан цэнэглэгдэж, цэнэгээ алддаг.

·         ECL элементүүд нь шууд ба урвуу гэсэн 2 гаралттай байдаг тул нэмж үгүйсгэгчийг ашиглах шаардлагагүй болгосон. Энэ нь нийт хэлхээнд хэрэглэгдэх интеграл хэлхээнүүдийн тоог багасгаж улмаар нийт хэлхээний хэмжээг багасгах төдийгүй тэжээлийн зарцуулалтыг багасгадаг, үгүйсгэгч ашигласнаас үүсэх хугацааны саатлыг арилгасан сайн талтай.

·         ECL элементийн оролтын импеданс харьцангуй их, гаралтын импеданс харьцангуй бага маш сайн дамжуулагч болдог бөгөөд энэ нь түүний гаралтыг чадварыг ихэсгэдэг буюу нэг жолоодогчоор удирдаж болох ачааллуудын тоог ихэсгэсэн.

·         Нээлттэй эмиттер гаралттай учраас гаралтуудыг хооронд нь шууд холбох замаар ашиглаж болно.

·         Тэжээлээр бараг тогтмол гүйдэл гүйх тул тэжээлийн хэсгийг хялбар хийх боломжтой.

·         Маш бага шуугианы өргөнтэй, транзисторууд нь идэвхтэй горимонд ажиллах тул их хэмжээний чадал зарцуулдаг, сөрөг хүчдэл ашиглах тул бусад бүлийн интегралчлагч хэлхээний элементүүдийг хамт ашиглахад нэмэлт нэлээд төвөгтэй интерфейсийн хэлхээг ашиглах шаардлагатай зэрэг асуудлаас болоод өргөн хэрэглэгддэггүй. Зайлшгүй шаардлагатай, өндөр хурдтай ажилладаг маш жижиг хүрээнд л хэрэглэгддэг.

Биполяр транзистор ашигладаг өөр нэг бүл бол Integrated Injection Logic буюу I²L бүл болно. Биполяр транзисторууд холбох npn ба pnp транзисторуудыг 2-уланг нь ашиглаж нэг чип дээр маш олон тооны гейтүүдийг багтаах боломжийг олгодог нь энэ бүлийн нэг онцлог болно.

Үндсэн I²L үгүйсгэгчийн схемийн зургийг 4.6-р зурагт үзүүлэв. Уг үгүйсгэгч нь олон коллектортой Q1 транзистор ба Q1-ийн баазыг удирдах зорилготой Q2 pnp транзистороос тогтно. Q2-ийн эмиттер нь V_EE тэжээлийн хүчдэлтэй холбогдож, бааз нь газардуулагдсан байна. Q2 транзистор нь гүйдлийн үүсгүүр бөгөөд Q1 уруу гүйдэл шахах (inject) зориулалтай учраас ийм бүтэцтэй элементийг интегралчлагдсан шахагч логик хэлхээ (Integrated Injection Logic) гэж нэрлэдэг.

Зураг 4.6

Жишээ I²L үгүйсгэгчийг ашиглан хэрэн логик үйлдлийг гүйцэтгэхийг үзье. (зураг 4.7) Энд Q4 транзистор гүйдлийн үүсгүүрийн үүрэг гүйцэтгэнэ. Q1 транзисторыг ашиглан А-г үгүйсгэнэ. Үүнтэй адилаар Q2-ийг ашиглан В-г үгүйсгэнэ. А-гийг үгүйсгэл ба В-гийн үгүйсгэлийг хооронд нь шууд холбосноор AND үйлдлийг гүйцэтгэх бөгөөд үүний үр дүнд A’B’=(AB)’=(A+B)’ буюу А болон В-гийн хувьд NOR үйлдлийг гүйцэтгэнэ. Үүний адилаар Q3-ийг ашиглан B-гийн үгүйсгэлийг дахин үгүйсгээд гарсан үр дүнг А-гийн үгүйсгэлтэй AND үйлдлийг гүйцэтгэснээр A’B=(AB’)’=(A+B’)’ үйлдлийг гүйцэтгэнэ. Эдгээр үйлдлийн үгүйсгэлийг хэрэглэх бол Q5 ба Q6 транзисторыг ашиглана.

Зураг 4.7

4.7-р зурагт үзүүлсэн хэлхээ нь (A+B)’ ба (A+B’) гэсэн 2 хэлбэрийн NOR үйлдлийг гүйцэтгэнэ. (зураг 4.8)

Зураг 4.8

Энэ технолгийг ашиглан чип дэх гейтийн багтаамжийг ихэсгэх боломжтой. I²L-ийг ашиглан 1мм² талбайд 1500 хүртлэх гейтийг байрлуулдаг. Мөн маш нарийн бүтэцтэй тоон элементийг хийх үед идэвхтэй элементийг харьцангуй бага хэрэглэдэг. Үүний улмаас харьцангуй бага чадал зарцуулна.

Өндөр хурдтай, бага чадал зарцуулдаг, өндөр нягтшилтай зэргээс нь хамааран LSI буюу Large Scale Integration технологид буюу нэг чип дээр 100-гаас дээш гейт агуулдаг микропроцессор, микроконтроллер-ийн чипүүд, санах ой, видео тоглоом, цаг, телевизорын сувгийн удирдлага зэрэг томоохон элементүүдийг хийхэд хэрэглэгддэг.

Харин илүү өргөн тэжээлийн мужид (+3в-оос +18в хүртлэх мужид) ажиллахад 4000 серийн CMOS элементүүд илүү тохиромжтой боловч муу тал нь ажиллах давтамжийн муж нь харьцангуй бага буюу 5в-д 3,5МГц, 10в-д 1МГц давтамжид ажилладаг. Энэ сери нь метал-оксид-хагас дамжуулагч транзистор ашигладаг тул тусад нь дараагийн бүлэгт танилцах болно.