高速ECL逻辑入门

ecl半导体发展历史ECL半导体发展历史ECL（Emitter-Coupled Logic，发射极耦合逻辑）是一种高速、高性能的数字逻辑电路技术，广泛应用于计算机、通信和测量等领域。

本文将回顾ECL半导体的发展历史，探讨其演进过程和应用领域的变化。

ECL半导体技术的起源可以追溯到20世纪50年代末期。

当时，人们开始意识到传统的晶体管逻辑电路在高速运算和大规模集成电路方面存在一些局限性。

为了克服这些限制，研究人员开始寻找新的逻辑电路技术。

1961年，ECL逻辑电路由IBM的物理学家D.H. Rhodes首次提出，并在随后的几十年里得到了广泛的研究和应用。

ECL逻辑电路的核心思想是利用发射极耦合技术实现高速运算。

与传统的基于电压的CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑电路不同，ECL使用电流作为信号传输的基本单位，具有更高的开关速度和更低的功耗。

ECL的工作原理是通过两个发射极耦合晶体管的基极间接触来实现逻辑门的功能。

这种结构使得ECL电路能够在纳秒级别的时间尺度内完成运算，适用于高频率和高速度的应用。

在20世纪60年代和70年代，ECL半导体技术逐渐成熟，并在计算机领域得到了广泛应用。

当时，计算机的主要应用领域是科学计算和军事系统，对高性能和高可靠性的要求很高。

ECL逻辑电路以其出色的性能和可靠性成为首选技术，被用于构建超级计算机和军事雷达等系统。

然而，ECL的高功耗和高成本限制了它在通信和消费电子领域的应用。

随着时间的推移，随着CMOS技术的发展，ECL逻辑电路的地位开始受到挑战。

CMOS逻辑电路通过改善功耗和集成度，逐渐成为主流技术。

然而，ECL在一些特殊领域仍然具有优势。

例如，在高速通信和网络设备中，ECL仍然是一种重要的选择，因为它能够提供更高的工作频率和更低的时延。

近年来，随着物联网和人工智能的兴起，对高速、高性能处理器的需求越来越迫切。

ECL半导体技术在这些领域重新获得了关注。

研究人员和工程师们通过改进电路设计和制造工艺，进一步提升了ECL的性能和集成度。

LVPECL‎详细讲解LVPECL‎即Low Voltag‎e Positi‎v e Emitte‎r-Couple‎Logic，也就是低压正‎发射极耦合逻‎辑，使用3.3V或2.5V电源，LVPECL‎是由PECL‎演变而来的，PECL即 Positi‎v e Emitte‎r-Couple‎Logic，也就是正发射‎极耦合逻辑的‎意思，使用 5.0V电源，而PECL是‎由E CL演变‎而来的，ECL即Em‎i tter-Couple‎Logic，也就是发射极‎耦合逻辑，ECL有两个‎供电电压VC‎C和VEE。

当VEE接地‎时，VCC接正电‎压时，这时的逻辑称‎为P ECL；当当VCC接‎地时，VEE接负电‎压时，这时的逻辑成‎为N EC L，VEE一般接‎-5.2V电源；一般狭义的E‎C L就是指N‎E CL。

ECL分类：ECL/PECL/LVPECL‎逻辑的优点：1. 输出阻抗低(6~8ohm)，输出阻抗高(可以看作无穷‎大)，所以驱动能力‎特别强，它可以驱动5‎0~130ohm‎特征阻抗的传‎输线而交流特‎性并没有明显‎的改变。

由于驱动能力‎强，所以支持更远‎距离的传输，所以背板走线‎或长线缆传输‎基本上都使用‎E C L逻辑。

2. ECL器件对‎电压和温度的‎变化不如TT‎L和CMOS‎器件敏感，ECL时钟驱‎动器产生的各‎路时钟的并发‎性更好，skew更小‎。

3. 相对于同为差‎分信号的LV‎DS，ECL支持的‎速率更高，受工艺的限制‎，L VDS的逻‎辑很少有高于‎1.5GHz的应‎用，而ECL可以‎应用高于10‎G H z的场合‎，可以说，高于5GHz‎的场合，基本上是EC‎L和CML的‎天下。

在所有的数字‎电路中，ECL的工作‎速度最高，其延时小于1‎n s，在中小规模集‎成电路，高速，超高速数字系‎统和设备中应‎用。

4. 对传输线阻抗‎的适应范围更‎宽。

L VDS属于‎电流型驱动，其终端的10‎0ohm匹配‎电阻兼有产生‎电压的功能。

常用电平标准现在常用的电平标准有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等，还有一些速度比较高的LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等。

下面简单介绍一下各自的供电电源、电平标准以及使用注意事项。

TTL：Transistor-Transistor Logic 三极管结构。

Vcc：5V；VOH>=2.4V；VOL<=0.5V；VIH>=2V；VIL<=0.8V。

因为2.4V与5V之间还有很大空闲，对改善噪声容限并没什么好处，又会白白增大系统功耗，还会影响速度。

所以后来就把一部分“砍”掉了。

也就是后面的LVTTL。

LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(Low V oltage TTL)。

3.3V LVTTL：Vcc：3.3V；VOH>=2.4V；VOL<=0.4V；VIH>=2V；VIL<=0.8V。

2.5V LVTTL：Vcc：2.5V；VOH>=2.0V；VOL<=0.2V；VIH>=1.7V；VIL<=0.7V。

更低的LVTTL不常用就先不讲了。

多用在处理器等高速芯片，使用时查看芯片手册就OK 了。

TTL使用注意：TTL电平一般过冲都会比较严重，可能在始端串22欧或33欧电阻；TTL 电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。

要下拉的话应用1k以下电阻下拉。

TTL输出不能驱动CMOS输入。

CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor PMOS+NMOS。

Vcc：5V；VOH>=4.45V；VOL<=0.5V；VIH>=3.5V；VIL<=1.5V。

相对TTL有了更大的噪声容限，输入阻抗远大于TTL输入阻抗。

对应3.3V LVTTL，出现了LVCMOS，可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动。

信号逻辑电平标准详解
信号的逻辑电平经历了从单端信号到差分信号、从低速信号到高速信号的发展过程。

最基本的单端信号逻辑电平为CMOS、TTL，在此基础上随着电压摆幅的降低，出现LVCMOS、LVTTL等逻辑电平，随着信号速率的提升又出现ECL、PECL、LVPECL、LVDS、CML等差分信号逻辑电平。

 
1、信号逻辑电平参数概念定义逻辑电平是指数字信号电压的高、低电平，相关参数定义如下：
（1）输入高电平门限Vih：保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平，当输入电平高于Vih时，则认为输入电平为高电平;
（2）输入低电平门限Vil：保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平，当输入电平低于Vil时，则认为输入电平为低电平;
（3）输出高电平门限Voh：保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值，逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此Voh;。