Emitter-gekoppelte Logik
Englisch: emitter-coupled logic
Logikfamilie, die hohe Geschwindigkeit durch einen übergesteuerten BJT-Differenzverstärker mit einseitigem Eingang erreicht.
ECL: die schnellste je gebaute Logikfamilie, heute weitgehend Geschichte
Emitter-gekoppelte Logik ist eine Digitalschaltkreisfamilie, die auf einem Differenzialpaar bipolarer Bipolartransistoren (BJTs) aufgebaut ist, die in einem speziellen Betriebsbereich arbeiten, in dem die Transistoren niemals in Sättigung gehen. Anstatt wie TTL- oder CMOS-Gatter vollständig ein- und auszuschalten, lenken ECL-Transistoren den Strom basierend auf der Eingangsspannung zwischen zwei möglichen Pfaden. Diese Stromleitung, kombiniert mit Emitterfolger-Ausgangspuffern, ermöglicht ECL Verzögerungen von nur 1 bis 2 Nanosekunden pro Gatter in seinen besten Implementierungen.
Der Grundbaustein ist der Differenzverstärker, typischerweise ein Langschweif-Paar, bei dem die beiden Transistorbasis den Logikeingang und eine Referenzspannung empfangen. Wenn der Eingang die Referenz übersteigt, wird der Strom durch einen Transistor geleitet; fällt er darunter, wird der Strom durch den anderen geleitet. Da die Transistoren im linearen Bereich arbeiten und nicht in tiefe Sättigung gehen, können sie viel schneller schalten als sättigende Logikfamilien. Emitterfolger an den Ausgängen bieten niedrige Impedanz und die Möglichkeit, mehrere Lasten ohne Geschwindigkeitsverlust zu treiben.
ECL war von den 1960er bis 1980er Jahren die dominierende Logikfamilie für Hochgeschwindigkeitssysteme, besonders in Großrechnern, militärischer Signalverarbeitung und Telekommunikationsgeräten. Die Geschwindigkeiten übertrafen alle Konkurrenten deutlich: ein 10 kHz Ripple-Counter, der in TTL 200 Nanosekunden brauchte, lief mit ECL in 20 Nanosekunden. ECL zahlte jedoch einen hohen Preis in der Stromaufnahme, typischerweise fünf bis zehn Mal höher als äquivalentes CMOS bei gleicher Frequenz. Die Notwendigkeit dualer Stromversorgungen (typisch +5,2 V und -5,2 V) und sorgfältig kontrollierter impedanzgesteuerter Leiterplattenleitungen machte Systeme auch komplex und teuer.
ECL ist in neuen Designs heute fast ausgestorben. Der Aufstieg der CMOS-Technologie, kombiniert mit Fortschritten in Layout- und Schaltkreistechniken, ermöglichte es CMOS, ECL-Geschwindigkeiten zu erreichen oder zu übertreffen und dabei weit weniger Energie zu verbrauchen. Moderne GaAs- und SiGe-Technologien erreichen Nanosekunden-Schaltung in CMOS-Formfaktoren. Eine Handvoll älterer ECL-Chips bleiben in Produktion für Militär- und Aerospace-Anwendungen, bei denen der Austausch durch Qualifikationsvorschriften eingeschränkt ist, aber Bildungseinrichtungen und neue kommerzielle Arbeiten treffen selten auf sie.
Der Name spiegelt die Schaltungstopologie wider: die Emitter des Differenzialpaares sind an einem gemeinsamen Knoten (dem Schwanz) gekoppelt, der über eine Stromquelle mit Masse verbunden ist. Diese Emitterkopplung unterscheidet ECL von anderen BJT-Logikfamilien wie RTL (Widerstand-Transistor-Logik) oder DTL (Dioden-Transistor-Logik), bei denen die Kopplung an anderen Stellen der Schaltung auftritt. ECL heute zu verstehen ist hauptsächlich für Ingenieure wichtig, die Legacy-Systeme instand halten, die Geschichte von Digitaldesign-Kompromissen verstehen und erkennen, warum PCB-Impedanzsteuerung und Leitungsabschluss-Termination kritische Fähigkeiten in der Hochgeschwindigkeitsära wurden.