（电路与系统专业论文）基于对称输入输出的三值ecl电路设计.pdf

摘要 本文提出了适合多值e c l 电路设计的一种新型电路结构对称输入输出 多值e c l 电路，并针对三值组合、时序电路及部分四值电路进行电路设计及模拟 仿真。 论文首先针对e c l 的电路特性，概要叙述了多值e c l 电路开关级设计的理论 基础差动电流开关理论，并为更好的设计对称输入输出e c l 电路，对差动电 流开关理论进行了充实，为电路设计建立了理论基础。 其次针对e c l 的电路结构，分别对互补对偶e c l 电路、差分e c l 电路、直接 比较e c l 电路的结构、性能特点作了分析，在此基础上提出了对称输入输出e c l 电路结构，详细分析了对称输入输出多值电路中参考电平的使用数量，并将多集 电极晶体管应用于对称输入输出电路中。接着我们设计了三值e c l 组合电路、时 序电路和部分四值e c l 电路。 在三值e c l 组合电路中，分别设计了三值e c l 文字电路，m a x 及m i n 电路， 整形反相器、可控t 门、模代数六种极性运算电路、模三加、模三乘以及三值 e c l 比较电路等。同时针对些典型电路进行了p s p i c e 电路模拟仿真。 在三值e c l 时序电路中，我们首先设计了对称输入输出e c l 三值d 锁存器电 路，并用d 锁存器设计了三值e c l 主从存贮型d 触发器。之后根据d 锁存器及触 发器电路设计了移位寄存器、计数器及控制器等基本时序电路。 作为对称输入输出三值电路的扩展，论文最后设计了几个典型的四值e c l 电 路，并给出了结论及对今后工作的展望。 关键词：e c l 电路；多值逻辑：开关级设计；对称输入输出；参考电平： p s p i c e 模拟 a b s t r a c t l nt h i sd i s s e r t a n o n ，an e w 秽p ee c lt e m a r yc i r c u i tw i t hs y m m e t r i ci n p u ba n do u t p u t sw 嬲 p r e s e n i e d b a s e do nt l l e 舳a l y s i so fc 1 1 a r a c t e r i s t i c so fe c lc j r c u i t s ，a n dw ed e s i g n e dt e m a r y c o m b i n e dc i r c u i t s 、s e q u e n 廿a lc i r c u i t s 锄ds o m eq u a d 丌j p l ec i r c u i t s ，a l s ow eg a v et h ep s p i c e s i m u l a t i o i l s i nt l i es e c t i o na b h 0 u tc h a r a c t t h i sd i s s e r t a t i o n 面d u c e dt 1 1 et l l e o r yo f s w n c h _ s i 印a lo f e c l b a s e do ni tw ep 陀s e l l t e dt 1 1 et i l e o i yo f s y m m e 廿i ci n p u t sa n do u t p u 也s w “c h s i g n a lo f e c l i nt h es e c t i o na b o u ts 仃1 】c t u l e ，_ 【h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e d血ed e v e l o p m e n t sa n d i m p r o v e m e n t s o fe c lc i r c u n s ： c o m p l e m e n t a r y - c o u p 】j n ge c l ， d i f e r c n t a 1e c la n d d h c t - c o 唧枷d v i s te c lc i r c u 恼n e 耐，an e wt y p ee c lt e m a r yc i r c l l i tw 汕s y i t l m e 仃i ci l l p u t s 蚰d 唧u t sw 船p r e s e m e db a s e do nt h ea n a i y s i so f c h a r a c t e d s t i co f e c lc i r c u i t s ；t i l i s 鹏wt y p ec i r c u i t c a nd e c r e a s et h eq u 姐t i t i e so f r e f b r e n c es o u r c e sa n dw ea l s ou 鸵dm u l t i c o l l e c t o rt op e r f b c ti t w ed e 确弘e dt e m a r yc o m b i n c dc i r c 泣t s 、s e q u e m j a lc 慨i t sa n ds o m eq u a d n 】p l ec i r c u 谴s b a s e d o nt l l es 仰c n l r e0 f s y m m e 州ci n p u t sa n d 叫t p u t s i nt l l es e c t i o na b o u tt e m a r yc o m b i n e dc i r c u i t s ，w ed e s i g n e de c lt e m a r yl i t e r a lc i r c u i t 、m a x a 1 1 dm t n c i r c u n s 、m o d u l 0 a l g e b mc i r c u i t s ，c o m p a r i s o nl o 百cc i r c u i t s 柚ds o 蚰i no r d e rt oe x p l a i n t 1 1 ea d v a n t a g eo fn w ec a 耐e do u tt h ep s p i c es i m u l a t i o n su s i n g0 5pmb i p 0 1 a rp a r a m e t c r st 0 锄a l y s i si o 百cm n c t i o n s ，n l er c s u l t so f p s p i c es i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h e1 0 垂cf u n c t i o n so f t h e m w e r er i 曲t ，a n dt h i sn e wt ) 伴c i r c u i t si ss i m p l e rt h a n 订a d j t i o n a lc i r c u i t s ，s o u r c ev o l t a g ea 1 1 dp o w e r a r e1 0 w e ra l s o 1 n l es e c t i o na b o u ts e q l l e n 石a lc i r c u i t s ，w ed e s i g n e de c lt e m a r ydn i p l a t c ha 1 1 dd 订i 鹊e r w i t | ls y m m e 确ci n p u t s 锄do u t p 吣w ea l s ou s e dm e mt od e s i g ns o m e 哆p i c a ls e q u e 以a lc i r c u i t s 1 i k et e m a r ys h i r i n gr e g i s t e r 、c o u n t e r sa n dc o n 廿d l l e l i nt h e1 a s ts e c d 彻，w ed e s j g i l e ds o m eq u a d 兀i p l ec 沁u 沁a n dg a v ct h ec o n c l u s j o na sw e na s 血ee x d e c t a d o n k e yw o r d 3 ： e c lc i r c u “s ；m u l t i v a l u e dl o g i c ；s w i t c hl e v e l ；s y m m e ci n p u t sa l l do u t p u t s r e f e r e n c es o u c e ip s p i c es i m u l a t i o n ； 2 塑! ：兰茎堡主堡苎苎王堕整笪垒熊堂塑三堕! ! ! 皇堕堡塑 第一章 绪论 传统的数字电路一直使用二值信号( o ，1 ) ，其基本单元电路被认为具有最 简单的电路结构，工作最可靠。但是相应的电路自然功能简单，可携带的信息量 也最少，空间和时间利用率较低。基于此，1 9 2 1 年由p o s t 0 1 提出第一个对任何 基数均满足完备性的多值代数系统，以后又以此为基础逐渐发展成为多值格代 数。从7 0 年代起，多值信号及处理多值信号的多值逻辑电路一直是国际上受到 关注的课题，对它的研究工作取得了很大的进展o “1 ，与此同时人们已在研究未 来多值计算机的可行性。时至今日，多值逻辑在国内已受到多方的重视与关注， 对于多值逻辑的研究具有非常广泛的意义。 e c l 电路是发射极耦合逻辑( e m i t t e r c o u p l e dl o g i c ) 集成电路的简称。 与其它电路形式( 如t t l ，c m o s ) 不同，e c l 电路最大的特点在于其基本门电路 工作在非饱和状态下，即晶体管处于截止或者线性区，是一种非饱和型数字集成 电路“1 。由于消除了限制速度提高的晶体管存储时间，因此可以获得很高的工作 速度，这种电路的平均延迟时间可达到几个毫微秒甚至亚毫微秒数量级”1 。与其 它集成电路相比，e c l 集成电路在高速及超高速数字系统中充当无以匹敌的角色。 e c l 电路作为最快的双极型电路，与多值逻辑的结合应用具有广泛的发展前 景，其研究一直受到重视。本论文主要针对e c l 电路的特点，提出一种基于对称 输入输出结构的多值e c l 电路，并分别以组合电路和时序电路为例给出具体说 明。本章将首先简单阐述多值逻辑及e c l 电路设计的研究意义、研究动向、研究 现状，然后介绍本文的研究内容以及章节的安排。 1 1 多值逻辑的研究意义及发展现状 “多值”指数字信号的取值数比传统的取值数2 多的情况，多值逻辑是指逻 辑值的取值数大于2 的逻辑。数字信号取值数的选择标准就是要求相应的处理数 翘歹，t 乎 硕士论文 基于对称输入输出的三值e c l 电路设计 字信号电路结构简单，工作可靠，成本低。取值数最小的二值信号具有最简单的 结构，工作最可靠，信号传输中抗干扰能力也虽强。同样数量的二值信号要比多 值信号容易处理，同时二值逻辑无论在理论上或实践上均已成熟，所以多值逻辑 在电子科学技术中的应用，目前还远没有二值逻辑那么普遍。 但是由于多值逻辑有着许多独特的功能和广泛的应用前景，越来越受到国际 学术界的注视。“，多值逻辑的优势在于。州： ( 1 )多值逻辑的结构形式远比二值逻辑多姿多彩，信息携带量高，时间 空间利用率大。可以更好地解决二值逻辑不易解决的问题。 ( 2 ) 多值数字系统的信息密度高。当这种数字系统用大规模或超大规模 集成电路实现时可以大大节省集成电路的基片面积，大规模集成电 路的封装密度将得到提高。 ( 3 )在大规模、超大规模集成电路发展中集成电路功能日益增强而体积 却日趋缩小。前者要求增加引线数，后者则要求减少引线数。二值 逻辑己很难解决这一问题，而多值逻辑却能很好的解决。 ( 4 ) 多值逻辑相互连接的复杂性降低，单位面积的数据处理能力增强， 外部信号变换容易，硬件系统的复杂性将降低。 综合来说可以得到下图所示的处理多值信号的多值数字系统优点示意图“： 在研究多值逻辑的过程中，其研究历史及现状也是我们比较关注的问题。 塑兰：兰翌望圭兰苎垩三翌蔓垫垒塑堂塑三堕! ! ! 皇墅堡生 多值逻辑的第一个研究方向是多值数学理论“1 ；第二个研究方向为多值电路设 计，传统的做法是遵循现成的二值集成电路族进行研究，主要有三值e c l 电路设 计，三值c m o s 电路与三值t t l 电路设计，四值i2 l 电路设计，三值n m o s 电路设 计。同时人们还应用多值逻辑考察新型集成电路，如c c d 电路等。由吴训威提出 的适合多值电路的开关级设计为多值电路的研究带来了新的发展方向，在开关级 设计中针对不同电路有不同的开关理论。主要有针对c m o s 电路的传输电压开关 理论，针对n m o s 和t t l 电路的限幅电压开关理论，针对e c l 电路的差动电流开 关理论，针对i2 l 电路的接地电流开关理论“1 。目前多值电路的研究方向还有多 值动态电路，多值b i m o s 电路，神经m o s ( v m 0 s ) 等。近年来，多值逻辑的发展 趋势主要有四个方面。1 ： 1 理论研究的范围广泛，并向纵向发展。从最早对哲学、形式逻辑、代 数理论的研究，发展到目前的开关理论、逻辑设计和工程应用等方面 的研究。 2 随着多值逻辑研究的不断深入，多值电路的发展非常迅速，实验室试 制成功的以及正式投放市场的多值电路不胜枚举，其中已有不少多值 器件进入实用阶段。例如1 2 l 及e c l 四值全加器、乘法器及计数器。 3 对多值逻辑的应用研究范围也日益扩大。多值与二值混合系统的研究、 多值数字系统的研究、以及在二值数字系统中采用多值逻辑技术是其 中的重点方向。 4 和二值逻辑一样，多值电路研究中的一个重要课题是提高速度、降低 功耗。其中发射极耦合逻辑( e c l ) 由于是一种最快的双极型电路而受 到重视。 5 r i c h a r d s “2 1 提出处理某定量信息( n ) 的电路复杂性或成本( c ) 应与 数字信号的取值数( r ) 及所需使用的信号的个数( d ) 的乘积有关： c = k ( r + d ) 。k 为比例系数。计算结果表明，取值数为3 可能是最好的 选择，可能导致最简单的电路结构。所以在多值逻辑的研究中，针对 三值及四值电路的研究颇为重要，并且是极具意义和前景的。 1 2e c l 电路及多值印l 电路研究现状 塑：兰茎堡主堡苎茎主翌整堕垒塑堂塑三堕! ! ! 皇些堡生 自c m o s 电路问世以来，便以其低功耗、高抗干扰能力的突出优点引起用户 和生产厂商的普遍重视，在大规模集成电路中，人们普遍采用m o s 管作为集成元 件“，特别是近2 0 年来c m o s 电路取得了惊人的发展，并占据了大部分的应用场 合。但是，c m o s 电路的一个重要弱点是它的速度相对较慢，驱动能力弱，在要 求高速大驱动的场合，它的应用就受到限制。如高速数据传输、高速存储器、光 接口、高速开关与无线通信、高速计算机等。但这却是具有高速度、大驱动能力 的e c l 电路的应用领域“。e c l 电路与c m o s 电路相比，更是具有以下优点： 1 实现同样的逻辑功能，e c l 电路用的门数几乎是静态c m 0 s 电路所用门数 的一半“”1 。 2 e c l 电路逻辑摆幅较小，当电路从一种状态过渡到另一种状态时，对寄 生电容的充放电时间减少，这也是e c l 电路具有高开关速度的重要原因。 同时，摆幅的减小，对于降低电路的动态功耗也是有利的”3 。 3 从电路的逻辑功能看，e c l 电路具有互补的输出，可同时获得两种逻辑 电平，将大大简化逻辑系统的设计”1 。 4 e c l 电路中，组成差分对的二个晶体管分别工作于截止和线性区，且其 电路输出摆幅又较电源电压小得多，因而功耗主要是直流功耗，它不随 电路的工作频率提高而增加。在工作频率越过一定值后，e c l 电路的功 耗低于c m o s 电路的功耗“。 因此，为了适应各种数字系统的需要，近年来有许多研究工作已对e c l 电路 进行了改进，不仅使e c l 电路的集成度得到大幅度提高，而且其功耗也得到大幅 度下降“。归纳起来主要有三大类： 一类是仍保持普通e c l 电路的逻辑摆幅和电源电压，就温度、速度及其它方 面的性能进行改进”“。 另一类是简化电路结构，降低逻辑摆幅和电源电压，降低功耗，提高电路的 封装密度和速度以适应高速、低功耗、大规模集成方面的需要“”。例如：对工 艺改进；对驱动电路改进，降低电源电压，实现在较小的驱动电流下提高e c l 电 路的速度；简化电路结构，减少逻辑摆幅。如e 2 c l 电路，把输出射极跟随器移 到输入端，减少射极跟随器的数量，可达到提高速度、降低功耗的目的。s t l 电 翘歹7z 亨 硕士论文基于对称输入输出的三值e c l 电路设计 路、n t l 电路、f e c l 、e f l 电路都属此类。 第三类是对电路结构进行变换，如串联开关变换成并联开关的技术，使e c l 电路适合于低电源电压下工作“。 1 3 论文的研究重点以及章节安排 在众多的多值逻辑电路族中，e c l 电路由于其非饱和工作特点，在高速多值 电路研究中具有重要的地位。然而以往的研究仅是限于从经验出发提出电路设 计，使得e c l 多值电路虽然受到重视但进展缓慢。据此，在第二章已介绍了适用 于e c l 电路设计的开关信号理论。该理论能较好的用于指导e c l 电路在开关级的 电路设计。 本文第一章介绍了多值电路的研究意义及发展现状，指出多值电路与传统的 二值电路相比所具有的优势，并指出针对三值电路的研究具有较重要的意义。同 时介绍了e c l 电路及多值e c l 电路的研究现状，指出研究e c l 电路的重要性及其 发展趋势。 本文第二章介绍了开关信号理论及多值e c l 电路开关级设计的理论基础一 一差动电流开关理论，并为其进行了一点补充以更好的设计对称输入输出e c l 电 路。 第三章介绍了在多值e c l 电路方面前人的研究和工作成果，主要有互补对偶 结构多值e c l 电路及直接比较多值e c l 电路。同时提出符合e c l 电路特性的对称 输入输出e c l 电路，并详细分析了在此电路中参考电平的使用数量和电路中将要 应用的多集电极晶体管，同时分析了对称输入输出结构的多值e c l 电路优势所 在。 第四章根据差动电流开关理论及对称输入输出多值e c l 电路表达方式设计 了三值e c l 组合电路，并给出p s p i c e 模拟结果。在这一章中分析了对称输入输 出多值e c l 电路与单输入多值e c l 电路相比所具有的优势，设计实例表明对称输 入输出三值e c l 电路只需一个参考源，电路结构相对简单，所用晶体管和电流源 数量也相对较少，并且采用了多集电极晶体管，有利于元件的集成。模拟结果表 明电路功能诈确。与单输入三值电路相比具有一定的优势。利用对称输入输出电 丝：兰茎堡主笙苎墨三翌整塑垒塑坐塑三堕! ! ! 皇堕堡生 路结构设计的时序电路也将比传统电路具有更低的功耗和更简单的电路结构。 第五章基于对称输入输出这种新型结构，设计了三值d 型锁存器及三值主从 结构的d 型触发器，并根据d 型锁存器加外围电路设计了时序电路，以移位寄存 器、计数器、控制器为例给出具体应用和说明。 第六章作为三值电路的扩展，简单介绍了对称输入输出四值e c l 电路，并设 计了几个四值电路进行讨论。 第七章为整篇论文做出总结，并对因为时间及篇幅的原因未讨论的部分进行 展望，以期待后续工作的完成。 壁：兰翌堡主堡奎 苎王翌堡塑垒竺些塑三堡! ! ! 皇堕垦生 第二章 差动电流开关理论 传统的格代数( 包括布尔代数) 只是用来单纯的描写信号的代数系统，在该 类系统中变量只描写信号的取值，运算只描写对信号的门级处理，它们明显的忽 略了开关的存在“3 。由吴训威提出的开关理论可以很好的解决这个问题，建立了 一种既描写信号又描写开关的代数系统，可以直接利用元件的逻辑功能，不以门 为构造单元，而以晶体管元件为构造单元来设计电路。 这一章我们就简单的介绍开关信号理论及适合二值及多值e c l 电路的差动 电流开关理论。 2 1 开关信号理论 传统的数子电路设计都是以门电路作为基本构造单元的，但研究表明最好的 电路设计应该是以管子作为基本单元，即管子级设计，也称为开关级设计。开关 信号理论即是指导数字电路开关级设计的电路设计理论，在这一理论中区分了电 路中的二类变量：开关变量和信号变量。对应的分别建立了开关代数和信号代 数系统，这两类代数系统又可以用两类结联运算互相联结，以下分别介绍。 1 开关变量和开关代数“1 用a ，表示开关变量，取值为开关的通断二个状态，用t 、f 表示。 它用于描写电路中晶体管开关元件的通与断二种相反状态。与开关变量有关的基 本运算为与、或、非，它们定义如下所示： 与麟唧= ：! 瑟 汜， 或雠州= ；：瓮? 汜， 非运算麻嚣； ， 丝! 曼翌堡主笙壅茎主翌整塑垒塑生塑三堡! ! ! 皇堕墨茎 与、或运算分别描写开关串联、并联，非运算描写二种开关状态的相反关系。 由此建立的代数系统即为传统的开关代数。 2 信号变量和信号代数“3 用x ，y ，z 表示信号变量，它们取值为0 ，l ，2 ，m 一1 ，用于表示电路 中m 种电学信号。电路对数字信号的检测是通过输入信号与阈值比较来作出的， 检测闽居于相邻的二种信号值之间，并记为t ，f o 5 ，1 5 ，n 1 - 1 5 ) ，即存在 _ 1 个检测阈，也称为阈值。与信号变量有关的基本运算为取小，取大，及文字 运算。它们的定义如下： 取小运算：工n y = i n i n ( x ，y ) ( 2 1 4 ) 取大运算：x u y = m a ) 【( 石，y ) ( 2 1 5 ) 文字运算：一= 爱_ 1 譬i 2 c z e ， 由以上三种基本运算建立的代数系统称为信号代数，此外还可引入补运算： h 运算： x = ( m 一1 ) 一x ( 2 1 7 ) 式中“一”为算术减运算。 由于数字电路中元件的开关状态与信号之间相互联系、相互作用，因此，开 关代数与信号代数之间存在着结联运算，用于描写开关与信号之间的相互作用， 分为结联运算i 和结联运算i l ，简单介绍如下所示。 3 结联运算i 它描写信号控制元件开关状态的物理过程。这里引入二种阈比较运算。 高阂运算： x = ；，芝：3 c z ，s ， 低阈运算： = ；：荽二? c z - 。， 与阈运算有关的主要性质有： p 2 1 2 1 ( 2 1 l o )1 ”， i x = x 7 = 苴 丝! ：兰翌堡兰丝壅 堇三翌壁垫垒塑皇塑三堕! ! ! 皇堕堡茎 fx “x “= x “1 。1 ，。2 i x “+ x “= z m 蹦) f “x “x = m “n 17 2 z 1 x + f 2x = 叫眦n ) x fx y 7 = o u y ) i x 。+ _ y = ( 石n y ) i x y = 0 u y ) i x + y = ( x n y ) ( 2 1 1 1 ) ( 2 1 1 2 ) ( 2 1 1 3 ) ( 2 1 1 4 ) 三磊 健 o s s ，州s 眨s ， ( 2 1 j 5 ) 式为换阂公式，不仅阈值t 换了位置，且可取任意值。 4 联结运算i i 描写元件的开关状态控制信号的传输与形成过程。由于与具体电路族中开关 元件控制信号的传输与形成的物理过程有关，因此要按不同的电路族进行讨论。 本文将只讨论应用于e c l 电路族的差动电流开关理论。 2 2 差动电流开关理论 1 差动开关运算”1 根据e c l 电路的工作特点，适合于e c l 数字电路开关级设计的结联运算i i 可 定义为差动开关运算。 差动开关运算：x p 口皇信 孑：三； c z z ， 与差动开关运算有关的性质主要有： 重复律：x 睁口p 口= x 口 ( 2 2 2 ) 串联控带0 律：x p a p 卢= x ( 口卢) 取，j 、运算： x n y 皇m i n ( x ，y ) 与取小运算有关的主要公式为： ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 丝：兰兰堡主堡苎茔王翌整塑垫些塑三堕! ! ! 皇堕垦生 ( z p 口) n ( y p 口) = ( 茁n 少) 肛口 0 p 口) n ( x p 卢) = x p ( 口) 取大运算： x u y 皇m a x ( x ，y ) 与取大运算有关的主要公式为： ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 0 睁口) u ( y 睁口) = u y ) 口 ( 2 2 8 ) o p 口) u 睁) = x 睁( 口+ ) ( 2 2 9 ) 根据上述运算定义和性质，任意多值函数可有其规范展开式。以单变量三值 函数为例，其差动开关运算展开式为： 厂( x ) = 【厂( 0 ) px o5 】u 【，( 1 ) p ( 0 。5 x x 15 ) 】u 【厂( 2 ) p 1 5 x 】 ( 2 2 1 0 ) 以上即是差动电流开关理论的主要内容，论文中为了更好的设计对称输入输 出结构的多值e c l 电路，我们为其进行了一点补充。 对于对称输入输出结构的e c l 电路，差动开关运算不只是关于x 的运算，同 时也应有关于x 的运算。任意多值函数也应有其规范展开式。以单变量三值函数 为例，其对称输入输出差动开关运算展开式为： j 厂o ) 2 【厂( 0 ) x ”】u 【厂( i ) ”o n x ) j u 厂( 2 ) p x ”1( 2 2 1 1 ) i ，( x ) = 厂( o 玲p5 】u 【，( 1 抄”0 n z ) 】u ，( 2 抄x 】 这样可使得对称输入输出e c l 电路具备基本的设计方法。应用其开关级函数 可以设计任意对称输入输出多值e c l 电路。 丝z ：兰茎堕圭笙茎墨翌整堡垒塑些塑三堡! ! ! 皇堕堡生 第三章 多值e c l 电路的改进及 对称输入输出e c l 电路的提出 随着大型高速数字系统的发展，e c l 电路的应用也日趋广泛。为了适应各种 数字系统的需要，人们在普通e c l 电路的基础上设计成许多改进型电路。改进型 电路种类较多，归纳起来主要有两类：一是针对普通e c l 电路的改进，主要是保 持e c l 电路的逻辑摆幅和电源电压，就温度、速度及其它方面性能进行改进“”。 例如改进参考源电路、基本逻辑门电路以进行温度补偿或电源电压补偿，将输出 射极跟随器移至输入端等。另一类是简化电路结构，降低逻辑摆幅和电源电压， 提高电路的封装密度和速度，以适应高速、大规模集成方面的需要“。例如半阈 值逻辑电路s t l 电路，分布闽值电路n t l 电路，利用e c l 电路本身输出电压作为 参考源电压的反馈e c l 电路( f e c l ) ，射极功能逻辑e f l 电路以及m f e c l 电路等 都属于此类。 以上几种改进和发展的e c l 电路类型均是针对传统的二值逻辑的，而对于多 值e c l 电路的改进和发展并不是很多，主要有互补对偶结构多值e c l 电路及基于 直接比较型的多值e c l 电路。本章我们首先简单的介绍这两种多值e c l 电路，然 后根据e c l 电路的特点，提出更适合其工作的对称输入输出e c l 电路结构，并对 其工作原理和电路特性作进一步的描述和分析。 3 1 互补对偶结构的多值e c l 电路。硼 差动晶体管对是e c l 电路的最基本元素，由于差动晶体管对似一个单刀双掷 电流开关，它的开关状态由输入信号与参考电平的比较决定，因而差动电流开关 理论是适合e c l 电路开关级设计的。晶体管对两个管子的开关状态非关即开，始 终处于一个互补对偶的状态，所以从逻辑角度来说，e c l 电路是一个互补逻辑类 型，这是e c l 电路其中一个有用的特性。基于这个特性，在组合电路中的研究表 塑i ! 曼窒堡主笙兰苎王翌整塑垒塑堂竺三笪! ! ! 皂堕堡生 明，实现同样的逻辑功能，e c l 电路用的门数几乎是静态c m o s 电路所用门数的 一半。1 。在时序电路的研究中，我们也可以充分利用e c l 电路的互补对偶特性， 来实现电路的最优化和最简化。 描述e c l 电路开关变量与三值信号变量相互关系的差动电流开关运算如下 ( 矿口= r ) ( 3 1 1 ) ( 扩口= f ) 上式中a 为开关变量，它有两种值：开即晶体管导通( 用t 表示) ，关即晶 体管截止( 用f 表示) 。x 则为三值信号变量。每一个差动晶体管对始终处在一 个导通一个截止的状态，如果用a 和卢分别表示一个晶体管对的两个耦合三极管 的开关状态，那么如果a = r ，则卢= f ；如果口= f ，则卢= r 。所以可以从晶体 管对这一个整体出发来描述它的差动电流开关运算如下所示： 叫训= 艄摆： m ， 式子3 1 2 用两个开关变量组成的数列【a ，仞来表示e c l 电路中最基本单元 晶体管对的开关变量。式3 1 2 表示出了晶体管对的输出始终处于互补对偶状 态。由式3 1 2 也可以看出，晶体管对的两个开关变量是不独立的，每个开关变 量都存在和它互补对偶的开关变量。基于e c l 电路的互补对偶特性，每一个晶体 管对的集电极输出是互补对偶的，所以应用互补对偶结构的e c l 电路的输出也是 互补对偶的。以上介绍的即为互补对偶结构e c l 电路的基本思想。 3 2 直接比较e c l 电路侧 真接比较e c l 电路是指在多值e c l 电路设计中应用 i f e c l 电路思想的一种基 于多闽值晶体管的多值e c l 电路结构类型“。 在普通多值e c l 电路的设计中，参考电平的多阂值设置是由参考源电路产生 几个固定的电压。一般是由电源电压的分压而得到。参考源电路虽然不是电路的 主要部分，但却决定着电路逻辑电平的位置、阈值电压及抗干扰能力，特别在电 路工作于超高速的情况下，这些问题尤为突出“。根据传统的思想，应用修正反 旧 皇一 口p x示所式 母歹，t 碧 硕士论文 基于对称输入输出的三值e c l 电路设计 馈e c l ( m f e c l ) 电路的输出反馈信号替代参考电平，可以得到直接比较e c l 电路。 我们以三值e c l 整形反相器为例进行说明。直接比较型的三值整形反相器如图 3 2 1 所示，此设计电路结构与普通e c l 电路的设计类似，可以把直接比较型的 e c l 电路看成是对普通e c l 电路的一种修正“。 x 图3 2 i 直接比较三值整形反相器电路结构 选取逻辑值( o ，1 ，2 ) 相对应的电压为( 一o 8 v ，一1 2 v ，一1 6 v ) 。集电极电 阻r 。为o 4 k o ，恒流源i 。为1 j 1 1 a 。 在直接比较型电路中，管子对的输入端其中一边所对应的集电极输出加射极 跟随器代替了固定的参考电平连接到差分对管的另外端，它所实现的功能与固 定参考电平一致，然而，这个反馈电平是随着基本晶体管对的另端输入而变化 的。对于差分管a 来说如图3 2 2 所示的虚线为可变反馈电平o 5 ：粗实线为 普通e c l 电路中的固定参考电平o 5 ；浅实线为输入信号x 。反馈电平0 5 是 管子对的输入端一边的集电极输出的一级射极跟随器电压位移后产生的信号，输 入端一边的集电极输出是输入x 信号的反信号。 妞 o 、 啦 。 囊 _ 一j i j 0 l o 3 0 图3 2 2 可变反馈电平o 5 与固定参考电平0 5 的比较 差分管b 的道理与a 相同，如图3 2 3 所示。这样做的意义是“”：具有较好 丝：兰翌堡主堡壅 苎王翌塑堡垒塑生竺三篁! ! ! 皂堕望生 的传输特性，故有较高抗干扰度。消除了参考源，省略了参考源回路，因而可以 提高组装密度，不存在门电路之问通过参考源而存在的寄生耦合，不因参考源落 差而降低噪声容限。由于简化了参考源并采用低的逻辑摆幅，因而具有较低的功 耗一时延乘积。直接比较型e c l 电路因为比普通e c l 电路减少了电压摆幅和平衡 负载，所以很大的降低了由电源引起的开关噪声。因为实现同样一个给定的功能， 直接比较型e c l 逻辑电路比普通e c l 电路需要更少的门级联，所以它比单端输入 普通e c l 电路具有更快的速度。电路在级联使用时，具有抑止震荡的能力。 b 一 、 哑 r 冀 i 、 0 1 03 0 t n s 图3 2 3 可变反馈电平1 5 与吲定参考电平i 5 的比较 可以看出直接比较型e c l 电路是一种反馈型电路，具有差分e c l 电路和m f e c l 电路的优点。 3 3 对称输入输出多值e c l 电路 对于多值电路，由于逻辑数的增加使得多值信号的基本单元电路结构相对二 值电路来说复杂，电源电压绝对值较高，参考源数量大幅度增加，参考源数量的 增加使得辅助的参考源电路功耗较大，这些都使得多值e c l 电路与二值电路相比 总的功耗较大，优势减少。下面我们简单讨论一下e c l 电路功耗的组成以期待可 以改进多值e c l 电路。 3 3 1e c l 电路功耗分析 e c l 电路的功耗主要由开关管耦合门主回路功耗，射极跟随器功耗和参考源 歹? t 雾 硕士论文基于对称输入输出的三值e c l 电路设计 功耗三部分组成“3 。其中开关管耦合门主回路功耗与电源电压和逻辑摆幅成正 比，即气：告i k i ，其中p s 为开关管耦合门主回路功耗，v n 是电源电压，v 。是逻 辑摆幅。射极跟随器的功耗与相对应的电源电压成正比，即b ：2 生粤| l ，其 1 一 中p r 为射极跟随器功耗，v 为输出电压平均值，r ，为射极跟随器电阻。参考源功 耗根据参考电平的不同有不同的表示方法，其大小与电源电压绝对值及参考电平 的个数成正比。在以往的单输入多值e c l 电路中，用( o ，1 ，m - 1 ) 表示m 个 逻辑值，用参考电平( o 5 ，1 5 ，m 1 5 ) 区分m 个逻辑值，参考电平个数为 m 一1 ，参考源功耗较大。 多值逻辑的主要缺点在于需要多个参考源，增加了参考源电路，使得功耗增 加。同时，我们可以看到电源电压绝对值必须大于最大闽值所对应电压的绝对值， 所以多值电路的电压绝对值较高，同时与传统的二值逻辑相比，电路比较繁琐。 这一切都使得多值电路功耗较大。所以如果多值电路的功耗问题可以得到改进， 那么多值逻辑将有更广阔的发展空间。 根据e c l 电路功耗的表示方法可以看出降低多值电路功耗的方法主要有减 少参考电平数量，降低电源电压和输出逻辑摆幅。考虑到降低逻辑摆幅会减少抗 干扰能力，故本文主要是通过降低电源电压，同时尽量使用较少的参考源的方法 设计电路。 3 3 2 参考电平数量的确定 在二值电路中，有一种电路类型为差分电路，它由一对互补输入、一个差分 对管和一对射极跟随器输出级组成。普通e c l 门结构的差分对管一端连接输入信 号，另一端连接参考电平，而差分e c l 电路结构中，参考电平信号用输入信号的 相反电平信号代替。这种电路结构可以缩小过渡区。当一端输入上升，另一端的 输入则下降。 差分e c l 电路类型的几点重要优点在于。3 ： 对源噪声的敏感度降低了。源电平对对称输入信号的局部下拉影响很小。因 为只有输入信号l 日j 的差值是有意义的，所以这对门的运行没有影响。然而在普通 丝：兰翌堕主廷苎至主翌整塑尘塑堂堕兰堡! ! ! 皇堕堡盐 e c l 单端信号输入电路中并不是如此，输入信号与一个固定的参考电平比较，而 这个参考电平要受温度变化，工艺参数的变化，以及噪声水平变化的影响。差分 e c l 电路因为比普通e c l 电路减少了电压摆幅和平衡负载，所以很大的降低了由 电源引起的开关噪声。对单端输入的普通e c l 电路来说，假定只有门的一端连接 一个射极跟随器，当开关动作发生时，将引起很大的电流源波动。 实现同样一个给定的功能，差分e c l 逻辑电路比普通e c l 电路需要更少的门 级联，比单端输入普通e c l 电路具有更快的速度。同时电路省略了参考源电路， 根据前文讨论，参考源的减少有利于简化电路，降低功耗，所以参考二值逻辑我 们提出了对称输入输出结构的多值e c l 电路系统，与单输入多值电路相比参考电 平的数量大幅度降低，具有一定的优势。下面将作具体介绍。 在对称输入输出e c l 电路中，电路的输入采用互补的两个对称信号( x ，x ) 。 以三值电路为例，在采用单输入信号时需要用2 个参考电平( o 5 ，1 5 ) 来 区分三个逻辑值( o ，l ，2 ) 。在采用互补的两个对称信号( x ，；) 时，当输入 信号x 小于参考电平o 5 时可以确定逻辑值o ，当输入信号；小于参考电平0 5 时可以确定逻辑值2 ，当输入信号x 和x 均大于参考电平o 5 时可以确定逻辑值 1 。这样就可以只用一个参考电平o 5 来区分0 、1 、2 三个逻辑值。 同理，对于四值逻辑( o ，1 ，2 ，3 ) 来说，当x 小于参考电平0 5 时可以确 定逻辑值o ，当；小于参考电平o 5 时可以确定逻辑值3 。由于在四值逻辑中， 不存在x = z 的时候，所以当x 小于x 时，x 为o 或1 ，反之为2 或3 。当x 小于x 且石大于参考电平0 5 时确定逻辑值l ，当工大于；且；大于参考电平o 5 时确定 逻辑值2 。所以对于四值逻辑，同样可以利用对称输入信号( x ，x ) 和一个参 考电平o 5 之间的比较来区分相应的逻辑值。 下面我们具体分析在对称输入输出结构e c l 电路中针对m 值逻辑参考电平 的使用。 m 值逻辑所需参考电平数量的确定可分成m 等于奇数和m 等于偶数两种情 况： 当m 为奇数时，对称输入信号为： 塑i ：兰笙堕主堡茎 苎主翌塑塑垒塑堂堕三堕! ! ! 皇堕堡生 x = 0 ， 1 ，( m 一3 ) 2 ，( 1 i 】一1 ) 2 ，( m 十1 ) 2 ，m 一2 ，m 一1 x = m l ，m 一2 ，( m + 1 ) 2 ，( m 一1 ) 2 ，( m3 ) 2 ，1 ，0 其中( m _ 1 ) 2 是正中间的逻辑值，即当且仅当x = ( m 1 ) 2 时，x = ；。 其参考电平的划分可分为：当z ( m _ 1 ) 2 时，可通过x 与参考电平( 0 5 ，1 5 ， ( m 一4 ) 2 ，( 册一2 ) 2 ) 的比较来区分逻辑值 o ，】，( 珊一3 ) 2 ，( 皿一1 ) 2 。当 x ( m 一1 ) 2 时，x ( m - 1 ) 2 ，可通过x 与参考电平 ( 旷2 ) 2 ，( 旷4 ) 2 ，1 5 ， o 5 ) 的比较来区分逻辑值 ( m 一1 ) 2 ，( m + 1 ) 2 ，旷2 ，m - 1 。 所以m 为奇数时，参考电平为0 5 ，1 5 ，( m 4 ) 2 ，( m - 2 ) 2 ，个数为 ( m 1 ) 2 个。与单输入多值电路相比，参考电平数量减少一半，从m 一1 个减少 至( 珊1 ) 2 个。 当m 为偶数时，对称输入信号为： j = o ， l ，( i 】一2 ) 2 ，m 2 ，m 一2 ，i i 】一1 ) x = r r r l ，m 一2 ，m 2 ，( m 一2 ) 2 ，1 ，o ) ( m 一2 ) 2 和m 2 是中间的两个逻辑值，即对称输入信号x 和；不存在x = ；的 时候，x 和；可连接到差分对管的两端来直接比较，当x 小与；时，x 为 o ，1 ， ( m 一2 ) 2 ，此时可通过x 与参考电平 o 5 ，1 5 ，( m _ 5 ) 2 ，( m 3 ) 2 的比较 来区分逻辑值f 0 ，l ，( m 一4 ) 2 ，( m 一2 ) 2 。当x 大与；时，工为 m 2 ， m - 2 ，- 1 ) ，；为 ( m 一2 ) 2 ，1 ，o ) ，此时可通过；与参考电平 ( m 一3 ) 2 ， ( 脚一5 ) 2 ，1 5 ，o 5 ) 的比较来区分逻辑值 】2 ，( 】+ 2 ) 2 ，m 一2 ，皿一1 ) 。 所以m 为偶数时，参考电平为o 5 ，1 5 ，( m 一5 ) 2 ，( 旷3 ) 2 ，个数为 ( m 一2 ) 2 ，数量减少了一半以上。可以看出对称输入输出多值e c l 电路与单输 入多值e c l 电路相比参考电平数量大幅度降低，具有一定的优越性。 总的来说，在对称输入输出e c l 电路中参考电平的数量要比单输入e c l 电路 少得多，其输入信号与输出信号均为互补对称的。在单输入e c l 电路中主要是输 入信号工与参考电平之问的闽比较，而在对称输入输出e c l 电路中不仅有x 与参 考电平之间的阈比较，还有x 与参考电平之问的闽比较，在偶数值逻辑电路中还 丝i ：兰茎堡圭丝墨垩三翌整竺垒塑堂塑三堕! ! ! 皇堕垦生 有对称输入信号工与x 之问的闽比较。 3 3 3 多集电极晶体管的采用 为了更有效的对下一级电路驱动，输出信号也应为对称的。在应用对称输入 e c l 电路模式设计电路时，我们发现多集电极晶体管的使用会使电路更为简单。 在集成电路中，也常采用复合管以及多集电极，多发射极管，以减少设计面积， 提高集成度”。同时可通过调整三极管集电结面积，得到需要的不同比例的恒流 源