三值ECL基本触发器电路的设计与仿真.docx

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三值ECL基本触发器电路的设计与仿真

摘要

论文主要对发射极耦合逻辑电路的特性、结构展开了理论研究，并对三值ECL基本触发器进行了电路的设计与仿真。

在ECL电路特性部分，论文概要叙述了以多值ECL电路开关级设计的为理论基础，并从ECL电路特有的互补对偶特性出发，指出了分析了晶体管对的两个开关变量的不独立性及互补对偶特性。

在ECL电路结构部分，首先介绍了ECL电路的改进和发展，分别对普通ECL电路、差分ECL电路、修正反馈ECL（MFECL）电路的电路结构特点、性能特点进行做了简单的介绍和分析。

在差分ECL电路以及MFECL电路的基础上提出了适合三值ECL电路设计的直接比较型ECL电路，直接比较型ECL该电路是三值逻辑ECL电路中的反馈型差分ECL电路，它是一种反馈型电路，具有差分ECL电路和修正反馈发射极耦合逻辑（MFECL）电路的优点。

在ECL电路的互补对偶特性和直接比较型ECL电路基础上，我们用以开关级理论为基础设计出了几种三值ECL基本触发器。

首先设计出了三值ECL直接比较型D型锁存器、。

接着设计出了两种三值一次操作型触发器:

一为三值主从存储型触发器，二为三值时钟竞争型触发器，并对电路进行仿真，验证了电路的正确性。

Abstract

ThecharacterandstructureofECLcircuitswereanalyzed,basicflip-flopofternaryLogicECLcircuitweredesignedandsimulated.

Inthesectionaboutcharacter,thisdissertationintroducedthetheoryofswitch-signalofECL.circuist,ECLternaryDflip-latchwithcomplementary-couplingstructurewasdesigned.ItalsoindicatedthetwoswitchvariablesofDifferentialPairarecorrelationlandpossessedcomplementary-couplingaharacteristic.

Inthesectionaboutcircuitsstructure,thisdissertationintroducedthedevelopmentandipmprovementofECLcircuits:

commonECL,differentialECLandmodifyfeedbackECLcircuits.Theirstructurecharacterandperformancewereanalyzed，BasedonthedifferentialECLandmodifyfeedbackECLcircuits,direct-comparativistECLcircuitwasproceed.It’safeedbackciruitsthathavestrongpointofdifferentialECLandmodifyfeedbackECLcircuits.

Basedonthecomplementary-couplingcharacteristicofECLcircuitsanddirect-comparativistECLcircuit,ECLtemarybasicflip-latchweredesingedinswitchlevel.First,direct-comparativistECLtemaryDflip-latchwithcomplementary-couplingstructurewasdesinged.Ternaryprincipalandsubordinatefllip-latchandclockcompetitionflip-latchwithcomplementary-couplingstructurebasedondirect-comparativistECLwasalsodesigned

第一章

绪论

ECL电路是一种非饱和型数字集成电路，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，是一种高速的双极型逻辑电路，它具有扇出系数大、线性运算功能强的优点，从而使得它在高速信息处理系统中得到了广泛的应用。

在超高速数字系统中，与其它集成电路相比，发射极耦合逻辑（ECL）集成电路可谓佼佼者，它已成为当代高速电子计算机中的重要组成元器件。

从70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。

多值信号可以提高传输线与集成电路的信息密度与处理信息的能力，发射极耦合逻辑（ECL）电路作为最快的双极型电路，与多值逻辑的结合应用研究一直受到重视。

本章将首先简单阐述ECL电路多值逻辑设计的研究意义、研究动向、研究现状。

1.1多值ECL逻辑电路设计的研究意义

近20年内CMOS电路得到了惊人的发展，并占据了大部分的应用场合。

CMOS电路的特点和优势在于它的高集成度、低功耗。

相应的，CMOS电路的一个重要弱点是它的速度相对较慢，驱动能力弱。

而这些正是ECL电路的强项速度高、驱动能力大。

因此，在要求高速大驱动的场合，CMOS电路的应用受到限制，ECL电路得到应用。

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。

ECL电路与CMOS电路相比，具有四个优点:

（1）研究表明，实现同样的逻辑功能，ECL电路用的门数几乎是静态CMOS电路所用门数的一半。

（2）ECL电路中开关电流在差分对的二个晶体管间的转换比CMOS电路中电压变换快得多，这对电路的逻辑转换很重要。

（3）ECL电路的输出电压摆幅比CMOS电路小得多，这对信号周期与信号在电路间传输时间相当时，显得尤为重要。

同时，摆幅的减小，对于降低电路的动态功耗也是有利的。

（4）ECL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，因而其功耗主要是直流功耗，它不随电路的工作频率提高而增加。

CMOS电路刚好相反，它的静态功耗较小，其动态功耗则较大，并会随着工作频率提高而增加。

因此，在工作频率越过一定值后，ECL电路的功耗低于CMOS电路的功耗。

多值逻辑是指一切逻辑值的取值数大于二的逻辑。

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，其主要原因，一是二值逻辑无论在理论上或实践上均己成熟，二是多值逻辑电路的实现比二值逻辑电路困难。

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:

（1）多值逻辑的结构形式远比二值逻辑多姿多彩，可以更好地解决用二值逻辑不易解决的问题。

（2）多值逻辑数字系统地信息密度高。

当这种数字系统用大规模或超大规模集成电路实现是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）大规模、超大规模集成电路发展中的一个现实问题是集成电路功能日益增强而体积却日趋缩小。

一般来说，前者要求增加引线数，后者则要求减少引线数。

这一矛盾严重的影响集成电路的发展。

二值逻辑已很难解决这一问题，而多值逻辑却能很好低解决这一问题。

（4）相对二值逻辑，应用多值逻辑的硬件系统中，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，因此硬件系统的复杂性将降低。

1.2ECL电路及三值ECL触发器的研究现状

随着大型高速数字系统的发展，ECL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ECL电路的基础上进行了多方向的研究，归纳起来有三大类:

：

一类是仍保持普通ECL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。

有对参考源电路和恒流源电路的改进:

有基本逻辑门电路中的温度补偿结构:

有驱动重负载ECL门电路等都属此类。

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。

其中又分为以下几类:

（l）.对工艺改进。

（2）.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ECL电路的速度。

低压参考源及低压恒流源属于此类。

（3）.简化电路结构，减少逻辑摆幅。

如E2CL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，可达到提高数度、降低功耗的目的。

STL电路、NTL电路、FECL、EFL电路都属此类。

（4）.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ECL电路适合于低电源电压下工作。

第三类是多值ECL电路的研究。

以上两类都是ECL电路本身的研究状况，而多值ECL电路是ECL电路研究的一个重要分支和发展。

近年来，多值逻辑的发展趋向主要为四个方面:

1.理论研究的范围广泛，并各向纵深发展。

从最早对哲学、形式逻辑、代数理论的研究，发展到目前多开关理论、逻辑设计和工程应用等的研究。

由于它是一种比二值逻辑更为普遍的逻辑系统，其在理论上的难度自然更高，目前还有许多领域有待进一步开拓。

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I2L及ECL四值全加器、乘法器及计数器。

3.对多值逻辑的应用研究其范围也日益扩大。

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时其中的重点方向。

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（ECL）由于是一种最快的双极型电路而受到重视。

由于多值信号能携带更多的信息量比二值信号具有明显的优越性，并且提高信息携带量后也相应提高了空间或时间的利用率。

由Richards的成本公式计算的结果表明2，3，4值是较好的选择，而三值可能是最好的选择会导致最简单的电路结构。

所以三值ECL电路的研究是极具意义和前景的。

由文献提出的适合于ECL数字电路开关级设计的差动开关理论，对组合电路已经实现了到开关级的设计。

近年来，人们对三值ECL触发器及时序电路也进行了多方向的研究:

有对低功耗触发器的研究、对触发器电路结构改进的研究以及对触发器电路速度的研究。

然而，对三值ECL触发器的研究总体还停留在门级阶段，没有深入的系统的开关级研究。

这一章我们主要是介绍了ECL电路的产生背景，以及它的研究意义，还有它的研究现状。

也谈到了它将来的发展前景。

第二章

差动电流开关理论及ECL电路的互补对偶特性这一章简单的介绍多值ECL电路开关级设计的理论基础--差动电流开关理论。

并从ECL电路特有的互补对偶特性出发，指出晶体管对的两个开关变量的不独立性及互补对偶特性。

2.1开关信号理论

传统的数字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。

开关信号理论既是指导数字电路开关级设计的电路设计新理论，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。

对应地分别建立了开关代数和信号代数系统，这二类代数系统又可以用二类结联运算互相联结。

2.1.1．开关变量和开关代数

用α，β，γ…表示开关变量，取其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:

与运算：

（2.1.1）

或运算：

（2.1.2）

非运算：

（2.1.3）

与、或运算分别描写开关串联