エミッタ結合論理
エミッタ結合論理(エミッタけつごうろんり、英: Emitter-coupled logic, ECL)は、単一入力のバイポーラトランジスタ差動増幅回路を駆使して高速性を実現した論理回路の実現方式のひとつで、汎用ロジックICファミリもある。エミッタ電流を制限することでトランジスタが飽和することを防ぎ、ベース領域のキャリア蓄積をさせない為、高速性を保つ。エミッタを結合した対の2つの脚の間で電流を操るため、ECLを current-steering logic (CSL)、current-mode logic (CML)、current-switch emitter-follower (CSEF) logicと呼ぶこともある。
ECLではトランジスタを非飽和領域内で動作させ、入出力電圧のLO/HIの差は小さく(0.8V)、入力インピーダンスが高く、出力抵抗は低い。結果としてトランジスタは素早く状態遷移でき、ゲート遅延が小さく、ファンアウト能力が高い。さらに出力が相補的である(YとYのように常に反対の出力がある)ために余分なインバータを挿入する必要がなく、回路全体の伝播遅延も短縮できる。ECLの欠点は、常に電流が流れ続けるため電力消費が大きく、発熱量も多いという点である。
エミッタ結合論理と等価な回路をFETで構成したものを ソース結合FET論理(source-coupled FET logic、SCFL)と呼ぶ。
ECLの変種として全ての信号経路やゲート入力が差動形となっているものがあり、DCS (differential current switch) 論理と呼ぶ。
以下ではECL回路の動作を解説するが、T1のベースに入力電圧が印加され、T2の入力は使われていないか常に論理レベルが "0" だとする。
状態遷移中、回路中核部のエミッタ結合対(T1とT3)は単一入力の差動増幅回路として働く。"long-tail" の電流源(RE)が対の2つの脚に流れる電流の総量を設定する。2つの脚の間で流れる電流を共有することで、入力電圧はトランジスタに流れる電流を制御することになり、スイッチングポイント付近でないときは電流が片側に全て流れるよう制御する。利得は最終的な状態よりも高く(後述)、回路は素早く切り替える。
入力電圧が低い場合(論理レベル "0")または入力電圧が高い場合(論理レベル "1")、差動増幅回路が駆動される。一方のトランジスタ(T1またはT3)はオフになり、もう一方(T3またはT1)が線形領域でエミッタ抵抗のあるエミッタ接地回路として動作して全電流を引き受け、オフになったトランジスタに電流が流れなくなる。
動作中のトランジスタには比較的高い抵抗 RE が負荷となり、重要な負帰還がかかる(エミッタ縮退)。動作中のトランジスタが飽和すると飽和状態からの回復に時間がかかって論理遅延を引き起こす。そこで飽和を防ぐため、エミッタとコレクタの抵抗は最大入力電圧のときにトランジスタにかかる電圧がいくらか残るように選択する。残余利得は低い(K = RC/RE < 1)。この回路は入力電圧の変動に左右されず、トランジスタは常に線形領域で動作する。一連の負帰還のため入力インピーダンスは高い。
オフになったトランジスタは入力と出力の間の接続を絶つため、入力電圧は出力電圧に影響を及ぼさない。ベース-エミッタ接合が遮断されているため、この場合も入力抵抗は高い。