이미터-결합 논리

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1. 개요
2. 역사
3. 구현
- 3.1. 동작 원리
- 3.2. 회로 구성 요소
4. 특징
5. 전원 공급 및 논리 레벨
6. 응용 분야
7. 한계 및 대안
- 7.1. 대안
참조

1. 개요

이미터-결합 논리(ECL)는 1956년 IBM의 Hannon S. Yourke에 의해 발명된 고속 집적 회로 논리 제품군이다. ECL은 차동 증폭 회로를 기반으로 하며, 높은 동작 속도와 방사선 경화 특성을 갖지만, 전력 소비가 높고 다른 논리 계열과의 호환성이 떨어진다는 단점이 있다. ECL은 메인프레임 컴퓨터, 슈퍼컴퓨터, 고속 회로 등에서 사용되었으며, CMOS 기술의 발전으로 사용이 감소하는 추세이다. PECL 및 LVPECL은 ECL의 변형으로, 긍정적인 전압 공급과 더 낮은 전압을 사용한다.

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이미터-결합 논리
개요
종류	집적 회로 논리 회로
설명	이미터 결합 논리는 바이폴라 접합 트랜지스터 (BJT)를 사용하는 고속 집적 회로 논리 family이다. ECL은 트랜지스터가 포화 영역에 들어가지 않도록 하여 동작 속도를 높인다.
역사 및 발전
최초 개발	1956년 H. S. Yourke (IBM)
상용화	1962년 (ECL 회로)
개선	전압 보상 기술 온도 보상 기술
발전	MECL (Motorola) ECLinPS (Motorola)
특징
속도	매우 빠름
전력 소비	높음
노이즈 마진	낮음
팬아웃	높음
전압 스윙	작음
입력 임피던스	높음
출력 임피던스	낮음
배선	신중한 배선 필요 (전송선 효과 최소화)
작동 원리
기본 구조	차동 증폭기
동작 영역	트랜지스터는 포화 영역에서 작동하지 않음
전류 스위칭	전류 조향 논리
출력	이미터 폴로워 (낮은 출력 임피던스 제공)
응용 분야
주요 응용	고속 데이터 전송 고성능 컴퓨터 주파수 계수기 고주파 회로
과거 응용	슈퍼컴퓨터 (Cray)
종류
주요 종류	ECL PECL (Positive ECL) LVPECL (Low-Voltage PECL) CML (Current-Mode Logic)
기타 종류	VECL (Vitesse ECL) GTL (Gunning Transceiver Logic)
장단점
장점	높은 동작 속도 높은 팬아웃 낮은 출력 임피던스
단점	높은 전력 소비 낮은 노이즈 마진 복잡한 회로 구성

2. 역사

이미터-결합 논리(ECL)는 1956년 8월 IBM의 Hannon S. Yourke에 의해 발명되었다.^[9]^[10]^[47]^[48] 초기에는 '전류 스티어링 논리'(current-steering logic)로 불렸으며, Stretch, IBM 7090, IBM 7094와 같은 초기 IBM 컴퓨터에 사용되었다.^[11]^[49]

1960년대 초부터 ECL 회로는 집적 회로 형태로 구현되기 시작했으며, 모토로라는 1962년 MECL I을 출시하며 상용화를 이끌었다.^[18]^[50] 이후 모토로라를 비롯해 페어차일드 등 여러 반도체 회사들이 참여하여 더욱 발전된 ECL 제품군을 선보였다.^[19]^[21]^[22]^[23]

ECL은 당시 다른 논리 방식에 비해 매우 빠른 속도를 제공했기 때문에, 고성능이 요구되는 메인프레임 컴퓨터(예: IBM ESA/390, Amdahl)나 슈퍼컴퓨터(예: Cray-1)에 주로 채택되었다.^[35]^[26]^[51] 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC)의 고성능 VAX 컴퓨터 라인업에도 ECL 기술이 적용되었다.^[28]

하지만 ECL은 속도가 빠른 대신 전력 소비가 매우 높다는 단점이 있었다. 1990년대 이후 저전력이면서도 성능이 크게 향상된 CMOS 기술이 발전함에 따라, ECL은 점차 CMOS로 대체되어 현재는 특수한 고속 통신 분야 등을 제외하고는 사용 빈도가 크게 줄었다.^[27]^[53]

2. 1. 초기 개발

이미터-결합 논리(ECL)는 1956년 8월 IBM의 Hannon S. Yourke에 의해 발명되었다.^[9]^[10]^[47]^[48] 초기에는 '전류 스티어링 논리'(current-steering logic^eng)라고 불렸으며,^[11]^[49] '전류 모드 회로'(current mode circuit^eng)라고도 불렸다.^[12] 이 기술은 Stretch, IBM 7090, IBM 7094와 같은 초기 IBM 컴퓨터에 사용되었고,^[11]^[49] IBM 360/91 컴퓨터의 고급 솔리드 로직 테크놀로지(ASLT, Advanced Solid Logic Technology) 회로 제작에도 활용되었다.^[13]^[14]^[15]

Yourke가 설계한 전류 스위치는 입력 논리 레벨과 출력 논리 레벨이 다른 차동 증폭기 형태였다. 전류 모드 작동 방식에서는 출력 신호의 전압 레벨이 입력 기준 레벨과는 다른 기준 레벨을 중심으로 변동했다.^[16] Yourke의 설계에서 두 논리 기준 레벨은 3볼트 차이가 났기 때문에, NPN 트랜지스터 버전과 PNP 트랜지스터 버전의 두 가지 상호 보완적인 회로가 필요했다. 즉, NPN 회로의 출력은 PNP 회로의 입력을 구동하고, 그 반대도 가능했다.^[11]^[49] 하지만 이 방식은 더 많은 종류의 전원 공급 전압이 필요하고, NPN과 PNP 트랜지스터를 모두 사용해야 한다는 단점이 있었다.^[11]^[49]

NPN과 PNP 단계를 번갈아 사용하는 대신, 제너 다이오드와 저항을 이용하여 출력 논리 레벨을 입력 논리 레벨과 일치시키는 다른 결합 방식도 개발되었다.^[17]

1960년대 초부터 ECL 회로는 집적 회로(IC) 형태로 구현되기 시작했다. 이 IC들은 주로 논리 연산을 수행하는 차동 증폭기 입력단과, 출력을 구동하고 전압 레벨을 입력단과 호환되도록 조정하는 이미터 팔로워 출력단으로 구성되었다.^[49] 이미터 팔로워 출력단은 와이어드-OR 논리 기능을 구현하는 데에도 사용될 수 있었다.

모토로라(Motorola)는 1962년에 최초의 상용 디지털 단일 IC 제품군인 MECL I을 출시하며 ECL 기술을 시장에 선보였다.^[18]^[50] 이후 모토로라는 지속적으로 성능을 개선한 시리즈를 발표했다.

모토로라 MECL 시리즈 주요 개발 역사
연도	시리즈	주요 특징
1962	MECL I	최초의 디지털 단일 IC 제품군^[18]^[50]
1966	MECL II	성능 개선^[19]
1968	MECL III	게이트 전파 지연 1ns, 플립플롭 토글 속도 300 MHz^[19]
1971	10,000 시리즈 (MECL 10K)	전력 소비 감소, 제어된 에지 속도^[19]
1981	MECL 10H	성능 개선^[20]

페어차일드(Fairchild) 역시 1975년에 F100K 제품군을 출시하며 ECL 시장에 참여했다.^[21]^[22] 이후 1987년에는 더욱 빠른 속도를 특징으로 하는 ECLinPS("피코초의 ECL", ECL in PicoSeconds) 제품군이 등장했다.^[23] ECLinPS는 단일 게이트 지연 시간이 500 피코초(ps)이고 플립플롭 토글 주파수가 1.1 기가헤르츠(GHz)에 달하는 고성능을 보였다.^[24] 이 ECLinPS 제품군 부품들은 Arizona Microtek, Micrel, 내셔널 세미컨덕터, ON Semiconductor 등 여러 반도체 회사에서 공급되었다.^[25]

2. 2. 모토로라 MECL 시리즈

모토로라는 1962년 최초의 디지털 집적 회로 제품군인 MECL I을 출시했다.^[18]^[50] 이후 모토로라는 여러 개선된 시리즈를 개발했는데, 1966년에는 MECL II를, 1968년에는 게이트 전파 시간 1나노초(ns)와 플립플롭 토글 속도 300 MHz를 갖춘 MECL III를 개발했다.^[19] 1971년에는 전력 소비를 줄이고 에지 속도를 제어한 10,000 시리즈(MECL 10K)를 개발했으며,^[19] 1981년에는 MECL 10H 제품군을 출시했다.^[20]

2. 3. 기타 발전

1960년대 초부터 ECL 회로는 집적 회로로 구현되기 시작했다. 이 회로들은 논리 연산을 수행하는 차동 증폭기 입력 단계와, 출력을 구동하고 전압 레벨을 입력과 호환되도록 조정하는 이미터 팔로워 단계로 구성되었다. 이미터 팔로워 출력 단계는 와이어드-OR 논리를 수행하는 데에도 사용될 수 있었다.

모토로라는 1962년 최초의 디지털 단일 집적 회로 제품군인 MECL I을 출시했다.^[18]^[50] 이후 모토로라는 지속적인 성능 개선을 통해 여러 MECL 시리즈를 선보였다.

출시 연도	시리즈	주요 특징
1962	MECL I	최초의 디지털 단일 IC 제품군^[18]^[50]
1966	MECL II	성능 개선^[19]
1968	MECL III	게이트 전파 시간 1ns, 플립플롭 토글 속도 300 MHz^[19]
1971	10,000 시리즈	전력 소비 감소, 제어된 에지 속도^[19]
1981	MECL 10H	성능 개선^[20]

페어차일드도 1975년 F100K 제품군을 출시했다.^[21]^[22]

1987년에는 더욱 향상된 성능의 ECLinPS("피코초의 ECL") 제품군이 등장했다.^[23] ECLinPS는 500 ps의 단일 게이트 지연 시간과 1.1 GHz의 플립플롭 토글 주파수를 달성했다.^[24] 이 제품군 부품은 Arizona Microtek, Micrel, National Semiconductor, ON Semiconductor 등 여러 공급업체에서 제공되었다.^[25]

ECL은 빠른 속도를 제공했지만 전력 소비가 높다는 단점이 있어, 주로 고성능이 필수적인 분야에서 사용되었다. IBM의 ESA/390 컴퓨터 제품군(엔터프라이즈 시스템/9000)과 같은 과거의 고급 메인프레임 컴퓨터^[35]^[58], 크레이(Cray)의 Cray-1 슈퍼컴퓨터^[26]^[51], 그리고 1세대 암달(Amdahl) 메인프레임 등이 대표적인 예이다. 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC) 역시 최고 성능 프로세서 라인업인 KL10부터 VAX 8000, VAX 9000에 이르기까지 멀티칩 ECL CPU를 기반으로 설계했다.^[28] MIPS의 R6000 컴퓨터 또한 ECL을 사용했으며, 이러한 컴퓨터 설계 중 일부는 ECL 게이트 어레이를 활용했다.

그러나 1990년대 이후 CMOS 기술이 비약적으로 발전하면서 ECL의 입지는 점차 줄어들었다. CMOS는 ECL에 비해 전력 소비가 훨씬 적으면서도 성능 격차를 크게 좁혔기 때문이다. 예를 들어, 1991년 출시된 DEC의 CMOS 기반 NVAX는 VAX 9000과 비슷한 성능을 제공하면서도 비용은 25배 저렴하고 전력 소비는 훨씬 적었다.^[28] 현재 IBM 메인프레임도 CMOS 기술을 사용하고 있다.^[27] 히타치의 경우, 1999년 발표한 MP6000 메인프레임에서는 CMOS와 ECL을 병용한 LSI(ACE2)를 사용했지만^[52], 2001년 발표한 AP8000에서는 전체를 CMOS로 전환했다.^[53]

일부 전문가들은 미래에 갈륨 비소(GaAs)와 같은 새로운 소재가 널리 사용될 경우 ECL 기술이 다시 주목받을 가능성을 예측하기도 한다. 하지만 갈륨 비소는 격자 결함이 적은 결정을 만들기 어렵고 실리콘보다 비싸다는 문제 때문에 아직 널리 보급되지 못하고 있다. 현재까지 갈륨 비소 트랜지스터를 사용하여 실제 운용된^[54] 기기는 항공우주기술연구소(NAL)의 수치 풍동(Numerical Wind Tunnel, NWT)이 거의 유일한 사례로 알려져 있다.

3. 구현

이미터-결합 논리(ECL) 회로는 주로 차동 증폭기로 동작하는 이미터 결합 쌍과 출력 신호를 전달하는 이미터 팔로워를 기반으로 구현된다. 입력 부분은 여러 개의 트랜지스터를 병렬로 연결하여 NOR 논리와 같은 다중 입력 논리 기능을 수행할 수 있도록 구성된다. 회로 동작에 필요한 기준 전압은 일반적으로 전압 분배 회로와 온도 변화의 영향을 줄이기 위한 다이오드 등을 사용하여 생성한다.

ECL 회로의 구체적인 구현 방식은 다양하게 존재한다. 예를 들어, 모든 ECL 회로가 출력단에 이미터 저항을 가지는 것은 아니며, 특정 응용에서는 신호 전송선의 임피던스 정합을 위해 약 50 Ω의 라인 종단 저항을 회로 내부에 포함시키는 경우도 있다.^[55]

3. 1. 동작 원리

ECL은 이미터 결합 쌍(롱테일 쌍)을 기반으로 하며, 오른쪽 그림의 배경이 빨간색인 부분에 해당한다. 이 쌍의 왼쪽 절반(배경 노란색)은 병렬로 연결된 두 개의 입력 트랜지스터 T1과 T2로 구성되어 NOR 논리를 구현한다(그림은 2입력 게이트 예시). 오른쪽 트랜지스터 T3의 베이스 전압은 기준 전압원(연두색)에 의해 고정된다. 이 전압원은 전압 분배 회로에 온도 변화를 보상하는 다이오드(D1, D2)를 더하여 구성하며(R1, R2), 때로는 버퍼링을 위한 이미터 팔로워가 추가되기도 한다(그림에는 없음). 이 때문에 T3의 이미터 전압은 비교적 안정적으로 유지되며, 공통 이미터 저항 R_E는 거의 전류원처럼 동작한다. 컬렉터 부하 저항 R_C1과 R_C3에서 얻어진 출력 전압은 이미터 팔로워 T4와 T5(파란색)에 의해 각각 반전된 출력 Y와 반전되지 않은 출력(Y)으로 버퍼링되어 나간다. 출력 이미터 저항 R_E4와 R_E5는 모든 ECL 회로에 존재하는 것은 아니다. 경우에 따라 입력 트랜지스터의 베이스와 -2 V 전원 사이에 50 Ω 라인 종단 저항을 연결하여 이미터 저항 역할을 하기도 한다.^[55]

ECL 회로의 동작은 다음과 같이 설명할 수 있다. (여기서는 입력 전압이 T1의 베이스에 인가되고, T2 입력은 사용되지 않거나 논리 "0"이 인가된 상태라고 가정한다.)

--: 회로의 핵심인 이미터 결합 쌍(T1과 T3)은 단일 입력 차동 증폭기로 작동한다. "롱테일" 전류원(R_E)은 쌍의 두 다리를 통해 흐르는 총 전류를 설정한다. 입력 전압의 변화에 따라 두 트랜지스터(T1, T3) 사이의 전류 분배가 달라지며, 특정 전환 지점을 넘어서면 전류 대부분이 한쪽 트랜지스터로 흐르게 된다. 이 상태에서는 이득(gain)이 최종 상태(아래 설명)보다 높아 회로가 빠르게 전환된다.

-- 또는 -- : 차동 증폭기는 과도하게 구동되어 한쪽 트랜지스터(입력이 낮으면 T1, 높으면 T3)는 차단(cut-off)되고, 다른 쪽 트랜지스터(입력이 낮으면 T3, 높으면 T1)는 활성 선형 영역(active linear region)에서 동작한다. 이때 활성 상태인 트랜지스터는 이미터 저항이 있는 공통 이미터 회로처럼 동작하며 거의 모든 전류를 담당하고, 차단된 트랜지스터 쪽으로는 전류가 거의 흐르지 않는다.

활성 상태의 트랜지스터는 이미터 저항 R_E에 의해 상당한 부귀환(이미터 퇴화) 효과를 받는다. 트랜지스터가 포화(saturation) 상태에 빠지면 정상 상태로 복귀하는 데 시간이 걸려 논리 지연의 원인이 되므로^[39], ECL 회로는 트랜지스터가 포화되지 않도록 설계된다. 이를 위해 이미터 저항(R_E)과 컬렉터 저항(R_C1, R_C3) 값은 최대 입력 전압에서도 트랜지스터의 컬렉터-이미터 전압이 일정 수준 이상 유지되도록 선택한다. 이 상태에서 회로의 전압 이득(''K'' = ''R''_C/''R''_E)은 1보다 작아 상대적으로 낮다. 따라서 회로는 입력 전압 변화에 덜 민감해지고 트랜지스터는 안정적으로 활성 선형 영역에 머무른다. 또한 부귀환 때문에 입력 임피던스는 높아진다.

반대로 차단된 트랜지스터는 입력과 출력 사이의 전기적 연결을 끊는 역할을 한다. 따라서 입력 전압이 변해도 해당 경로의 출력 전압에는 영향을 미치지 않는다. 베이스-이미터 접합이 역방향 바이어스 상태이므로 이 경우에도 입력 임피던스는 매우 높다.

3. 2. 회로 구성 요소

ECL 회로는 이미터 결합 쌍(롱테일 쌍)을 기본 구조로 하며, 오른쪽 그림에서 붉은색 배경 부분에 해당한다. 이 쌍의 왼쪽 부분(노란색 배경)은 병렬로 연결된 두 개의 입력 트랜지스터 T1과 T2로 구성되며, 이는 NOR 논리를 구현한다 (그림은 2입력 게이트 예시).

오른쪽 트랜지스터 T3의 베이스 전압은 기준 전압원(밝은 녹색 배경)에 의해 고정된다. 이 전압원은 전압 분배 회로 (R1, R2)와 온도 변화 보상을 위한 다이오드 (D1, D2)로 구성되며, 때로는 버퍼링을 위한 이미터 팔로워가 추가되기도 한다(그림에는 표시되지 않음). 이로 인해 T3의 이미터 전압은 비교적 안정적으로 유지되며, 결과적으로 공통 이미터 저항 R_E는 거의 전류원처럼 작동한다.

컬렉터 부하 저항 R_C1과 R_C3에서 생성된 출력 전압은 이미터 팔로워 T4와 T5(파란색 배경)를 통해 각각 비반전 출력(Y)과 반전 출력(Y)으로 전달되고 버퍼링된다. 출력 이미터 저항 R_E4와 R_E5는 모든 ECL 회로에 포함되지는 않는다. 경우에 따라 입력 트랜지스터의 베이스와 -2V 전원 사이에 연결된 50 Ω 라인 종단 저항이 이미터 저항 역할을 하기도 한다.^[29]

4. 특징

ECL 제품군의 주요 특징 중 하나는 회로의 작동 상태와 관계없이 전류 소모량이 거의 일정하다는 점이다. 이는 상태 전환 시 더 많은 전류를 소모하는 다른 논리 소자들과 대조되는 부분으로, ECL 회로는 상대적으로 전력 노이즈를 적게 발생시킨다. 이러한 특성 덕분에 암호 응용 분야에서 ECL 회로는 부채널 공격의 일종인 차분 전력 분석에 덜 취약한 경향이 있다.

ECL의 전파 지연 시간은 IC 패키지 내 신호 지연을 포함해도 1나노초 미만으로 매우 짧다. 이처럼 빠른 속도 때문에 ECL은 오랫동안 가장 빠른 논리 제품군 중 하나로 인정받아 왔다.^[30]^[31] 특히 ALU와 같이 스위칭 동작이 빈번하게 일어나는 환경에서 고속 처리에 유리하다.

또한, 방사선 경화 특성도 주목할 만하다. 일반적인 상업용 반도체 칩은 약 100 그레이 (10 krad)의 방사선에 노출되면 손상될 수 있지만, 다수의 ECL 장치는 이보다 훨씬 높은 100,000 그레이 (10 Mrad) 수준의 방사선 환경에서도 정상적으로 작동할 수 있다.^[32]

5. 전원 공급 및 논리 레벨

ECL 회로는 일반적으로 다른 로직 계열과 달리 음극(-) 전원 공급 장치를 사용하며(양극 단자는 접지됨), 이는 전원 공급 변동의 영향을 줄이고 특정 상황에서 트랜지스터를 보호하기 위한 목적이다.^[33]^[56]^[34]^[57] 또한 ECL은 다른 로직 계열과 호환되지 않는 고유한 논리 레벨을 가지므로, TTL 등 다른 계열과 함께 사용하려면 별도의 인터페이스 회로가 필요하다. High 레벨과 Low 레벨 간의 전압 차이가 작아 노이즈 마진이 상대적으로 작다는 특징도 있다. 일부 제조사(IBM 등)는 자체 제품을 위해 독자적인 규격의 ECL을 사용하기도 했다.^[35]^[58]

이후 양극(+) 전원 공급 장치를 사용하는 PECL(Positive Emitter-Coupled Logic)과 더 낮은 전압(+3.3V)을 사용하는 LVPECL(Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic)과 같은 변형된 형태가 개발되었다. 이들은 주로 고속 차동 신호 시스템에 사용된다.

5. 1. 전원 공급

ECL 회로는 일반적으로 음의 전원 공급 장치를 사용하며, 공급 장치의 양극 단자는 접지에 연결된다. 이는 전원 공급 장치의 음극 단자를 접지하는 다른 로직 계열과 대조적이다. 이렇게 하는 주된 이유는 전원 공급 장치 전압의 변동이 로직 레벨에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다. ECL은 V_CC의 노이즈에는 민감하지만, V_EE의 노이즈에는 상대적으로 덜 민감하다.^[33]^[56] 접지가 시스템에서 가장 안정적인 전압이므로, ECL은 양극 단자를 접지하도록 설계되었다. 이 방식에서는 공급 전압이 변동하더라도 컬렉터 저항 양단의 전압 강하는 거의 변하지 않는다 (이미터가 정전류원 역할을 하는 경우 전혀 변하지 않음). 컬렉터 저항이 접지에 직접 연결되어 있기 때문에 출력 전압 역시 거의 변동하지 않는다.

만약 다른 로직 계열처럼 전원 공급 장치의 음극 단자를 접지하면, 컬렉터 저항은 양극(+) 레일에 연결된다. 이 경우에도 컬렉터 저항 양단의 전압 강하는 거의 일정하지만, 출력 전압은 공급 전압의 변동을 따라 변하게 되어, 회로의 두 부분이 정전류 레벨 시프터처럼 동작하게 된다. 이때 전압 분배기 R1-R2가 전압 변동을 어느 정도 보상하는 역할을 한다. 양극 전원을 사용하는 방식은 출력 전압이 높은 정전압(+3.9 V)을 기준으로 약간(±0.4 V) 변동한다는 단점도 가진다.

음극 전원을 사용하는 또 다른 이유는 출력 단자와 접지 사이에 의도치 않은 단락(short circuit)이 발생했을 때 출력 트랜지스터를 보호하는 데 유리하기 때문이다.^[34]^[57] (하지만 음극 레일과의 단락에서는 보호되지 않는다.)

공급 전압 값은 보상 다이오드 D1, D2에 충분한 전류가 흐르고, 공통 이미터 저항 R_E 양단의 전압 강하가 적절한 수준이 되도록 선택한다.

시중에서 판매되는 ECL 회로는 일반적으로 다른 로직 계열과 호환되지 않는 로직 레벨을 사용한다. 따라서 ECL을 TTL과 같이 널리 사용되는 다른 로직 계열과 함께 사용하려면 별도의 인터페이스 회로가 필요하다. 또한, High 레벨과 Low 레벨 사이의 전압 차이가 상대적으로 작기 때문에 노이즈 마진이 작다는 단점이 있다.

IBM과 같은 일부 제조사는 자체 제품에 사용하기 위해 독자적인 규격의 ECL 회로를 제작하기도 했는데, 이들 회로의 전원 공급 규격은 일반적인 상용 제품과 상당히 달랐다.^[35]^[58]

PECL(Positive Emitter-Coupled Logic)은 기존 ECL의 음극 전원(-5V) 대신 양극 전원(+5V)을 사용하도록 개발된 방식이다. LVPECL(Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic)은 PECL의 전원 전압을 +3.3V로 더 낮추어 전력 소모를 줄인 버전이다. PECL과 LVPECL은 차동 신호 방식을 사용하며, 주로 고속 회로나 클럭 분배 회로 등에 사용된다.

PECL과 LVPECL의 일반적인 논리 레벨은 다음과 같다.^[59]

종류	V_ee	V_low	V_high	V_cc
PECL	GND	3.4 V	4.2 V	5.0 V
LVPECL	GND	1.6 V	2.4 V	3.3 V

5. 2. 논리 레벨

ECL 회로는 일반적으로 음의 전원 공급 장치(양극 단자가 접지됨)를 사용하는데, 이는 전원의 음극 단자를 접지하는 다른 논리 소자 계열과 대조적이다. 이는 주로 전원 공급 장치 변동이 로직 레벨에 미치는 영향을 최소화하기 위한 것으로, ECL은 V_CC의 노이즈에는 민감하지만 V_EE의 노이즈에는 상대적으로 덜 민감하다.^[33]^[56] 접지된 선이 시스템에서 가장 안정적인 전압이어야 하므로, ECL은 양극을 접지하도록 지정된다. 이 연결 방식에서는 공급 전압이 변동하더라도 컬렉터 저항에서의 전압 강하가 거의 변하지 않아(이미터가 정전류원인 경우 전혀 변하지 않음) 출력 전압이 안정적으로 유지된다. 반면, 전원 공급 장치의 음극을 접지하면 컬렉터 저항은 양극 레일에 연결되어 출력 전압이 공급 전압 변동을 따르게 된다. 음의 전원 공급 장치를 사용하는 또 다른 이유는 출력과 접지 사이에 우발적인 단락이 발생했을 때 출력 트랜지스터를 보호하기 위함이다.^[34]^[57] 공급 전압 값은 보상 다이오드(D1, D2)에 충분한 전류가 흐르고 공통 이미터 저항(R_E)에 적절한 전압 강하가 생기도록 선택된다.

시중에서 판매되는 ECL 회로는 일반적으로 다른 논리 계열과 호환되지 않는 로직 레벨로 작동한다. 따라서 널리 사용되는 TTL 계열 등 다른 로직 계열과 ECL을 함께 사용하려면 추가적인 인터페이스 회로가 필요하다. 또한, High 레벨과 Low 레벨의 전압 차이가 상대적으로 작기 때문에 노이즈 마진이 작다는 단점이 있다.

IBM과 같은 일부 제조업체는 자체 제품에 사용할 목적으로 독자적인 규격의 ECL 회로를 만들기도 했는데, 이들 회로의 전원 공급 장치 규격은 시중에서 사용되는 것과 실질적으로 달랐다.^[35]^[58]

이후 ECL의 단점을 보완하고 사용 편의성을 높이기 위해 양(+)의 전압 공급을 사용하는 PECL(Positive Emitter-Coupled Logic)과 LVPECL(Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic)이 개발되었다. PECL은 +5V 전원을 사용하며, LVPECL은 전원 전압을 +3.3V로 더 낮춰 전력 소비를 줄인 버전이다. PECL과 LVPECL은 차동 신호 시스템이며, 주로 고속 회로나 클럭 분배 회로에 사용된다.

각 종류별 논리 레벨은 다음과 같다.^[59]

논리 레벨
종류	V_ee	V_low	V_high	V_cc
PECL	GND	3.4 V	4.2 V	5.0 V
LVPECL	GND	1.6 V	2.4 V	3.3 V

5. 3. PECL 및 LVPECL

'''양극 이미터-결합 논리'''(Positive Emitter-Coupled Logic, PECL) 또는 '''유사-ECL'''은 기존 ECL이 일반적으로 음의 전압(-5.2 V)을 사용하는 것과 달리, 양의 +5 V 전원을 사용하도록 개발된 방식이다.^[36]^[58]

'''저전압 양극 이미터-결합 논리'''(Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic, LVPECL)는 PECL의 전력 효율을 높이기 위해 전원 전압을 +3.3 V로 낮춘 버전이다. PECL과 LVPECL은 모두 차동 신호 시스템이며, 주로 고속 신호 처리나 클럭 분배 회로에 사용된다.

일반적으로 PECL 장치가 ECL 장치와는 약간 다른 것으로 오해되기도 하지만, 기술적으로 모든 ECL 장치는 PECL 장치로도 볼 수 있다는 견해가 있다.^[37]

논리 레벨은 다음과 같다:^[38]^[59]

유형	V_ee	V_low	V_high	V_cc	V_cm
PECL	GND	3.4 V	4.2 V	5.0 V
LVPECL	GND	1.6 V	2.4 V	3.3 V	2.0 V

참고: V_cm은 공통 모드 전압 범위이다.

6. 응용 분야

이미터-결합 논리(ECL)는 스위칭 상태와 관계없이 전류 레벨 변화가 크지 않다는 특징을 가진다. 이는 다른 논리 소자에 비해 스위칭 노이즈가 상대적으로 작다는 장점으로 이어진다. 특히, ALU와 같이 스위칭이 빈번하게 발생하는 환경에서는 이러한 특성 덕분에 CMOS 등에 비해 고속 동작이 가능하다.

또한, 암호학 분야에서는 전력 소모 패턴 등을 분석하는 부채널 공격, 특히 차분 전력 분석(Differential Power Analysis, DPA)에 비교적 강한 면모를 보인다.

ECL의 스위칭 지연 시간은 1나노초 미만에 불과하여, 오랫동안 가장 빠른 속도를 가진 논리 소자로 평가받아 왔다.

7. 한계 및 대안

ECL은 전력 소비가 크다는 한계 때문에 고성능이 요구되는 특정 분야에 주로 사용되었다.^[51] 대표적으로 IBM의 ESA/390 제품군인 Enterprise System/9000 시리즈와 같은 과거의 하이엔드 메인프레임이나 Cray-1을 시작으로 하는 슈퍼컴퓨터 등에서 ECL을 채택했다.^[58]^[51]

7. 1. 대안

ECL은 높은 전력 소비라는 단점으로 인해, 성능이 가장 중요시되는 특정 용도에 제한적으로 사용되어 왔다.^[51] 21세기에 들어 CMOS 기술이 크게 발전하면서 ECL의 입지는 점차 줄어들고 있다. 예를 들어, 메인프레임 분야에서 오랫동안 ECL을 사용해 온 히타치는 1999년 발표한 MP6000 모델에서는 CMOS와 ECL을 함께 사용하는 방식을 채택했으나^[52], 2001년 발표한 AP8000 모델에서는 전면적으로 CMOS 기술로 전환했다.^[53]

일부 전문가들은 미래에 갈륨 비소 소자가 널리 사용될 경우 ECL이 다시 주목받을 가능성을 예측하기도 했다. 하지만 갈륨 비소는 격자 결함이 적은 결정을 만들기 어렵고 실리콘보다 비용이 높다는 문제 때문에 널리 보급되지 못하고 있다. 현재까지 갈륨 비소 트랜지스터를 사용하여 실제 운용된 시스템은 수치 풍동 정도가 거의 유일한 것으로 알려져 있다.^[54]

참조

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_[54] 문서 他にガリウム砒素に挑んだ例としては[[コンベックス・コンピュータ]]のC3・C4があるようである。
_[55] 문서 Blood, W.R. (1972). MECL System Design Handbook 2nd ed. n.p.: Motorola Semiconductor Products Inc. p. 3.
_[56] 웹사이트 Electronic Materials Handbook: Packaging (page 163) https://books.google[...]
_[57] 웹사이트 Modern digital electronics By R P Jain] (page 111) https://books.google[...]
_[58] 논문 Improved performance of IBM Enterprise System/9000 bipolar logic chips http://domino.watson[...]
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_[60] 문서 Original drawing based on William R. Blood Jr. (1972). MECL System Design Handbook 2nd ed. n.p.: Motorola Semiconductor Products. 1.
_[61] 웹인용 Unit4: ECL Emitter Coupled Logic http://www.physics.d[...] 2013-08-16

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