Are you familiar with the logic IC family called MECL? MECL is the nickname of Motorola's ECL-IC family. It is characterized by high speed and low noise generation. I will use MECLs a few times on this Blog. The first time I make a crystal oscillator using a MC10116P. This oscillator will be used as a clock oscillator in next experiment. (2020.05.23 de JA9TTT/1 Takahiro Kato)
【MECL ICs】
モトローラ社のECL-ICファミリはMECL（メクル）の愛称で呼ばれています。高速ロジックICといえばECLが唯一だった時代もありましたが、今ではすっかり廃れてしまったようです。 ごくわずかに「プリスケーラ」の用途に残っているくらいでしょう。
アマチュア無線の製作でECLを使うとすれば、周波数カウンタの前に付加して測定上限周波数を拡張するためのプリスケーラくらいです。 そうしたプリスケーラ用ECLは他のロジックICとインターフェースが容易なようにできています。
ECL-ICを使ったRF信号の90度位相器を目的に部品集めを始めました。PSN式SSBジェネレータの続きと言う訳でもないのですが、前から気になっていたので試すことにしました。 MECLは既に廃れたロジック・ファミリですから中華通販が頼りです。古臭くて人気のないICですからフェイクの心配などないでしょう。 あとは希望の型番が手に入るか否かです。 さっそく実験に必要なチップは見つかりました。 しかし新型コロナの影響は深刻です。注文した頃には中華通販は大幅な配達遅延が発生していました。予定した品がまだ届きません。 まずは先に届いた部品で可能な実験から始めることにしました。 初回はMECLを使った水晶発振器を作ってみます。 うまく行けばこの先の実験で信号源に使いたいと思います。
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新しい高速ロジック・ファミリが登場しています。いまどきECLでもないかと思ったのですが、興味半分で扱ってみます。 プリスケーラのような専用のECL-ICに馴染みはあっても、汎用のECLファミリーをちゃんと扱うのは初めてでした。 まずは初めて見るような回路記号の理解や異常にさえ感じる電源の与え方などを飲み込むのがスタートポイントでした。 もっぱら自身の興味だけで始めています。 ECLを使った90度位相器や、古臭いロジック・ファミリに興味がなければ、この先は面白くないでしょう。早々にお帰りください。
ECL-ICの常識については次回あたりで詳しく扱いたいと思います。 なぜプラス接地で使うのかと言った話は取り敢えず省きますが、まずは実験への対応をしておきました。
ブレッドボードで高周波や高速ロジックを扱うには、金属製ベースボード（基台）の処理が必要です。購入したままではどこにも接続されず電気的に浮いた状態です。 そのままでは旨くないので、必ず回路のGND側に接続しておきます。 こうした処理は高周波や高速パルス回路だけでなく、ノイズを非常に嫌うオーディオアンプ等の実験でも必須でしょう。
現代ではNPNトランジスタを使うことが多いですから、ほとんどの回路は電源端子のマイナス側が接地された「プラス電源」で設計されています。従ってベースボードは電源のマイナス側に接続します。（写真で言えば黒のターミナル） しかしECLはプラス側を接地して使うのが標準です。C-MOSやTTLに馴染んだ者にとって、ECLの電源はマイナス5.2Vという異常さです。（笑） この対応のため、写真のようにベースボードは電源のプラス端子（赤色）に接続しておきました。これが実験の手始めです。
これは写真のMC10116Pに限った話ではありませんが、購入したままのICはピン列の間隔が広すぎます。
色々なピン列矯正器が市販されていますが、写真のものを使いました。 このような道具を使うとブレッドボードへの挿入がスムースに行なえます。
道具がなければ金属板の上で押さえつけて少し曲げてやればOKです。 そうして済ませることも多いのですが、流石に道具を使うと確実ですね。
こんなことを書くと混乱するかもしれませんが、ここで使ったMC10116Pは純然たるECLロジック回路のICではありません。 ゲート回路やフリップ・フロップ回路のような論理回路を司るICではないという意味です。 ラインレシーバのICでどちらかと言えば、アナログICに近い存在です。 もちろんMECL10KファミリのICではあるのですが。
ECLはエミッタ結合ロジック(Emitter Coupled Logic)の意味ですが、もともと差動増幅のリニアICのような回路構造になっています。（だからバイアス端子：VBBなんて言うものが必要なんですが・笑） MC10116Pのようなラインレシーバはそのアナログ的な性格が強く、主に信号伝送回路のインターフェースに使うものです。 内部は増幅作用を持った差動増幅器が基本的な構造ですから、水晶発振子を正帰還ループに入れてやれば発振器になります。 図のようにU1aの出力端子：Pin 3から+入力端子：Pin 5の間に水晶発振子を接続します。 水晶発振子に直列あるいは並列にトリマ・コンデンサを入れれば発振周波数の微調整もできます。
Pin 2の反転出力端子の波形は概ね矩形波になっていますが、さらに波形を良くする目的で、U1bでシュミット回路を構成しています。Pin 6からPin 9へ正帰還を掛けて波形を整えます。 U1cはバッファ・アンプです。出力はこのバッファ・アンプから取り出します。 出力は２つあって、一つは反転出力になっています。 ツイステッド・ペアのような平衡ラインで信号を送るときにはこのコンプリメンタリな出力を使います。
510Ωの抵抗器がやたら目立ちますが、これはIC内部の出力部分のトランジスタがエミッタ・フォロワになっており、しかもエミッタ端子（出力端子）とマイナス電源端子：VEE間に入れる抵抗器が外付けになっているためです。 この回路例のように単独のIC内で信号の授受が完結する場合、外付け抵抗は面倒でしかありません。しかし他の回路部分へ信号を伝送する際には受端側に外付け抵抗器を置けば終端抵抗として機能し良い波形の伝送ができます。このあたりはECLの使い方の基本的なところのようです。
MC10116P自身の消費電流は、標準17mA、最大21mAです。ECLは消費電力が大きいと言われますがその割にこの消費電流は大きくないように感じます。しかし、実際にはたくさんある外付け抵抗の510Ωに流す分が追加されて全体の消費電流はかなり大きくなります。 もし周波数特性が悪くなってもよければ510Ωをもっと大きくしても動作はするようですが、標準はやはり510Ωなのです。（非常古い初期のECLの頃は500Ωでした。その後、E系列の近似値である510Ωが標準になったようです）
発振は容易にスタートしました。 5MHz、8MHz、10MHzなど発振子を交換してテストしましたがどれでも旨く発振しました。 回路を工夫するとオーバートーン発振も可能です。
これは参考です。 左はMC10116のアナログ的なアプリケーションを示す一例です。 八重洲無線の周波数カウンタ、YC-500のインプット・アンプ部分です。
J-FETのソース・フォロワのあと、MC10116を使ったアンプとシュミット回路を使った波形整形回路になっています。 左端のPNPトランジスタはTTLまたはC-MOSとインターフェースするためのレベル変換回路です。
MC10116の高速広帯域な特性を生かしたインプット・アンプになっており十分増幅することでHF帯で高感度が得られるようになっています。 この回路ではECLはたった一つだけなので他のICと共通になるよう+５Vの単一電源で済ませ電源系がシンプルになるよう工夫しています。 周波数カウンタの入力アンプとしてなかなかFBですが消費電流の多さをいとわなければ・・・ですね。
YC-500の詳しいことはメーカーのサイトにある取扱説明書を参照してください。 MC10116のアナログ的な応用例として紹介してみました。 MC10116はこうしたアンプに使えるのですから、水晶発振器にも使える訳です。
水晶発振回路を試作しました。 実は使ったブレッドボードがあまり適当ではなかったようです。
最近購入したこれはGNDとVCCラインが中央部分にしかないので、高速パルス回路としての合理的な部品配置ができませんでした。 そのため、無用な配線の引き回しが多くなってしまい、きれいな波形を得るのが困難でした。 部品配置も最適にできません。
とりあえず水晶発振器の実験にはなったのですが、追加のECL回路を組み立てるのは適当ではないと思います。 改めて別のパターンのブレッドボードで作り直すつもりです。 これはあまり良くない見本でしょうね。（笑）
オシロスコープにプローブを付けて観測しています。しかし、プローブのアースリードが長いまま観測するとこのようにオーバーシュートやリンギングが出てしまいます。
正しい観測は、プローブの先端に専用の接触チップを取り付け、アース側の接続が極力短くなるようにして観測します。 そうしたことはわかっているのですが、ついつい面倒なのでいつものように観測するとこのようになる訳です。（笑）
ECLの論理振幅は0.8Vくらいで約-1.3Vを中心に振れる矩形波です。 他のロジックICでは、おおよそ電源電圧いっぱい近くまで振れるのに対し、ECLはたいへん小さな論理振幅のように感じます。電源電圧5.2Vでたったの0.8Vなのですからね。 電圧ノイズマージンが気になるところですが、平衡伝送で信号を送り、ラインインピーダンスも低くできることからおそらくこれで十分な論理振幅なのでしょう。
基本的に非飽和なA級アンプのような動作をしています。トランジスタが飽和やカットオフを繰り返すスイッチング的な動作とは異なり電源ラインへ漏れるノイズは少ないのでしょう。 簡単に言うとエミッタ側定電流源の電流を切り替えているだけの動作ですから、電源電流の変動は少ないのです。
U1aのPin 5を観測してみます。 ここはアンプの入力端子に相当します。 バイアス電源である、VBB端子から1kΩを通してバイアスが掛かっています。
U1aの出力端子：Pin 3は矩形波出力ですが、水晶発振子を通った基本波の成分だけが現れるでしょう。 従って正弦波状の波形が見られるはずです。
Pin 5の波形はこのように正弦波になります。 プローブへ矩形波の誘導があるためか、少しギザギザしていますが、注意深く測定すればもっと綺麗な正弦波が観測できるはず。
バイアス電圧：VBBは実測で約-1.35Vなのでそこを中心に振れる正弦波が観測されました。 入力端子で約1.2Vppという大きさの振幅なので、ラインレシーバ：U1aで十分に増幅され矩形波になって出力に現れます。 Pin 2の出力はPin 3の出力が反転しただけのものです。 水晶へ行く側と分離することで干渉が少ないようにして発振状態に影響が及ばぬよう考えられた回路になっています。
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MECLを使った水晶発振器を作ってみました。 波形観測の手抜きをしたので少々汚い観測波形になってしまいましたが、確実な発振が可能であることは確かめられました。 また、この先のECL回路のテストに必要な論理振幅のクロック源が得られることもわかりました。
PSNタイプのSSBジェネレータ／エキサイタにあった、アナログな移相器に代わるデジタルな位相器を試すのが当面の目的です。 次回は高速フリップ・フロップを駆動して90度位相差の２信号を得る実験をやってみたいと思っています。 それまでに不足している部品が届いてくれたら良いのですが。さて、どうなりますか。 de JA9TTT/1
（つづく）←リンクnm
