幾種常用高速邏輯電平電路的特點(diǎn)及應(yīng)用

在通用的電子器件設(shè)備中，TTL和CMOS電路的應(yīng)用非常廣泛。但是面對(duì)現(xiàn)在系統(tǒng)日益復(fù)雜，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，實(shí)時(shí)性要求越來越高，傳輸距離越來越長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，掌握高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬰娖街R(shí)和設(shè)計(jì)能力就顯得更加迫切了。

1 幾種常用高速邏輯電平

1.1LVDS電平

　　LVDS（Low Voltage Differential Signal）即低電壓差分信號(hào)，LVDS接口又稱RS644總線接口，是20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)。

　　LVDS的典型工作原理如圖1所示。最基本的LVDS器件就是LVDS驅(qū)動(dòng)器和接收器。LVDS的驅(qū)動(dòng)器由驅(qū)動(dòng)差分線對(duì)的電流源組成，電流通常為3.5 mA。LVDS接收器具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動(dòng)器輸出的大部分電流都流過100 Ω的匹配電阻，并在接收器的輸入端產(chǎn)生大約350 mV的電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器翻轉(zhuǎn)時(shí)，它改變流經(jīng)電阻的電流方向，因此產(chǎn)生有效的邏輯“1”和邏輯“0”狀態(tài)。
　　
　　　　　　　　　　　　　圖1LVDS驅(qū)動(dòng)器與接收器互連示意

　　LVDS技術(shù)在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中被定義：ANSI/TIA/EIA644 (1995年11月通過)和IEEE P1596.3 (1996年3月通過)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都著重定義了LVDS的電特性，包括：

① 低擺幅（約為350 mV）。低電流驅(qū)動(dòng)模式意味著可實(shí)現(xiàn)高速傳輸。ANSI/TIA/EIA644建議了655 Mb/s的最大速率和1.923 Gb/s的無失真通道上的理論極限速率。

② 低壓擺幅。恒流源電流驅(qū)動(dòng)，把輸出電流限制到約為3.5 mA左右，使跳變期間的尖峰干擾最小，因而產(chǎn)生的功耗非常小。這允許集成電路密度的進(jìn)一步提高，即提高了PCB板的效能，減少了成本。

③ 具有相對(duì)較慢的邊緣速率（dV/dt約為0.300 V/0.3 ns,即為1 V/ns）,同時(shí)采用差分傳輸形式，使其信號(hào)噪聲和EMI都大為減少，同時(shí)也具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

　　所以，LVDS具有高速、超低功耗、低噪聲和低成本的優(yōu)良特性。

　　LVDS的應(yīng)用模式可以有四種形式：

① 單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（pointtopoint），這是典型的應(yīng)用模式。

② 雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（pointtopoint），能通過一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)雙向的半雙工通信。可以由標(biāo)準(zhǔn)的LVDS的驅(qū)動(dòng)器和接收器構(gòu)成；但更好的辦法是采用總線LVDS驅(qū)動(dòng)器，即BLVDS,這是為總線兩端都接負(fù)載而設(shè)計(jì)的。

③ 多分支形式(multidrop)，即一個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接多個(gè)接收器。當(dāng)有相同的數(shù)據(jù)要傳給多個(gè)負(fù)載時(shí)，可以采用這種應(yīng)用形式。

④ 多點(diǎn)結(jié)構(gòu)（multipoint）。此時(shí)多點(diǎn)總線支持多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，也可以采用BLVDS驅(qū)動(dòng)器。它可以提供雙向的半雙工通信，但是在任一時(shí)刻，只能有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作。因而發(fā)送的優(yōu)先權(quán)和總線的仲裁協(xié)議都需要依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，選用不同的軟件協(xié)議和硬件方案。

　　為了支持LVDS的多點(diǎn)應(yīng)用，即多分支結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，2001年新推出的多點(diǎn)低壓差分信號(hào)（MLVDS）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ANSI/TIA/EIA 8992001，規(guī)定了用于多分支結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的MLVDS器件的標(biāo)準(zhǔn)，目前已有一些MLVDS器件面世。

　　LVDS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也日漸普遍。在高速系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)背板互連和電纜傳輸應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)器、接收器、收發(fā)器、并串轉(zhuǎn)換器/串并轉(zhuǎn)換器以及其他LVDS 器件的應(yīng)用正日益廣泛。接口芯片供應(yīng)商正推進(jìn)LVDS作為下一代基礎(chǔ)設(shè)施的基本構(gòu)造模塊，以支持手機(jī)基站、中心局交換設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)主機(jī)和計(jì)算機(jī)、工作站之間的互連。

1.2ECL電平

　　ECL(EmitterCoupled Logic)即射極耦合邏輯，是帶有射隨輸出結(jié)構(gòu)的典型輸入輸出接口電路，如圖2所示。
　　　　
　　　　　　　　　　　　　圖2ECL驅(qū)動(dòng)器與接收器連接示意

　　ECL電路的最大特點(diǎn)是其基本門電路工作在非飽和狀態(tài)，因此ECL又稱為非飽和性邏輯。也正因?yàn)槿绱耍珽CL電路的最大優(yōu)點(diǎn)是具有相當(dāng)高的速度。這種電路的平均延遲時(shí)間可達(dá)幾個(gè)ns數(shù)量級(jí)甚至更少。傳統(tǒng)的ECL以VCC為零電壓，VEE為-5.2 V電源，VOH=VCC-0.9 V=-0.9 V，VOL=VCC-1.7 V=-1.7 V，所以ECL電路的邏輯擺幅較小（僅約0.8 V）。當(dāng)電路從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)時(shí)，對(duì)寄生電容的充放電時(shí)間將減少，這也是ECL電路具有高開關(guān)速度的重要原因。另外，ECL電路是由一個(gè)差分對(duì)管和一對(duì)射隨器組成的，所以輸入阻抗大，輸出阻抗小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，信號(hào)檢測(cè)能力高，差分輸出，抗共模干擾能力強(qiáng)；但是由于單元門的開關(guān)管對(duì)是輪流導(dǎo)通的，對(duì)整個(gè)電路來講沒有“截止”狀態(tài)，所以電路的功耗較大。

　　如果省掉ECL電路中的負(fù)電源，采用正電源的系統(tǒng)(+5 V)，可將VCC接到正電源而VEE接到零點(diǎn)。這樣的電平通常被稱為PECL（Positive Emitter Coupled Logic）。如果采用+3.3 V供電，則稱為L(zhǎng)VPECL。當(dāng)然，此時(shí)高低電平的定義也是不同的。它的電路如圖3、4所示。其中，輸出射隨器工作在正電源范圍內(nèi)，其電流始終存在。這樣有利于提高開關(guān)速度，而且標(biāo)準(zhǔn)的輸出負(fù)載是接50Ω至VCC-2 V的電平上。

　　在使用PECL 電路時(shí)要注意加電源去耦電路，以免受噪聲的干擾。輸出采用交流耦合還是直流耦合，對(duì)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的形式將會(huì)提出不同的需求。直流耦合的接口電路有兩種工作模式：其一，對(duì)應(yīng)于近距離傳送的情況，采用發(fā)送端加到地偏置電阻，接收端加端接電阻模式；其二，對(duì)應(yīng)于較遠(yuǎn)距離傳送的情況，采用接收端通過電阻對(duì)提供截止電平VTT 和50 Ω的匹配負(fù)載的模式。以上都有標(biāo)準(zhǔn)的工作模式可供參考，不必贅述。對(duì)于交流耦合的接口電路，也有一種標(biāo)準(zhǔn)工作模式，即發(fā)送端加到地偏置電阻，耦合電容靠近發(fā)送端放置，接收端通過電阻對(duì)提供共模電平VBB 和50 Ω的匹配負(fù)載的模式。

　　(P)ECL是高速領(lǐng)域內(nèi)一種十分重要的邏輯電路，它的優(yōu)良特性使它廣泛應(yīng)用于高速計(jì)算機(jī)、高速計(jì)數(shù)器、數(shù)字通信系統(tǒng)、雷達(dá)、測(cè)量?jī)x器和頻率合成器等方面。

1.3CML電平

　　CML電平是所有高速數(shù)據(jù)接口中最簡(jiǎn)單的一種。其輸入和輸出是匹配好的，減少了外圍器件，適合于更高頻段工作。它的輸出結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　CML 接口典型的輸出電路是一個(gè)差分對(duì)形式。該差分對(duì)的集電極電阻為50 Ω，輸出信號(hào)的高低電平切換是靠共發(fā)射極差分對(duì)的開關(guān)控制的。差分對(duì)的發(fā)射極到地的恒流源典型值為16 mA。假定CML的輸出負(fù)載為一個(gè)50 Ω上拉電阻，則單端CML輸出信號(hào)的擺幅為VCC~VCC-0.4 V。在這種情況下，差分輸出信號(hào)擺幅為800 mV。信號(hào)擺幅較小，所以功耗很低，CML接口電平功耗低于ECL的1/2，而且它的差分信號(hào)接口和 ECL、LVDS電平具有類似的特點(diǎn)。

　　CML到CML之間的連接分兩種情況：當(dāng)收發(fā)兩端的器件使用相同的電源時(shí)，CML到CML可以采用直流耦合方式，不用加任何器件；當(dāng)收發(fā)兩端器件采用不同電源時(shí)，一般要考慮交流耦合， 中間加耦合電容（注意這時(shí)選用的耦合電容要足夠大，以避免在較長(zhǎng)連0 或連1 情況出現(xiàn)時(shí)，接收端差分電壓變?。?br>　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　圖3PECL輸出結(jié)構(gòu)
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　 圖4PECL輸入結(jié)構(gòu)
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　圖5CML輸出結(jié)構(gòu)

　　但它也有些不足，即由于自身驅(qū)動(dòng)能力有限，CML更適于芯片間較短距離的連接，而且CML接口實(shí)現(xiàn)方式不同用戶間差異較大，所以現(xiàn)有器件提供CML接口的數(shù)目還不是非常多。

2 各種邏輯電平之間的比較和互連轉(zhuǎn)化

2.1各種邏輯電平之間的比較

　　這幾種高速邏輯電平在目前都有應(yīng)用，但它們?cè)诳偩€結(jié)構(gòu)、功率消耗、傳輸速率、耦合方式等方面都各有特點(diǎn)。為了便于應(yīng)用比較，現(xiàn)歸納以上三類電平各方面的特點(diǎn)，如表1所列。
　　　　　　

2.2各種邏輯電平之間的互連

　　這三類電平在互連時(shí)，首先要考慮的就是它們的電平大小和電平擺幅各不一樣，必須使輸出電平經(jīng)過中間的電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)后落在輸入電平的有效范圍內(nèi)。各種電平的擺幅比較如圖6所示。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　圖6各種高速電平的偏置擺幅比較

　　其次，電阻網(wǎng)絡(luò)要考慮到匹配問題。例如我們知道，當(dāng)負(fù)載是50 Ω接到VCC-2 V 時(shí)，LVPECL 的輸出性能是最優(yōu)的，因此考慮的電阻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該與最優(yōu)負(fù)載等效；LVDS 的輸入差分阻抗為100 Ω，或者每個(gè)單端到虛擬地為50 Ω，該阻抗不提供直流通路，這里意味著LVDS輸入交流阻抗與直流阻抗不等，電阻值的選取還必須根據(jù)直流或交流耦合的不同情況作不同的選取。另外，電阻網(wǎng)絡(luò)還必須與傳輸線匹配。

　　另一個(gè)問題是電阻網(wǎng)絡(luò)需要在功耗和速度方面折中考慮：既允許電路在較高的速度下工作，又盡量不出現(xiàn)功耗過大。

　　下面以圖7所示的LVPECL到LVDS的直流耦合連接為例，來說明以上所討論的原則。

　　　　　　　　　　　　　圖7LVPECL到LVDS的直流耦合連接及等效電路

　　傳輸線阻抗匹配原則：
　　
　　Z≈R1//(R2+R3)
　　
　　根據(jù)LVPCEL輸出最優(yōu)性能：

　　降低LVPECL擺幅以適應(yīng)LVDS的輸入范圍：Gain=R3/(R2+R3)

　　根據(jù)實(shí)際情況，選擇滿足以上約束條件的電阻值，例如當(dāng)傳輸線特征阻抗為50 Ω時(shí)，可取R1=120 Ω，R2=58 Ω，R3=20 Ω即能完成互連。

　　由于LVDS 通常用作并聯(lián)數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)速率為155 Mbps、622 Mbps或1.25 Gbps；而CML 常用來做串行數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)速率為2.5 Gbps或10 Gbps。一般情況下，在傳輸系統(tǒng)中沒有CML和LVDS 的互連問題。

結(jié)語

　　本文粗淺地討論了幾種目前應(yīng)用較多的高速電平技術(shù)。復(fù)雜高速的通信系統(tǒng)背板，大屏幕平板顯示系統(tǒng)，海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)鹊榷夹枰捎眯赂咚匐娖郊夹g(shù)。隨著社會(huì)的發(fā)展，新高速電平技術(shù)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻(xiàn)
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