幾種常用邏輯電平電路的特點及應用

　　引 言

　　在通用的電子器件設備中，TTL和CMOS電路的應用非常廣泛。但是面對現(xiàn)在系統(tǒng)日益復雜，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，實時性要求越來越高，傳輸距離越來越長的發(fā)展趨勢，掌握高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/邏輯電平">邏輯電平知識和設計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，LVDS接口又稱RS644總線接口，是20世紀90年代才出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術。

　　LVDS的典型工作原理如圖1所示。最基本的LVDS器件就是LVDS驅動器和接收器。LVDS的驅動器由驅動差分線對的電流源組成，電流通常為3.5 mA。LVDS接收器具有很高的輸入阻抗，因此驅動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。當驅動器翻轉時，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)。

　　LVDS技術在兩個標準中被定義：ANSI/TIA/EIA644 (1995年11月通過)和IEEE P1596.3 (1996年3月通過)。這兩個標準中都著重定義了LVDS的電特性，包括：

　　① 低擺幅(約為350 mV)。低電流驅動模式意味著可實現(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。恒流源電流驅動，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一步提高，即提高了PCB板的效能，減少了成本。

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

　　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的應用模式可以有四種形式：

　?、?單向點對點(pointtopoint)，這是典型的應用模式。

　?、?雙向點對點(pointtopoint)，能通過一對雙絞線實現(xiàn)雙向的半雙工通信?？梢杂蓸藴实腖VDS的驅動器和接收器構成;但更好的辦法是采用總線LVDS驅動器，即BLVDS,這是為總線兩端都接負載而設計的。

　?、?多分支形式(multidrop)，即一個驅動器連接多個接收器。當有相同的數(shù)據(jù)要傳給多個負載時，可以采用這種應用形式。

　?、?多點結構(multipoint)。此時多點總線支持多個驅動器，也可以采用BLVDS驅動器。它可以提供雙向的半雙工通信，但是在任一時刻，只能有一個驅動器工作。因而發(fā)送的優(yōu)先權和總線的仲裁協(xié)議都需要依據(jù)不同的應用場合，選用不同的軟件協(xié)議和硬件方案。

　　為了支持LVDS的多點應用，即多分支結構和多點結構，2001年新推出的多點低壓差分信號(MLVDS)國際標準ANSI/TIA/EIA 8992001，規(guī)定了用于多分支結構和多點結構的MLVDS器件的標準，目前已有一些MLVDS器件面世。

　　LVDS技術的應用領域也日漸普遍。在高速系統(tǒng)內部、系統(tǒng)背板互連和電纜傳輸應用中，驅動器、接收器、收發(fā)器、并串轉換器/串并轉換器以及其他LVDS器件的應用正日益廣泛。接口芯片供應商正推進LVDS作為下一代基礎設施的基本構造模塊，以支持手機基站、中心局交換設備以及網(wǎng)絡主機和計算機、工作站之間的互連。

　　1.2ECL電平

　　ECL(EmitterCoupLED LogIC)即射極耦合邏輯，是帶有射隨輸出結構的典型輸入輸出接口電路，如圖2所示。

　　ECL電路的最大特點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。也正因為如此，ECL電路的最大優(yōu)點是具有相當高的速度。這種電路的平均延遲時間可達幾個ns數(shù)量級甚至更少。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)。當電路從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)時，對寄生電容的充放電時間將減少，這也是ECL電路具有高開關速度的重要原因。另外，ECL電路是由一個差分對管和一對射隨器組成的，所以輸入阻抗大，輸出阻抗小，驅動能力強，信號檢測能力高，差分輸出，抗共模干擾能力強;但是由于單元門的開關管對是輪流導通的，對整個電路來講沒有“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。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LVPECL。當然，此時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，其電流始終存在。這樣有利于提高開關速度，而且標準的輸出負載是接50Ω至VCC-2 V的電平上。

　　在使用PECL 電路時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，對負載網(wǎng)絡的形式將會提出不同的需求。直流耦合的接口電路有兩種工作模式：其一，對應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，對應于較遠距離傳送的情況，采用接收端通過電阻對提供截止電平VTT 和50 Ω的匹配負載的模式。以上都有標準的工作模式可供參考，不必贅述。對于交流耦合的接口電路，也有一種標準工作模式，即發(fā)送端加到地偏置電阻，耦合電容靠近發(fā)送端放置，接收端通過電阻對提供共模電平VBB 和50 Ω的匹配負載的模式。

　　(P)ECL是高速領域內一種十分重要的邏輯電路，它的優(yōu)良特性使它廣泛應用于高速計算機、高速計數(shù)器、數(shù)字通信系統(tǒng)、雷達、測量儀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。它的輸出結構如圖5所示。

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

　　CML到CML之間的連接分兩種情況：當收發(fā)兩端的器件使用相同的電源時，CML到CML可以采用直流耦合方式，不用加任何器件;當收發(fā)兩端器件采用不同電源時，一般要考慮交流耦合， 中間加耦合電容(注意這時選用的耦合電容要足夠大，以避免在較長連0 或連1 情況出現(xiàn)時，接收端差分電壓變小)。

　　但它也有些不足，即由于自身驅動能力有限，CML更適于芯片間較短距離的連接，而且CML接口實現(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用，但它們在總線結構、功率消耗、傳輸速率、耦合方式等方面都各有特點。為了便于應用比較，現(xiàn)歸納以上三類電平各方面的特點，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，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)過中間的電阻轉換網(wǎng)絡后落在輸入電平的有效范圍內。各種電平的擺幅比較如圖6所示。

　　其次，電阻網(wǎng)絡要考慮到匹配問題。例如我們知道，當負載是50 Ω接到VCC-2 V 時，LVPECL 的輸出性能是最優(yōu)的，因此考慮的電阻網(wǎng)絡應該與最優(yōu)負載等效;LVDS 的輸入差分阻抗為100 Ω，或者每個單端到虛擬地為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)絡還必須與傳輸線匹配。

　　另一個問題是電阻網(wǎng)絡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。

　　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LVDS的輸入范圍：Gain=R3/(R2+R3)

　　根據(jù)實際情況，選擇滿足以上約束條件的電阻值，例如當傳輸線特征阻抗為50 Ω時，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。

　　結語

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