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PECL,LVDS,CML接口电平的讨论 (经典转载)
HXW718059156 | 2012-05-07 15:46:32    阅读:27112   发布文章

摘要:随着高速数据传输业务需求的增加,如何高质量的解决高速IC芯片间的互连变得越来越重要。低功耗及优异的噪声性能是有待解决的主要问题。芯片间互连通常有三种接口:PECL (Positive Emitter-Coupled Logic)、LVDS (Low-Voltage Differential Signals)、CML (Current Mode Logic)。在设计高速数字系统时,人们常会遇到不同接口标准芯片间的互连,为解决这一问题,我们首先需要了解每一种接口标准的输入输出电路结构,由此可以知道如何进行直流偏置和终端匹配。本文介绍了高速通信系统中PECL、CML和LVDS之间相互连接的几种方法,并给出了Maxim产品的应用范例。

 

1 摘要

随着高速数据传输业务需求的增加,如何高质量的解决高速IC芯片间的互连变得越来越重要。低功耗及优异的噪声性能是有待解决的主要问题。芯片间互连通常有三种接口:PECL (Positive Emitter-Coupled Logic)、LVDS (Low-Voltage Differential Signals)、CML (Current Mode Logic)。在设计高速数字系统时,人们常会遇到不同接口标准芯片间的互连,为解决这一问题,我们首先需要了解每一种接口标准的输入输出电路结构,由此可以知道如何进行直流偏置和终端匹配。本文介绍了高速通信系统中PECL、CML和LVDS之间相互连接的几种方法,并给出了Maxim产品的应用范例。

 

2 PECL接口

PECL由ECL标准发展而来,在PECL电路中省去了负电源,较ECL电路更便于使用。PECL信号的摆幅相对ECL要小,这使得该逻辑更适合于高速数据的串行或并行连接。PECL标准最初由Motorola公司提出,经过很长一段时间才在业内推广开。

2.1 PECL接口输出结构
PECL电路的输出结构如图1所示,包含一个差分对管和一对射随器。输出射随器工作在正电源范围内,其电流始终存在,这样有利于提高开关速度。标准的输出负载是接50电阻至VCC-2V的电平上,如图1所示,在这种负载条件下,OUT 与OUT-的静态电平典型值为VCC-1.3V,OUT 与OUT-输出电流为14mA。PECL结构的输出阻抗很低,典型值为4-5,这表明它有很强的驱动能力,但当负载与PECL的输出端之间有一段传输线时,低阻抗造成的失配将导致信号时域波形的振铃现象。


图1. PECL接口输出结构

2.2 PECL接口输入结构
PECL输入结构如图2所示,它是一个具有高输入阻抗的差分对。该差分对共模输入电压需偏置到VCC-1.3V,这样允许的输入信号电平动态范围最大。Maxim公司的PECL接口有两种形式的输入结构,一种是在芯片上已加有偏置电路,如MAX3885,另一种则需要外加直流偏置,如MAX3867、MAX3675。


图2. PECL接口输入结构

表I中给出了Maxim公司PECL接口输入输出的具体电气指标。

表I. PECL输入和输出规格

Parameter Conditions Min Type Max Units
Output High Voltage VCC - 1.025 VCC - 1.025   VCC - 0.88 V
TA = -40°C VCC - 1.085   VCC - 0.88 V
Output Low Voltage TA = 0°C to 85°C VCC - 1.81   VCC - 1.62 V
TA = -40°C VCC - 1.83   VCC - 1.55 V
Input High Voltage   VCC - 1.16   VCC - 0.88 V
Input Low Voltage   VCC - 1.81   VCC - 1.48 V

在 5.0V和 3.3V供电系统中,PECL接口均适用, 3.3V供电系统中的PECL常被称作低压PECL,简写为LVPECL

 

在使用PECL电路时要注意加电源去耦电路,以免受噪声的干扰,另外,输出采用交流还是直流耦合对负载网络的形式将会提出不同的要求。

 

3 CML接口

CML是所有高速数据接口形式中最简单的一种,它的输入与输出是匹配好的,从而减少了外围器件,也更适合于在高的频段工作。它所提供的信号摆幅较小,从而功耗更低。此外,50背向终端匹配减小了背向反射,从而降低了高频失真。

3.1 CML接口输出结构
CML接口的输出电路形式是一个差分对管,该差分对的集电极电阻为50,如图3所示,输出信号的高低电平切换是靠共发射极差分对管的开关控制的,差分对的发射极与地之间的恒流源典型值为16mA,假定CML输出负载为一50上拉电阻,则单端CML输出信号的摆幅为VCC至VCC-0.4V。在这种情况下,差分输出信号摆幅为800mV,共模电压为VCC-0.2V。若CML输出采用交流耦合至50负载,这时的直流阻抗由集电极电阻决定,为50,CML输出共模电压变为VCC-0.4V,差分信号摆幅仍为800mVP-P。在交流和直流耦合情况下输出波形如图4所示。


图3. CML接口输入结构


图4. 直流耦合与交流耦合情况下,CML输出波形

3.2 CML接口输入结构
CML输入结构有几个重要特点,这也使它在高速数据传输中成为常用的方式,如图5所示,Maxim公司的CML输入阻抗为50 ,容易使用。输入晶体管作为射随器,后面驱动一差分放大器。


图5. CML输入电路匹配

表II以MAX3831/MAX3832为例列出了CML器件的输入输出技术参数

表II. CML输入和输出规格(负载 = 50至VCC)

PARAMETER CONDITION MIN TYP MAX Units
Differential Output Voltage   640 800 1000 mVp-p
Output Common Mode Voltage     VCC-0.2   V
Single-Ended Input Voltage Range VIS VCC - 0.6V   VCC 0.2V V
Differential Input Voltage Swing   400   1200 mVp-p

注:Maxim不同产品CML输入灵敏度不同,如MAX3875、MAX3876。

 

4 LVDS接口

LVDS用于低压差分信号点到点的传输,该方式有三大优点,使其更具有吸引力。A) LVDS传输的信号摆幅小,从而功耗低,一般差分线上电流不超过4mA,负载阻抗为100。这一特征使它适合做并行数据传输。B) LVDS信号摆幅小,从而使得该结构可以在2.5V的低电压下工作。C) LVDS输入单端信号电压可以从0V到2.4V变化,单端信号摆幅为400mV,这样允许输入共模电压从0.2V到2.2V范围内变化,也就是说LVDS允许收发两端地电势有±1V的落差。

4.1 LVDS接口输出结构
Maxim公司LVDS输出结构在低功耗和速度方面做了优化,电路如图6所示。电路差分输出阻抗为100,表III列出了其它一些指标。


图6. LVDS接口输出结构

4.2 LVDS接口输入结构
LVDS输入结构如图7所示,IN 与IN-输入差分阻抗为100,为适应共模电压宽范围内的变化,输入级还包括一个自动电平调整电路,该电路将共模电压调整为一固定值,该电路后面是一个施密特触发器。施密特触发器为防止不稳定,设计有一定的滞回特性,施密特后级是差分放大器。


图7. LVDS接口输入结构

表III总结了Maxim公司LVDS输入与输出技术指标(MAX3831, MAX3821和MAX3890)

表III. LVDS输入和输出规格

PARAMETER SYMBOL CONDITION MIN TYP MAX UNITS
Output High Voltage VOH       1.475 V
Output Low Voltage VOL   0.925 x x x
Differential Output Voltage |Vod|   250   400 mV
Change in Magnitude of Differential Output for Complementary States |Vod|       25 mV
Offset Output Voltage     1.125   1.275 V
Change in Magnitude of Output Offset Voltage for Complementary States |Vos|       25 mV
Differential Output Impedance     80   120
Output Current   Short together     12 mA
Output Current   Short to GND     40 mA
Input Voltage Range Vi   0   2.4 V
Differential Input Voltage |Vid|   100     mV
Input Common-Mode Current   LVDS Input
VOS = 1.2V
  350   µA
Threshold Hysteresis       70   mV
Differential Input Impedance Rin   85 100 115

 

5 接口互连

5.1 CML到CML的连接
如果接收器与发送器之间采用相同的VCC电源,CML驱动器输出可以直流耦合到CML接收器输入,无需额外的元件。如果接收器与发送器采用不同的电源,系统需要用交流耦合方式。交流耦合情况下,耦合电容应足够大,以避免信号包含一长串相同数字时导致过大的低频衰减(参考应用笔记HFAN-1.1)。图8给出了CML与CML之间的连接。
图8. CML到CML的连接

5.2 PECL到PECL的连接
5.2.1 直流耦合:50至(VCC-2V)的Thevenin等效电路
PECL到PECL的连接分直流耦合和交流耦合两种形式,下面分别介绍: 直流耦合情况 PECL输出设计成驱动50负载至(VCC-2V)。由于一般情况下无法向终端网络提供(VCC-2V)电源,经常会用并联电阻,得到一个Thevenin等效电路。图9给出了Thevenin变换,50至(VCC-2V)的终端匹配要求满足:

解出R1、R2,可得:

在3.3V供电时,电阻按5%的精度选取,R1为130 ,R2为82 。而在 5.0V供电时,R1为82 ,R2为130图10给出了 3.3V和 5.0V供电时的Thevenin等效终端网络。


图9. Thevenin等效变换

注:PECL输出配置为射极开路,没有背向终端匹配(参见1)。

5.2.2 交流耦合情况
PECL在交流耦合输出到50的终端负载时,要考虑PECL的输出端加一直流偏置电阻,如图11所示。


图10. PECL与PECL之间的直流耦合


图11. PECL与PECL之间的交流耦合

R2和R3的选择应考虑如下几点:(1) PECL输入直流偏压应固定在VCC-1.3V;(2)输入阻抗应等于传输线阻抗;(3)低功耗;(4)外围器件少。最常用的就是图11中的两种。在图11(a)中,R2和R3的选择应满足下面方程组:

求解得到:

图11(a)的缺陷是:由终端网络引起的功耗较大。如果系统对于功耗要求较高,可以采用图11(b)所示电路。这时,我们需要满足:

解得:

PECL的输出共模电压需固定在VCC-1.3V,在选择直流偏置电阻(R1)时仅需该电阻能够提供14mA到地的通路,这样R1=(VCC-1.3V)/14mA。在 3.3V供电时,R1 = 142, 5.0V供电时,R1 = 270。然而这种方式给出的交流负载阻抗低于50,在实际应用中, 3.3V供电时,R1可以从142到200之间选取, 5.0V供电时,R1可以从270 到350之间选取,原则是让输出波形达到最佳。

可以通过两种方式进一步改善PECL的终端匹配:(1)增加一个与耦合电容串联的电阻,使得PECL驱动器端的等效交流阻抗接近50;(2)添加一个与R1串联的电感,使交流阻抗受控于接收器阻抗,与R1无关。

5.3 LVDS与LVDS的连接
因为LVDS的输入与输出都是内匹配的,所以LVDS间的连接可以如图12中那样直接连接。


图12. LVDS与LVDS的连接

 

6 LVDS,PECL,CML间的互连

在下面的讨论中,假设采用 3.3V PECL。

6.1 LVPECL到CML的连接
LVPECL与CML之间的耦合方式可以是交流方式,也可以是直流方式。

6.1.1 交流耦合情况
LVPECL到CML的一种连接方式就是交流耦合方式,如图13所示。在LVPECL的两个输出端各加一个到地的偏置电阻,电阻值选取范围可以从142到200。如果LVPECL的输出信号摆幅大于CML的接收范围,可以在信号通道上串一个25的电阻,这时CML输入端的电压摆幅变为原来的0.67倍。


图13. LVPECL与CML之间的交流耦合

6.1.2 直流耦合情况
在LVPECL到CML的直流耦合连接方式中需要一个电平转换网络,如图14中所示。该电平转换网络的作用是匹配LVPECL的输出与CML的输入共模电压。一般要求该电平转换网络引入的损耗要小,以保证LVPECL的输出经过衰减后仍能满足CML输入灵敏度的要求;另外还要求自LVPECL端看到的负载阻抗近似为50。下面以LVPECL驱动MAX3875的CML输入为例说明该电平转换网络。


图14. LVPECL与CML之间的电阻网络(MAX3875)

下面是该电阻网络必须满足的方程:

(注:假定LVPECL的最小差分输出摆幅为1200mV,而MAX3875的输入灵敏度为50mV,这样电阻网络的最小增益必须大于50mV/400mV = 0.042。)

求解上面的方程组,我们得到R1 = 215,R2 = 82.5,R3 = 274 (标准值的1%),VA = 1.35V,VB = 3.11V,增益 = 0.147,ZIN = 49。把LVPECL输出与MAX3875输入连接好,实测得:VA = 2.0V,VB = 3.13V。

LVPECL到MAX3875的直流耦合结构如图15所示,对于其它的CML输入,最小共模电压和灵敏度可能不同,读者可根据上面的考虑计算所需的电阻值。


图15. LVPECL与CML之间的直流耦合(MAX3875)

6.2 CML到LVPECL的连接
图16给出了CML到LVPECL三种交流耦合解决方案。


图16. CML与LVPECL之间的交流耦合

6.3 LVPECL到LVDS的连接
6.3.1 直流耦合情况
LVPECL到LVDS的直流耦合结构需要一个电阻网络,如图17中所示,设计该网络时有这样几点必须考虑:首先,我们知道当负载是50接到VCC-2V时,LVPECL的输出性能是最优的,因此我们考虑该电阻网络应该与最优负载等效;然后我们还要考虑该电阻网络引入的衰减不应太大,LVPECL输出信号经衰减后仍能落在LVDS的有效输入范围内。注意LVDS的输入差分阻抗为100,或者每个单端到虚拟地为50 (图7所示),该阻抗不提供直流通路,这里意味着LVDS输入交流阻抗与直流阻抗不等。LVPECL到LVDS的直流耦合所需的电阻网络需满足下面方程组:


图17. LVPECL与LVDS之间的直流耦合

考虑VCC = 3.3V情况,解上面的方程组得到:R1 = 182,R2 = 47.5,R3 = 47.5,VA = 1.13V,RAC = 51.5,RDC = 62.4,增益 = 0.337。通过该终端网络连接LVPECL输出与LVDS输入时,实测得VA = 2.1V,VB = 1.06V。假定LVPECL差分最小输出电压为930mV,在LVDS的输入端可达到313mV,能够满足LVDS输入灵敏度要求。考虑信号较大时,如果LVPECL的最大输出为1.9V,LVDS的最大输入电压则为640mV,同样可以满足LVDS输入指标要求。

6.3.2 交流耦合情况
LVPECL到LVDS的交流耦合结构如图18所示,LVPECL的输出端到地需加直流偏置电阻(142到200),同时信号通道上一定要串接50电阻,以提供一定衰减。LVDS的输入端到地需加5.0k电阻,以提供共模偏置。


图18. LVPECL与LVDS之间的交流耦合

6.4 LVDS到LVPECL的连接
LVDS与LVPECL之间的直流和交流耦合需要进行几项匹配。

6.4.1 直流耦合情况
LVDS与LVPECL之间采用直流耦合结构时,需要加一个电阻网络,如图19所示。该电阻网络完成LVDS输出电平(1.2V)到LVPECL输入电平(VCC-1.3V)的转换。由于LVDS的输出是以地为参考,而LVPECL的输入是以VCC 为参考,这需要在构建电平转换网络时注意LVDS的输出不会对供电电源的变化敏感;另一个问题是需要在功耗和速度方面折中考虑,如果电阻值(R1、R2、R3)取得较小,由电阻网络和LVPECL输入寄生电容构成的时间常数较小,允许电路在更高的速度下工作。但是,由于这些电阻上流过较大的电流,使得总功耗增大。这时,LVDS的输出性能容易受电源波动的影响。还有一个问题就是要考虑阻抗匹配和网络衰减问题,电阻值可以通过下面的方程导出。


图19. LVDS与LVPECL之间的直流耦合

在VCC电压为 3.3V时,解上面的方程得:R1 = 374,R2 = 249,R3 = 402,VA = 1.2V,VB = 2.0V,RIN = 49,增益 = 0.62。LVDS的最小差分输出信号摆幅为500mVP-P,在上面结构中加到LVPECL输入端的信号摆幅变为310mVP-P,该幅度低于LVPECL的输入标准,但对于绝大多数Maxim公司的LVPECL电路来说,该信号幅度是足够的,原因是Maxim公司LVPECL输入端有较高的增益。在实际应用中,读者可根据器件的实际性能作出自己的判断。

6.4.2 交流耦合情况
LVDS到LVPECL的交流耦合结构较为简单,图20给出了两个例子。


图20. LVDS与LVPECL之间的交流耦合

6.5 CML和LVDS间互连
CML与LVDS之间采用交流耦合连接时(图21),注意,CML输出信号摆幅应该在LVDS输入能够处理的范围以内。


图21. CML与LVDS之间的交流耦合

如果LVDS驱动器需要驱动一个CML接收器,可以采用图22所示的交流耦合方式。

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