LVDS、CML、LVPECL三種差分邏輯電平之間的互連


描述

 

本篇主要介紹LVDS、CML、LVPECL三種最常用的差分邏輯電平之間的互連。由於篇幅比較長,分為兩部分:第一部分是同種邏輯電平之間的互連,第二部分是不同種邏輯電平之間的互連。

下面詳細介紹第一部分:同種邏輯電平之間的互連。

  輸入
    CML PECL LVDS
輸出 CML √直流、交流耦合 √直流、交流耦合
PECL √直流、交流耦合 √直流、交流耦合 √直流、交流耦合
LVDS √直流、交流耦合 √直流、交流耦合

1、LVDS到LVDS的連接

1.1、直流匹配
LVDS直接是可以直接連接的,不論是2.5V還是3.3V,無非是否在外部再放一個100歐姆匹配電阻。端接電阻要靠近接收端輸入引腳!!!

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內置100Ω端接電阻的連接方式

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外接100Ω端接電阻的連接方式

1.2、交流匹配
如果接收器輸入端內置直流偏置,交流匹配也就是帶不帶100歐姆匹配的問題。

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內置100Ω端接電阻的連接方式

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外接100Ω端接電阻的連接方式

如果芯片沒有內置直流偏置電壓,就需要外接電阻到參考電壓(1.2V)。為了支持傳輸線上的長0和長1數據序列,耦合電容的值不能太小,一般取0.1uF。C1、C2盡量靠近接收端放置,但不用像端接電阻那樣緊貼輸入管腳。

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2、CML到CML的連接

CML到CML之間連接分兩種情況,當收發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,這時不需加任何器件;當收發兩端器件采用不同電源時,一般要考慮交流耦合,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情況出現時,接收端差分電壓變小。

2.1、直流匹配
如果接收器的輸入有內置匹配,如果接收器與發送器之間采用相同的VCC電源,CML驅動器輸出可以直流耦合到CML接收器輸入,無需額外的元件,可以直連。

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直流匹配——直連

如果接收器的輸入沒有內置匹配,則需要在終端並接100歐姆匹配電阻。

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直流匹配——100歐姆匹配

如果接收器的輸入沒有內置匹配,也可以通過在終端上拉50歐姆匹配電阻進行互連。

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直流匹配——50歐姆上拉匹配

2.2、交流匹配
如果接收器與發送器采用不同的電源,系統需要用交流耦合方式。交流耦合情況下,耦合電容應足夠大,以避免信號包含一長串相同數字時導致過大的低頻衰減。

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交流匹配——直連

如果接收器的輸入沒有內置匹配,則需要在終端並接100歐姆匹配電阻。

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交流匹配——100歐姆匹配

如果接收器的輸入沒有內置匹配,也可以通過在終端上拉50歐姆匹配電阻。

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交流匹配——50歐姆上拉匹配

3、LVPECL到LVPECL的連接

3.1、直流匹配
3.1.1、50歐姆匹配到參考電壓

最簡單的LVPECL匹配方式就是在接收器的輸入側需要一個參考電壓,參考電壓要比Vcc低2.0V,額外的電源需求會增加電路的復雜度和成本。Vcc-2.0V的偏置電壓是考慮到ECL的14mA在50歐姆上的0.7V壓降,在總線上的中間電平依然是Vcc-1.3V。

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3.1.2、三電阻匹配

一種減少附加成本的方式就是增加一個電阻,兩個50歐姆電阻提供信號匹配,另一個電阻連接到地給這兩個電阻提供直流偏置到VTT。

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3.1.3、四電阻匹配

這是使用最多的LVPECL匹配方式,采用四電阻戴維南匹配。

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四個電阻匹配的計算步驟如下:

a、從阻抗匹配要求可以得出:

R1||R2=50

b、電阻比等於電壓比可以得出:

(R1+R2)/R2=VCC/(VCC-2)

Vcc-2.0V的偏置電壓是考慮到ECL的14mA在等效50歐姆上的0.7V壓降,在總線上的偏置電壓依然是Vcc-1.3V。

於是可以得到:
R1=50*Vcc/(Vcc-2)
R2=25*Vcc

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4個電阻都必須放在離輸入端很近的地方,對PCB布板造成困難。匹配電阻功耗比較大,如果路數很多的話,對單板的功耗來說是一個比較大的問題(靜態電阻很小)。所以,在實際的布板過程中,一般不提倡使用這種電路。

3.1.4、下拉+100歐姆跨接

這是最常用,最簡潔的直流匹配方式,特別適合同電壓PECL之間的對接。

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R1=140~200歐姆(3.3V),R1=270~330歐姆(5V),R2=100歐姆。

R1為輸出門提供偏置電流,R2為交流信號提供匹配。輸入門的直流電平偏置直接利用輸出門的直流電平(Vcc-1.3V),並不需要外來的上下拉電阻來提供。

此匹配電路電阻個數很少,只有3個。只有R2一個電阻必須放在離輸入門比較近的地方,R1放置的地方可以比較隨便,只要不引入過長的線頭(過長的線頭會導致反射)就可以了。PCB布板比較容易處理。這種電路是一個優選電路。

3.1.5、下拉+50歐姆匹配到參考電壓

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3.2、交流匹配
PECL在交流耦合輸出到50Ω的終端負載時,要考慮PECL的輸出端加一直流偏置電阻。PECL的輸出共模電壓需固定在Vcc-1.3V,在選擇直流偏置電阻時僅需該電阻能夠提供14mA到地的通路,這樣R1=(Vcc-1.3V)/14mA。在3.3V供電時,R1=142Ω,5V供電時,R1=270Ω。然而這種方式給出的交流負載阻抗低於50Ω,在實際應用中,3.3V供電時,R1可以從142Ω到200Ω之間選取,5V供電時,R1可以從270Ω到350Ω之間選取,原則是讓輸出波形達到最佳。

R3和R2的選擇應考慮如下幾點:

PECL輸入直流偏壓應固定在Vcc-1.3V;

輸入阻抗應等於傳輸線阻抗;

低功耗;

外圍器件少。

3.2.1、三電阻匹配

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3.2.2、兩電阻+100歐姆跨接

這是最常用,最簡潔的交流匹配方式,也常用於PECL/LVPECL/2.5VPECL之間的對接,推薦使用。

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R1=140~200歐姆,屬於直流偏置電阻。

C1為耦合電容,可以放在線上的任何一個地方,不一定在源端,也不一定要在末端。

R4=100歐姆,屬於交流匹配電阻,一定要放在末端。

R2、R3為K級別的電阻,必須滿足R3/(R2+R3)=(VCC-1.3V)/VCC的比值就可以了,這兩個電阻是為輸入端提供直流電平,所以對PCB上的位置沒有特殊要求,只需要不引入長線頭就可以了。

對於交流耦合來說,阻容器件的個數算是比較少的了;只對一個電阻的位置(R4)有要求,其他的沒有要求;功耗也比較小。這種電路還帶來另外一個優點,那就是當LVPECL輸出沒有交流信號的時候,那么輸入端卻可以依靠100歐姆的電阻,使得P/N維持一個電壓差,從而保證輸入端的穩定。

3.2.3、四電阻匹配

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3.2.4、五電阻匹配

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此處有了100歐姆電阻,R2和R3只是提供直流偏置而已,阻值需要選大一些,從而保證R2||R3||(R4/2)基本上還是50歐姆。

3.3V情況下可以選擇R2=2.2K,R3=3.3K,參考電壓為大約為2V(Vcc-1.3V)。

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兩個50Ω電阻中點接入一電容,是為了消除差分線上信號偏移而產生的共模噪聲(2個50Ω是差模阻抗匹配,VBB電容是共模濾波電容)。

以上是針對兩個同種類型邏輯電平之間的互連。

 


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