PECL,LVDS,CML接口电平的讨论

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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 - 0.8 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 ?A 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之间采用交流耦合方式连接时(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。