电平信号及接口电路.docx
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1、电平信号及接口电路摘要:介绍了目前数字信号设计中,IC 芯片常用电平的原理、应用及各种电平信号相互转换的实现方法, PCB布线技巧等。关键词: TTL、 CMOS、 ECL、 PECL、 LVPECL、 LVDS、 CML概述随着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。从目前发展来看, 芯片主要有以下几种接口电平:TTL(LVTTL )、CMOS 、ECL 、PECL 、LVPECL、LVDS 等,其中 PECL 、LVPECL、LVDS 主要应用在 高速芯片 的接口, 不同电平间是不能直接互连的,需要相应的电平转换电路和转换芯片,了解各种电平的结构及性能
2、参数对分析电路是十分必要有益的, 本文正是从各种电平信号的性能参数开始,结合参考资料对电平信号的互连进行介绍。4.0VPECL (+5.2V)3.0VCMOS (+5V)2.5V2.0VLVPECL (+3.3V)1.5V1.0VTTL, LVTTL0.5V(+5V, +3.3V)LVDS(+3.3V)-0.5V-1.0VECL, LVECL-1.5V(-5.2V, -3.3V)图 1 常用电平信号图 1 展示了各种电平信号的差异 : 方波的振幅表示逻辑高低电平值, 括号中的电压值表示电源电压值。下面先介绍一下电路的相关基本概念:(1)输出高电平(VOH ):逻辑电平为1 的输出电压,相应的输
3、出电流用I OH 表示。(2)输出低电平(VOL ):逻辑电平为0 的输出电压,相应的输出电流用I OL 表示。(3)输入高电平(VIH ):逻辑电平为1 的输入电压,相应的输入电流用IIH 表示。(4)输入低电平(VIL ): 逻辑电平为0 的输入电压,相应的输入电流用I IL 表示。( 5)关门电平( V OFF):保证输出为标准高电平V SH(出厂时厂家给出)的条件下所允许的最大输入低电平值。( 6)开门电平( V ON ):保证输出为标准低电平 V SL(出厂时厂家给出)的条件下所允许的最小输入高电平值。( 7)低电平噪声容限( V NL ):是保证输出高电平的前提下,允许叠加在输入低
4、电平上的最大噪声电压,其数值为关门电平 V OFF 与输入最小低电平的差值。( 8)高电平噪声容限( V NH ):是保证输出低电平的前提下,允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压,其数值为输入最大低电平与开门电平V ON 的差值。(9) 输出差分信号1. TTL 电路与 CMOS 电路1.1TTL 电路TTL 电路是晶体管 -晶体管逻辑电路的英文缩写 ( Transister-Transister-Logic ),是数字集成电路的一大门类。它采用双极型工艺制造,具有高速度低功耗和品种多等特点。(输入端和输出端都用三极管的电路,是一种饱和型电路,开关速度较高),电源电压Vcc = +5V 。当V
5、cc= +3.3V 时,称作 LVTTL 电路。 从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品。第一代 TTL 包括 SN54/74 系列,(其中54 系列工作温度为 - 55 +125 ,74 系列工作温度为 0 +75),低功耗系列简称lttl ,高速系列简称HTTL。第二代 TTL 包括肖特基箝位系列( STTL)和低功耗肖特基系列(LSTTL)。第三代为采用等平面工艺制造的先进的STTL(ASTTL)和先进的低功耗 STTL( ALSTTL)。由于 L STTL 和 ALSTTL的电路延时功耗积较小, STTL和 ASTTL速度很快,因此获得了广泛的应用。各类 TTL 门电路的基本
6、性能:系列延时 (ns)功耗 (mw)第标准54/741010一低功耗54L/74L331代高速54H/74H622第STTL54S/74S320二LSTTL54LS/74LS9.52代第ASTTL54AS/74AS1.522三ALSTTL54ALS/74ALS41代1.2CMOS 电路CMOS 电路 (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)即互补金属氧化物半导体。采用该工艺大大提高了电路的集成度。CMOS集成电路主要由场效应管构成,包括P 沟道MOS ,N 沟道MOS , 互补MOSCMOS集成电路。具有功耗低、工作电源电压范围
7、宽(5 15V )、抗干扰能力强,逻辑摆幅大以及输入阻抗高、扇出能力强等特点,在低功耗场合得到及广泛的应用。当电源电压为 +3.3V 时称为 LVCMOS 电路。普通 CMOS 门电路产品为 HC 系列(如两输入与门: 74HC08 )。TTL与CMOS电路主要应用在对速度要求不是太高(速度小于50M )的情况下。下表是TTL的输入输出电平参数(VCC=5V, 3.3V )VOH (V )VOL (V )VIHVIL最小值最大值最小值最大值最小值最大值下表是TTLLVTTLCMOS2.40.42.02.40.42.05.5-0.5的输入输出电平参数(VCC=2.0V/3.0V/4.5V/6V)
8、0.80.8VCCVOH (V ) VOL (V ) VIHVIL最小值最大值最小值最大值2.0V1.90.11.50.53.0V2.480.262.10.94.5V3.980.263.151.356.0V5.480.264.21.8(该表是某CMOS 器件的特性参数,具体参数应该相应参考器件手册)2. ECL 、 PECL 、LVPECL 接口电路21 ECL/PECL 电路211ECL 电路是 ECL 电路是射极耦合逻辑( Emitter Couple Logic )集成电路的简称。与TTL电路不同, ECL 电路的最大特点是其基本门电路工作在非饱和状态所以, ECL 电路的最大优点是具有
9、相当高的速度这种电路的平均延迟时间可小至200ps以下,工作频率高达 3GHz 。输入极是差动放大电路, 输出极是共集极放大,用来放大输出电流及降低输出阻抗。所有逻辑电平都是以Vcc为零点。2 1 2电路结构及工作原理电路结构及工作原理与其它数字集成电路一样,ECL集成电路的逻辑功能也可以归结为基本门电路的工作过程。ECL 集成电路的基本门为一差分管对,其电路形式如右图所示:图中第 I 部分为基本门电路,完成“或/ 或非”功能;第 II 部分为射级跟随器,完成输出及隔离功能;第 III 部分为基准源电路具有温度补偿功能。2 1 3ECL 电平特点:ECL 信号采用负电压供电,电源电压 Vcc
10、为 0V 。具有较低的电压摆幅(即差分电压):典型值为0.8V, 工作电压范围:2 2. 4PECL( LVPECL)电平的原理-0.8到-1.6 V 。PECL ( Positive ECL ) 是由 ECL 发展而来, 采用正电源供电, 即 V CC =+5V , V EE = GND 。较 ECL 电路更方便使用。 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 的串性或并行连接。 PECL 标准最初有 MOTOROLA 公司提出,经过很长一段时间才在电子工业界推广开。LVPECL (Low Voltage ECL)电路是目前使用更广泛的新一代低电压供电的ECL
11、电路。与PECL 电路的基本不同是:V CC =+3.3V供电, V EE = GND 。输出结构图 2是PECL ( LVPECL )电路的输出结构,包含一个差分对和一对射随器。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。 如 Vcc=0V, 把地接到电源 Vee=-5.2V,就构成了 ECL电路。标准的输出负载是 50? 至Vcc-2V 的电平上, 如图 2 中所示,在这种负载条件下, OUT+ 与 OUT- 的静态电平典型值为 Vcc-1.3 V,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
12、的驱动能力,但当负载与 PECL 的输出端之间有一段传输线时,低的阻抗造成的失配将导致信号时域波形的振铃现象。图 2 PECL ( LVPECL )输出结构输入结构PECL( LVPECL )输入结构如图 3 所示,它是一个具有高输入阻抗的差分对。该差分对共膜输入电压需偏置到 Vcc-1.3V 这样允许的输入信号电平动态最大。一般有两种结构。一种是在芯片上已加有偏置电路,另一种则需要外加直流偏置。图 3 PECL(LVPECL) 输入结构PECL/LVPECL/ECL典型参数如下表符号参数LVPECLPECLECL单位V CC+3.3+5.0GNDVV EEGNDGND5.2, 4.5 or
13、3.3VV OH最小输出高电平2.2753.9751.030VV OH典型输出高电平2.3454.0450.955VV OH最大输出高电平2.4204.1200.880VV OL最小输出低电平1.4903.1901.810VV OL典型输出低电平1.5953.2951.705VV OL最大输出低电平1.6803.3801.620VI ot典型输出电流1414mAIoh最大输出电流2525mAV OD最小输出差分电压750mVV ID最小输入差分电压200mV3. LVDS 接口电路LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一种 低摆幅的差分信号技术。它使
14、得信号能在差分 PCB 线对或平衡电缆上以几百 Mbps 的速率传输。LVDS是电流模式驱动输出,可以产生很低的噪声和提供非常低的功耗,电流模式驱动的优点 有: 1.不易于振铃和产生切换尖锋信号;2. 共摸噪声能被接受端抑制其低摆幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。LVDS输入共模电压的偏置范围较广,支持 0 2.4V 的电压范围。 输入差分电压 ( 摆幅 ) 的典型值为200mV。随差分电压的增大,能接受的共模电压幅度减小。以National Semiconductor 公司的DS90LV032芯片为例: 当差分电压为 200mV时,共模电压范围为0.10 2.3V; 当差分电压为 40
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