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各种电平标准的讨论(TTL,ECL,PECL,LVDS、CMOS、CML.......)
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相当高的速度 这种电路的平均延迟时间可达几个毫
微秒甚至亚毫微秒数量级,这使得 ECL 集成电路在高速和超高速数字系统中充当
无以匹敌的角色。
ECL 电路的逻辑摆幅较小(仅约 0.8V ,而 TTL 的逻辑摆幅约为 2.0V
),当电路从一种状态过渡到另一种状 态时,对寄生电容的充放电时间将减少,
这也是 ECL 电路具有高开关速度的重要原因。但逻辑摆幅小,对抗干扰能力不
利。 由于单元门的开关管对是轮流导通的,对整个电路来讲没有“截止”状态,
所以单元电路的功耗较大。
从电路的逻辑功能来看, ECL 集成电路具有互补的输出,这意味着同
时可以获得两种逻辑电平输出,这将大大简化逻辑系统的设计。 ECL 集成电
路的开关管对的发射极具有很大的反馈电阻,又是射极跟随器输出,故这种电
路具有很 高的输入阻抗和低的输出阻抗。射极跟随器输出同时还具有对逻辑信
号的缓冲作用。
在通用的电子器件设备中,TTL 和 CMOS 电路的应用非常广泛。但是面对
现在系统日益复杂,传输的数据量越来越大,实时性要求越来越高,传输距离
越来越长的发展趋势,掌握高速数据传输的逻辑电平知识和设计能力就显得更
加迫切了。
1 几种常用高速逻辑电平
1.1LVDS 电平
LVDS(Low Voltage Dierential Signal)即低电压差分信号,
LVDS 接口又称 RS644 总线接口,是 20 世纪 90 年代才出现的一种数据传输
和接口技术。
LVDS 的典型工作原理如图 1 所示。最基本的 LVDS 器件就是 LVDS
驱动器和接收器。LVDS 的驱动器由驱动差分线对的电流源组成,电流通常为
3.5 mA。LVDS 接收器具有很高的输入阻抗,因此驱动器输出的大部分电流都
流过 100 Ω 的匹配电阻,并在接收器的输入端产生大约 350 mV 的电压。当
驱动器翻转时,它改变流经电阻的电流方向,因此产生有效的逻辑“1”和逻辑
“0”状态。

LVDS 技术在两个标准中被定义:ANSI/TIA/EIA644 (1995 年 11 月通
过)和 IEEE P1596.3 (1996 年 3 月通过)。这两个标准中都着重定义了 LVDS
的电特性,包括:
① 低摆幅(约为 350 mV)。低电流驱动模式意味着可实现高速传输。
ANSI/TIA/EIA644 建议了 655 Mb/s 的最大速率和 1.923 Gb/s 的无失真通道
上的理论极限速率。
② 低压摆幅。恒流源电流驱动,把输出电流限制到约为 3.5 mA 左右,
使跳变期间的尖峰干扰最小,因而产生的功耗非常小。这允许集成电路密度的
进一步提高,即提高了 PCB 板的效能,减少了成本。
③ 具有相对较慢的边缘速率(dV/dt 约为 0.300 V/0.3 ns,即为 1
V/ns),同时采用差分传输形式,使其信号噪声和 EMI 都大为减少,同时也具
有较强的抗干扰能力。
所以,LVDS 具有高速、超低功耗、低噪声和低成本的优良特性。
LVDS 的应用模式可以有四种形式:
① 单向点对点(point to point ),这是典型的应用模式。
② 双向点对点(point to point ),能通过一对双绞线实现双向的半双
工通信。可以由标准的 LVDS 的驱动器和接收器构成;但更好的办法是采用总
线 LVDS 驱动器,即 BLVDS,这是为总线两端都接负载而设计的。
③ 多分支形式(multidrop),即一个驱动器连接多个接收器。当有相同
的数据要传给多个负载时,可以采用这种应用形式。 ④ 多点结构
(multipoint)。此时多点总线支持多个驱动器,也可以采用 BLVDS 驱动器。
它可以提供双向的半双工通信,但是在任一时刻,只能有一个驱动器工作。因
而发送的优先权和总线的仲裁协议都需要依据不同的应用场合,选用不同的软
件协议和硬件方案。

为了支持 LVDS 的多点应用,即多分支结构和多点结构,2001 年新
推出的多点低压差分信号(MLVDS)国际标准 ANSI/TIA/EIA 8992001,规
定了用于多分支结构和多点结构的 MLVDS 器件的标准,目前已有一些
MLVDS 器件面世。
LVDS 技术的应用领域也日渐普遍。在高速系统内部、系统背板互连
和电缆传输应用中,驱动器、接收器、收发器、并串转换器/串并转换器以及其
他 LVDS 器件的应用正日益广泛。接口芯片供应商正推进 LVDS 作为下一代基
础设施的基本构造模块,以支持手机基站、中心局交换设备以及网络主机和计
算机、工作站之间的互连。
1.2ECL 电平
ECL(EmitterCoupled Logic)即射极耦合逻辑,是带有射随输出结构
的典型输入输出接口电路,如图 2 所示。
ECL 电路的最大特点是其基本门电路工作在非饱和状态,因此 ECL 又称
为非饱和性逻辑。也正因为如此,ECL 电路的最大优点是具有相当高的速度。
这种电路的平均延迟时间可达几个 ns 数量级甚至更少。传统的 ECL 以 VCC 为
零电压,VEE 为-5.2 V 电源,VOH=VCC-0.9 V=-0.9 V,VOL=VCC-1.7
V=-1.7 V,所以 ECL 电路的逻辑摆幅较小(仅约 0.8 V)。当电路从一种状态
过渡到另一种状态时,对寄生电容的充放电时间将减少,这也是 ECL 电路具有
高开关速度的重要原因。另外,ECL 电路是由一个差分对管和一对射随器组成
的,所以输入阻抗大,输出阻抗小,驱动能力强,信号检测能力高,差分输出,
抗共模干扰能力强;但是由于单元门的开关管对是轮流导通的,对整个电路来
讲没有“截止”状态,所以电路的功耗较大。
如果省掉 ECL 电路中的负电源,采用正电源的系统(+5 V),可将
VCC 接到正电源而 VEE 接到零点。这样的电平通常被称为 PECL(Positive
Emitter Coupled Logic)。如果采用+3.3 V 供电,则称为 LVPECL。当然,
此时高低电平的定义也是不同的。它的电路如图 3、4 所示。其中,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,而且标
准的输出负载是接 50Ω 至 VCC-2 V 的电平上。
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