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差分逻辑电平LVDS、xECL、CML、HCSL、LPHCSL、TMDS等.pdf
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更新于2023-05-25
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差分逻辑电平,LVDS、xECL、CML、HCSL/LPHCSL、TMDS等
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差分逻辑电平,LVDS、xECL、CML、HCSL/LPHCSL、TMDS 等
本篇主要介绍常用的差分逻辑电平,包括 LVDS、xECL、CML、HCSL/LPHCSL、TMDS
等。
1、LVDS 电平
LVDS 器件是近年来 National Semiconductor 公司发展的一种高速传输芯片,它的传输机制
是把 TTL 逻辑电平转换成低电压差分信号,以便于高速传输。与传统的 ECL 逻辑相比,
它采用 CMOS 工艺,它的电压摆幅更低,只有 400mV,ECL 为 800mV,动态功耗更小,
(输出电流 3~5mA)只有 ECL 电路的 1/7(相同的数据传输量),低 EMI,价格更低,因而
具有很大的优势,从 97-98 年首先在欧洲开始得到应用。
ANSI/TIA/EIA-644 是由 TR30.2 制定的,这个标准定义了收发器的输入输出阻抗,但是这
仅仅是一个电气特性标准。其并不包括功能性和协议规格,完全是应用独立的。
ANSI/TIA/EIA-644 打算通过使用别的协议来完善整个接口功能。这使的这个标准在很多方
面便于实现。在标准中推荐的最大操作速率是 655Mbps,理论最大使用速率是 1.923Gbps。
传输速率与使用的介质损耗有关。这个标准同时也说明了最低的介质要求、接收端的
fail-safe 电路、多路操作等。
IEEE 1596.3 SCI-LVDS 被定义为 SCI 的一个子集,在 IEEE 1596.3 中有详细说明。SCI-LVDS
说明了应用于高速/低功耗物理接口的电气规范,同时也定义了用于 SCI 数据传输的包交换
的编码格式。SCI-LVDS 在特定的条件下也支持高速的 RAMLINK 传输。

SCI-LVDS 同 TIA 除了在一些电气要求和负载条件有差别,在别的方面十分相似。两个标
准支持相似的驱动输出电平,接收门限电平,数据传输速率。在两个标准中 TIA 的应用更
为普遍,同时 TIA 也支持多负载情况。
其中发送端是一个约为 3.5mA 的电流源,产生的 3.5mA 的电流通过差分线的其中一路到接
收端。接收端输入阻抗很高(对于直流表现为高阻),因此驱动器输出的大部分电流通过
接收端的 100 欧姆的匹配电阻产生 350mA 的电压(100 欧姆端接电阻有两个作用:一是用
于实现电流向电压的转化,二是用于实现阻抗匹配),同时电流经过差分线的另一条流回
发送端。当发送端进行状态变化时它通过改变流经电阻的电流的方向产生有效的‘0’和‘1’
态。
LVDS 的主要特性如下:
低摆幅:约为 350mV,低电流驱动模式意味着可以实现高速传输,ANSI/TIA/EIA-644 标
准中推荐的最大操作速率是 655Mbps,理论最大使用速率是 1.923Gbps。
低功耗:恒流源电流驱动,把输出电流限制到约 3.5mA 左右,使跳变期间的尖峰干扰最小,
因而产生的功耗非常小。
具有相对较慢的边沿速率(dV/dt 约为 0.3V/0.3ns,即 1V/ns),同时采用差分传输形式,
使其信号噪声和 EMI 都大为减少,同时具有较强的抗干扰能力。
LVDS 的应用模式主要有以下四种:
单向点对点。
双向点对点,通过一对双绞线实现双向的半双工通信,可以由标准的 LVDS 驱动器和接收
器构成,但更好的办法是采用总线 LVDS 驱动,即 BLVDS,是为总线两端都接负载设计
的。
多分支形式,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
用该种形式。

多点结构,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
权都需要根据不同的应用场合,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 年推出了 MLVDS(Multipoint LVDS)标准
ANSI/TIA/EIA 899-2001。
LVDS 的应用需关注一下几点:
由于输入信号电平范围为 0~2.4V,而差分对摆幅最大值为 454mV,因此输入端允许信号
上携带的直流偏置电平范围为 0.227~2.173V,当不满足此要求时,应采取交流耦合。
接收端对输入差分对信号摆幅的要求时 100mV。
100Ω 端接电阻的作用:一是用于实现电流向电压的转化,二是用于实现阻抗匹配。如果接
收端内置端接则不需要。
空闲输入引脚应悬空,以防引入噪声;空闲输出引脚应悬空,以减小功耗。
1.1、LVDS 接口输入原理
LVDS 输入结构如下图所示,输入差分阻抗为 100Ω,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 SCHMITT 触发器。SCHMITT 触发器为防止不稳定,设计有一定的回滞特性,SCHMITT
后级是差分放大器。
LVDS 的输入门与其他输入门有一个显著的特点,前面有一个类似于直流电平漂移适配电
路(adaptive level shifter),这个电路能够适应直流电平(common-mode voltage)的变化
的,使得输入直流电平变化范围可以很宽(0.2V~2.2V,一般为 1.2V)。也正因为这样,
LVDS 比其他信号有更强的共模抗干扰能力。
LVDS
输入结构
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