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    数字电平标准 [部分转帖]

    下面总结一下各电平标准。和有需要的人共享一下^_^.
    现在常用的电平标准有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等,还有一些速度比较高的 LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等。下面简单介绍一下各自的供电电源、电平标准以及使用注意事项。

    TTL:Transistor-Transistor Logic 三极管结构。
    Vcc:5V;VOH>=2.4V;VOL<=0.5V;VIH>=2V;VIL<=0.8V。
    因为2.4V与5V之间还有很大空闲,对改善噪声容限并没什么好处,又会白白增大系统功耗,还会影响速度。所以后来就把一部分“砍”掉了。也就是后面的LVTTL。
    LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL)。

    3.3V LVTTL
    Vcc:3.3V;VOH>=2.4V;VOL<=0.4V;VIH>=2V;VIL<=0.8V。

    2.5V LVTTL
    Vcc:2.5V;VOH>=2.0V;VOL<=0.2V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。
    更低的LVTTL不常用就先不讲了。多用在处理器等高速芯片,使用时查看芯片手册就OK了。

    TTL使用注意:
         TTL电平一般过冲都会比较严重,可能在始端串22欧或33欧电阻;               
         TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。
         TTL输出不能驱动CMOS输入。

    CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor   PMOS+NMOS。
    Vcc:5V;VOH>=4.45V;VOL<=0.5V;VIH>=3.5V;VIL<=1.5V。
    相对TTL有了更大的噪声容限,输入阻抗远大于TTL输入阻抗。对应3.3V LVTTL,出现了LVCMOS,可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动。

    3.3V LVCMOS
    Vcc:3.3V;VOH>=3.2V;VOL<=0.1V;VIH>=2.0V;VIL<=0.7V。

    2.5V LVCMOS
    Vcc:2.5V;VOH>=2V;VOL<=0.1V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。

    CMOS使用注意:CMOS结构内部寄生有可控硅结构,当输入或输入管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)时,电流足够大的话,可能引起闩锁效应,导致芯片的烧毁。

    ECL:Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑电路(差分结构)
    Vcc=0V;Vee:-5.2V;VOH=-0.88V;VOL=-1.72V;VIH=-1.24V;VIL=-1.36V。
    速度快,驱动能力强,噪声小,很容易达到几百M的应用。但是功耗大,需要负电源。为简化电源,出现了PECL(Positive ECL结构,改用正电压供电)和LVPECL。

    什么是ECL?

     

        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。

     

     

     

     


    图1



    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,其电路形式如下图所示:

     

     

    • 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。

    ECL 集成电路的特点

    • 在正常工作状态下,ECL电路中的晶体管是工作于线性区或截止区的。因此,ECL集成电路被称为非饱和型逻.
    • 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。

    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。

      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。输出采用交流耦合还是直流耦合,对负载网络的形式将会提出不同的需求。直流耦合的接口电路有两种工作模式:其一,对应于近距离传送的情况,采用发送端加到地偏置电阻,接收端加端接电阻模式;其二,对应于较远距离传送的情况,采用接收端通过电阻对提供截止电平VTT 和50 Ω的匹配负载的模式。以上都有标准的工作模式可供参考,不必赘述。对于交流耦合的接口电路,也有一种标准工作模式,即发送端加到地偏置电阻,耦合电容靠近发送端放置,接收端通过电阻对提供共模电平VBB 和50 Ω的匹配负载的模式。

      (P)ECL是高速领域内一种十分重要的逻辑电路,它的优良特性使它广泛应用于高速计算机、高速计数器、数字通信系统、雷达、测量仪器和频率合成器等方面。

    PECL:Pseudo/Positive ECL
    Vcc=5V;VOH=4.12V;VOL=3.28V;VIH=3.78V;VIL=3.64V

    LVPELC:Low Voltage PECL
    Vcc=3.3V;VOH=2.42V;VOL=1.58V;VIH=2.06V;VIL=1.94V


    ECL、PECL、LVPECL使用注意:不同电平不能直接驱动。中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。以上三种均为射随输出结构,必须有电阻拉到一个直流偏置电压。(如多用于时钟的LVPECL:直流匹配时用130欧上拉,同时用82欧下拉;交流匹配时用82欧上拉,同时用130欧下拉。但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右。)

    前面的电平标准摆幅都比较大,为降低电磁辐射,同时提高开关速度又推出LVDS电平标准。
    LVDS:Low Voltage Differential Signaling  
    See: http://hi.baidu.com/hieda/blog/item/7c1b35c294d36b36e4dd3b65.html
    差分对输入输出,内部有一个恒流源3.5-4mA,在差分线上改变方向来表示0和1。通过外部的100欧匹配电阻(并在差分线上靠近接收端)转换为±350mV的差分电平。

    LVDS使用注意:可以达到600M以上,PCB要求较高,差分线要求严格等长,差最好不超过10mil(0.25mm)。100欧电阻离接收端距离不能超过500mil,最好控制在300mil以内。

    下面的电平用的可能不是很多,篇幅关系,只简单做一下介绍。

    CML (Current Mode Logic):是内部做好匹配的一种电路,不需再进行匹配。三极管结构,也是差分线,速度能达到3G以上。只能点对点传输。

           CML电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入和输出是匹配好的,减少了外围器件,适合于更高频段工作。它的输出结构如图5所示。

      CML 接口典型的输出电路是一个差分对形式。该差分对的集电极电阻为50 Ω,输出信号的高低电平切换是靠共发射极差分对的开关控制的。差分对的发射极到地的恒流源典型值为16 mA。假定CML的输出负载为一个50 Ω上拉电阻,则单端CML输出信号的摆幅为VCC~VCC-0.4 V。在这种情况下,差分输出信号摆幅为800 mV。信号摆幅较小,所以功耗很低,CML接口电平功耗低于ECL的1/2,而且它的差分信号接口和 ECL、LVDS电平具有类似的特点。

      CML到CML之间的连接分两种情况:当收发两端的器件使用相同的电源时,CML到CML可以采用直流耦合方式,不用加任何器件;当收发两端器件采用不同电源时,一般要考虑交流耦合, 中间加耦合电容(注意这时选用的耦合电容要足够大,以避免在较长连0 或连1 情况出现时,接收端差分电压变小)。但它也有些不足,即由于自身驱动能力有限,CML更适于芯片间较短距离的连接,而且CML接口实现方式不同用户间差异较大,所以现有器件提供CML接口的数目还不是非常多。

    GTL (Gunning Transceiver Logic):类似CMOS的一种结构,输入为比较器结构,比较器一端接参考电平,另一端接输入信号。1.2V电源供电。
    Vcc=1.2V;VOH>=1.1V;VOL<=0.4V;VIH>=0.85V;VIL<=0.75V
    PGTL/GTL+:
    Vcc=1.5V;VOH>=1.4V;VOL<=0.46V;VIH>=1.2V;VIL<=0.8V

    HSTL (High-Speed Transceiver Logic) : 是主要用于QDR存储器的一种电平标准:一般有V&not;CCIO=1.8V和V&not;&not;CCIO= 1.5V。和上面的GTL相似,输入为输入为比较器结构,比较器一端接参考电平(VCCIO/2),另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度)。

    SSTL (Stub Series Terminated Logic): 主要用于DDR存储器。和HSTL基本相同。V&not;&not;CCIO=2.5V,输入为输入为比较器结构,比较器一端接参考电平1.25V,另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度)。HSTL和SSTL大多用在300M以下。

    RS232和RS485基本和大家比较熟了,只简单说一下:
    RS232采用±12-15V供电,我们电脑后面的串口即为RS232标准。+12V表示0,-12V表示1。可以用MAX3232等专用芯片转换,也可以用两个三极管加一些外围电路进行反相和电压匹配。

    RS485是一种差分结构,相对RS232有更高的抗干扰能力。传输距离可以达到上千米。

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