高速接口电路特性分析

高速接口电路特性分析LVDS/PECL/GTL/LVCMOS/LVTTL 介绍
主要内容
一高速接口电路概述
.
二接口电路介绍
. LVDS
三接口电路介绍
. PECL
四接口电路介绍
. GTL
五接口电路介绍. LVCMOS/LVTTL
六之间的接口问题
. LVDS/PECL
概论
常见的几种高速接口电路
2. :
LVTTL：L ow V oltage TTL
LVCMOS : L ow V oltage CMOS
GTL : G unning T ransceiver L ogic
PECL : P seudo/P ositive E mitter C oupled L ogic LVDS : L ow V oltage D ifferential S ignaling
概论
3. 低电压摆幅在实现高速电路中的地位
it is impossible to raise data rates and lower power consumption without using low voltage swings.
Welcome to LVDS World !
LVDS 是一种采用低压差分信号技术而设计的高速接口电路
Simplified Diagram of LVDS Driver and Receiver
LVDS
目前有两个工业标准：ANSI / TIA / EIA - 644 LVDS IEEE 1596.3 SCI - LVDS
LVDS : Low Voltage Differential Signaling
ANSI/TIA/EIA-644 (LVDS) Standard
IEEE 1596.3 ANSI/TIA/EIA-644 TOSHIBA LVDS Driver :
Vod (mV) 250 ~ 400 250 ~ 450 250 ~ 400
Vos (V) 1.20 1.25 1.20
Ro (ohm) 40 ~ 140 ----------- 40 ~ 60
Receiver :
Rin (ohm) 90 ~ 110 90 ~ 130 80 ~ 120
Vin (V) 0 ~ 2.40 0 ~ 2.40 0 ~ (VDD - 1.4) Vidth (mV) +/- 100 @ 250Mhz+/- 100 +/- 200 @ 600Mhz
+/- 100 @ 300Mhz
Driver and Receiver Electrical Characteristics
部分传输接口标准的驱动电平比较图
Parameter PECL LVDS Differential Driver Output Voltage ±600~1000mV ±250 ~ 450 mV Receiver Input Threshold ± 200~300mV ± 100 mV
Data Rate > 400 Mbps > 400 Mbps Supply Current Quad Driver ( no load , static ) 32 ~ 65 mA ( Max.) 3.0 mA Prop. Delay of Driver 4.5 ns ( Max. ) 3.0 ns
Prop. Delay of Receiver 7.0 ns ( Max. ) 5.0 ns Supply Current Quad Receiver ( no load , static ) 40 mA ( Max. ) 10 mA ( Max. ) Skew ( Driver or Receiver ) 500 ps 400 ps
LVDS / PECL 电参数比较
LVDS接口电路所采用的低电压摆幅，差分信号，电流驱动模式等技术是其性能优越的主要原因：
①低电压摆幅约，差分信号技术使得接口电路具有非常高的传
(350mA)LVDS
输速率，标准建议的最大传输速率是( >400MHz ) ANSI/TIA/EIA-644 LVDS
655MHz 1.923 MHz
，在低损耗传输媒介上，理论上的最大值可以达到。

②低电压摆幅约，电流驱动模式技术使得接口电路的功耗随
(350mA)LVDS
(3.5mA×350mV≈1.2mW)频率的变化极小，几乎可以认为是不变的，而且功耗很低。

③差分信号技术使得噪音对传输的信号影响极小。

差分传输使用的两条线上传输的是极性相反的信号，共模噪音均等地叠加到这两个信号上，但两条线上的电压差并没有改变，而接收器输入端只关心差分信号，因而该噪音的影响就被去掉。

同时，由于差分信号可以抵消掉磁场的影响，从而也可以降低噪音的影响。

④电流驱动模式不容易产生开关尖峰，因而可以进一步降低噪音的影响
LVDS与其它接口电路的主要性能比较
Icc vs Frequency for 5V LVDS/PECL/RS422
高速数据传输通常都意味着快的边沿突变速
率和高的电磁干扰，所具有的特性使
(EMI)LVDS
得大大降低，这些特性主要有：
EMI
①低的输出电压摆幅约为；
(350mV)
②相对低的边沿突变速率，
dV/dt = 0.350V/0.5ns=0.7V/ns；
③差分信号去掉了磁场的影响；
“”( Softoutput corner transitons )
④软输出边角过渡；
⑤小电流工作模式使得的毛刺很小。

Icc
LVDS / PECL Termination Schemes
共模噪音对差分信号的影响
LVDS
除了标准的的接口电路外，IEEE 1596.3 标准还定义了一种特殊的称之为低功耗，这种
LVDS
LVDS LVDS的电压摆幅进一步被降低，定义为：。

这种主要应150 ~ 250 mV LVDS
用在对功耗要求非常高的领域
LVDS 的驱动器和接收器不依赖于
特定的工作电压，可以工作在很宽的工作
电压范围，不仅可以工作在和
5V 3.3V
下甚至可以工作在以下。

而
, 2.5V PECL 接口电路的电参数强烈地依赖与电源电
压。

LVDS 在实际应用中，驱动器首先将TTL/CMOS 信号转换为差分信号，通过传输媒(PCB )介如铜线，板连线等将该差分信号传输到LVDS LVDS 接收器，接收器接收到该信号，将TTL/CMOS 其转换信号。

LVTTL 目前大部分公司都是以接口为主。

Ti SN55LVDS31/32（如的产品）
LVDS : Low Voltage Differential Signaling
LVDS Advantages
LVDS 主要应用领域在点对点的数据传输，目前一些公司也开发了适用于多点之间的数据传输和数据总线的产
LVDS 品，如
:
公司的
TI LVDM ( Low Voltage Differential Multipoint ) ；
National Semiconductor 公司的BLVDS ( Bus LVDS ) 。

LVDS Applications
PECL电路是工作在正电源下的伪ECL电路。

发射极耦合逻辑电路是一种典型的非饱和型电路，其主 ECL ( )
要特点为开关速度高。

其高速的原因主要有：
①电路中的晶体管只工作在截止区和有源区，不进入饱和区，没有存贮效应；
②电路的逻辑摆幅小，各个节点电容的充放电幅度小；③电
ECL
流开关的输入管和定偏管采用差分对的形式；
④内部管子的工作模式接近共基极运用，频率响应好。

电路的平均传输延迟可以做到小于，传输速率可以达到 ECL 1 ns
400Mbps ECL
以上。

除了高速的特点外，电路采用射极跟随器作为输出，其驱动能力很强。

ECL电路有功耗大，对外来噪音抗干扰能力低等缺点
但在工作的时候，流过射极跟随器和
ECL
参考电源的电流是恒定不变的，而流过电流开关
ECL
的电流变化也很小，即电路的电源电流起伏小，这一个特点部分弥补了其抗干扰能力低的缺点。

ECL电路采用负电源工作 V EE = - 5.2 V
V
BB
≈ - 1.30 V，
V
OH ≈ - 0.88 V V
OL
≈ - 1.72 V，
V
IH ≈ - 1.24 V V
IL
≈ - 1.36 V。

PECL : Pseudo/Positive ECL 为什么电路采用负电源
ECL
ECL电路的输入输出电平、内部参考电平均是以电源的高电平一端为参考点，因而高电平的波动（噪音引起）都会均等地反映到这些参数上，只有采用负电源工作，其电参数才能够以地作为参考点。

“”
P E C L : V CC= + 5.0 V V EE= 0 V LVPECL : V CC= + 3.3 V V EE= 0 V
PECL Level = Vcc - | Specification Level | ECL Level
ECL / PECL DC Level Conversion
Termination Techniques for ECL/PECL Devices E C L : V
TT = V
EE
(R1/{R1+R2}) = - 2.0 V
PECL : V
TT = V
CC
(R2/{R1+R2}) = 3.0 V
PECL高速接口电路的差分匹配方式
PECL 接口电路的简单原理图
Parameter PECL LVDS Differential Driver Output Voltage±600~1000mV ±250 ~ 450 mV
± 200~300mV ± 100 mV Receiver Input Threshold200~300mV±100mV
Data Rate > 400 Mbps > 400 Mbps Supply Current Quad Driver ( no load , static ) 32 ~ 65 mA ( Max.) 3.0 mA Prop. Delay of Driver 4.5 ns ( Max. ) 3.0 ns Prop. Delay of Receiver7.0 ns ( Max. ) 5.0 ns Supply Current Quad Receiver ( no load , static )40 mA ( Max. ) 10 mA ( Max. ) Skew ( Driver or Receiver ) 500 ps 400 ps
LVDS / PECL 电参数比较
PECL ECL 虽然在应用中有其优越于的特点，但由于采用了正电源，其性能也受到了一定的影响。

主要表现在输入输出的电压随电源电压的变化而变化，如果有噪音叠加到电源上，该噪音就会在输出端上反映出来，从而影响系统的性能，系统抗干扰的能力进一步下降。

但如果采用差分电路匹配方式，叠加到电源上的噪音就可以看作为共模噪音，而这种共模噪音在差分接收端被过滤掉，不会对系统造成大的干扰。

GTL 接口电路没有采用差分技术，仍然采用单端驱动技术，它采用的是一种低电压开关技术来实现高速的点到点通信。

Typical GTL Input and Output Cells
GTL
上表中未列出接口电路的高电平输出电压OH GTL
，这是由于的高电平输出V
电压取决于驱动器的输出端所接的上拉电平
，即OH≈V TT V
，其典型值为：TT= 1.2 V V 1.2 V.
GTL GTL
与+ :
GTL GTL
和+ 是同一系列高速接口电路，其差别仅在于部分电参数为：
GTL : V
TT = 1.2 V V
REF
= 0.8 V
GTL+: V
TT = 1.5 V V
REF
= 1.0 V
GTL Input and Output Characteristic Impedance
GTL 驱动器的输出为开漏极的输出方式，因此负载V 电阻就是匹配电阻，接在对应的上拉电源TT 上即可。

匹配
时要结合信号幅度，偏置电压等综合考虑。

GTL Power Consumption
在实际应用中，驱动器首先将
GTL
信号转换为信号，通过传输媒介TTL/CMOS GTL
如铜线，板连线等将该信号传输到接收(PCB)GTL 器，接收器接收到该信号，将其转换
GTL
TTL/CMOS信号。

目前大部分公司都是以接口为主。

LVTTL
（如的系列产品）
Ti SN54GTL166XX
LVTTL / LVCMOS
LVCMOS/LVTTL电路是指工作电压为
的高速电路。

在工艺3.3/3.0V CMOS/TTL0.5um
水平下生产的电路，即使外部提供的电源电
CMOS
压是，其内部大部分也是将电压降到
5V5V
3.3/3.0V，甚至更低，即内部电路大部分工作在
以下。

而电路大部分都是采用3.3/3.0V LVTTL
等工艺其它还有诸如
BiCMOS( Advanced CMOS 工艺来实现电路在低电压下高速工作，其输入)TTL
输出特性和兼容。

5V TTL。