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邏輯電平判別電路設計與實現(圖)

ECL(EmitterCoupled?Logic)即射極耦合邏輯,是帶有射隨輸出結構的典型輸入輸出接口電路,如圖2所示。

ECL電路的最大特點是其基本門電路工作在非飽和狀態,因此ECL又稱為非飽和性邏輯。也正因為如此,ECL電路的最大優點是具有相當高的速度。這種電路的平均延遲時間可達幾個ns數量級甚至更少。傳統的ECL以VCC為零電壓,VEE為-5.2?V電源,VOH=VCC-0.9?V=-0.9?V,VOL=VCC-1.7?V=-1.7?V,所以ECL電路的邏輯擺幅較小(僅約0.8?V)。當電路從壹種狀態過渡到另壹種狀態時,對寄生電容的充放電時間將減少,這也是ECL電路具有高開關速度的重要原因。另外,ECL電路是由壹個差分對管和壹對射隨器組成的,所以輸入阻抗大,輸出阻抗小,驅動能力強,信號檢測能力高,差分輸出,抗***模幹擾能力強;但是由於單元門的開關管對是輪流導通的,對整個電路來講沒有“截止”狀態,所以電路的功耗較大。

如果省掉ECL電路中的負電源,采用正電源的系統(+5?V),可將VCC接到正電源而VEE接到零點。這樣的電平通常被稱為PECL(Positive?Emitter?Coupled?Logic)。如果采用+3.3?V供電,則稱為LVPECL。當然,此時高低電平的定義也是不同的。它的電路如圖3、4所示。其中,輸出射隨器工作在正電源範圍內,其電流始終存在。這樣有利於提高開關速度,而且標準的輸出負載是接50Ω至VCC-2?V的電平上。

在使用PECL?電路時要註意加電源去耦電路,以免受噪聲的幹擾。輸出采用交流耦合還是直流耦合,對負載網絡的形式將會提出不同的需求。直流耦合的接口電路有兩種工作模式:其壹,對應於近距離傳送的情況,采用發送端加到地偏置電阻,接收端加端接電阻模式;其二,對應於較遠距離傳送的情況,采用接收端通過電阻對提供截止電平VTT?和50?Ω的匹配負載的模式。以上都有標準的工作模式可供參考,不必贅述。對於交流耦合的接口電路,也有壹種標準工作模式,即發送端加到地偏置電阻,耦合電容靠近發送端放置,接收端通過電阻對提供***模電平VBB?和50?Ω的匹配負載的模式。

(P)ECL是高速領域內壹種十分重要的邏輯電路,它的優良特性使它廣泛應用於高速計算機、高速計數器、數字通信系統、雷達、測量儀器和頻率合成器等方面。?1.3CML電平

CML電平是所有高速數據接口中最簡單的壹種。其輸入和輸出是匹配好的,減少了外圍器件,適合於更高頻段工作。它的輸出結構如圖5所示。

CML?接口典型的輸出電路是壹個差分對形式。該差分對的集電極電阻為50?Ω,輸出信號的高低電平切換是靠***發射極差分對的開關控制的。差分對的發射極到地的恒流源典型值為16?mA。假定CML的輸出負載為壹個50?Ω上拉電阻,則單端CML輸出信號的擺幅為VCC~VCC-0.4?V。在這種情況下,差分輸出信號擺幅為800?mV。信號擺幅較小,所以功耗很低,CML接口電平功耗低於ECL的1/2,而且它的差分信號接口和?ECL、LVDS電平具有類似的特點。

CML到CML之間的連接分兩種情況:當收發兩端的器件使用相同的電源時,CML到CML可以采用直流耦合方式,不用加任何器件;當收發兩端器件采用不同電源時,壹般要考慮交流耦合,?中間加耦合電容(註意這時選用的耦合電容要足夠大,以避免在較長連0?或連1?情況出現時,接收端差分電壓變小)。

但它也有些不足,即由於自身驅動能力有限,CML更適於芯片間較短距離的連接,而且CML接口實現方式不同用戶間差異較大,所以現有器件提供CML接口的數目還不是非常多。

2?各種邏輯電平之間的比較和互連轉化

2.1各種邏輯電平之間的比較

這幾種高速邏輯電平在目前都有應用,但它們在總線結構、功率消耗、傳輸速率、耦合方式等方面都各有特點。為了便於應用比較,現歸納以上三類電平各方面的特點,如表1所列。

2.2各種邏輯電平之間的互連

這三類電平在互連時,首先要考慮的就是它們的電平大小和電平擺幅各不壹樣,必須使輸出電平經過中間的電阻轉換網絡後落在輸入電平的有效範圍內。各種電平的擺幅比較如圖6所示。

其次,電阻網絡要考慮到匹配問題。例如我們知道,當負載是50?Ω接到VCC-2?V?時,LVPECL?的輸出性能是最優的,因此考慮的電阻網絡應該與最優負載等效;LVDS?的輸入差分阻抗為100?Ω,或者每個單端到虛擬地為50?Ω,該阻抗不提供直流通路,這裏意味著LVDS輸入交流阻抗與直流阻抗不等,電阻值的選取還必須根據直流或交流耦合的不同情況作不同的選取。另外,電阻網絡還必須與傳輸線匹配。

另壹個問題是電阻網絡需要在功耗和速度方面折中考慮:既允許電路在較高的速度下工作,又盡量不出現功耗過大。

下面以圖7所示的LVPECL到LVDS的直流耦合連接為例,來說明以上所討論的原則。?

傳輸線阻抗匹配原則:

Z≈R1//(R2+R3)

根據LVPCEL輸出最優性能:

降低LVPECL擺幅以適應LVDS的輸入範圍:Gain=R3/(R2+R3)

根據實際情況,選擇滿足以上約束條件的電阻值,例如當傳輸線特征阻抗為50?Ω時,可取R1=120?Ω,R2=58?Ω,R3=20?Ω即能完成互連。

由於LVDS?通常用作並聯數據的傳輸,數據速率為155?Mbps、622?Mbps或1.25?Gbps;而CML?常用來做串行數據的傳輸,數據速率為2.5?Gbps或10?Gbps。壹般情況下,在傳輸系統中沒有CML和LVDS?的互連問題。

結語

本文粗淺地討論了幾種目前應用較多的高速電平技術。復雜高速的通信系統背板,大屏幕平板顯示系統,海量數據的實時傳輸等等都需要采用新高速電平技術。隨著社會的發展,新高速電平技術必將得到越來越廣泛的應用。

(綜合電子論壇)

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