逻辑电平--差分信号(PECL、LVDS、CML)电平匹配
由于各种逻辑电平的输入、输出电平标准不一致,所需的输入电流、输出驱动电流也不同,为了使不同逻辑电平能够安全、可靠地连接,逻辑电平匹配将是电路设计中必须考虑的问题。
一、逻辑电平匹配原则
1.1、电平关系,驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围之内,并保证一定的噪声容限(vohmin-vihmin≥0.4v，vilmax-volmax≥0.4v)。
1.2、驱动能力,驱动器件必须能满足负载器件对灌电流、拉电流最大需求。
1.3、时延特性,设计中要充分考虑逻辑电平转换带来的延时，保证数据传输能满足负载器件的时序容限,特别是高速信号。
1.4、上升/下降时间特性,应保证tplh和tphl满足电路时序关系的要求和emc的要求。
1.5、电压过冲要求,过冲不应超出器件允许的电压绝对最大值，否则有可能导致器件损坏。
二、匹配电路分析
2.1、lvds到lvds的连接
lvds的输入与输出都是内匹配的，所以lvds之间可以直接连接,具体可参考：硬件设计:逻辑电平--lvds。
2.2、pecl到pecl的连接
pecl电平的直流偏置电路要求是戴维南等效终端电路为输出负载通过50ω电阻接到vcc-2v的电源上，如图1所示。在这种负载条件下,out+与out-的静态电平典型值为vcc-1.3v，输出电流典型值为14ma。
图1 标准pecl终端
pecl到pecl的连接包括直流耦合和交流耦合两种方式;
图2pecl直流耦合匹配电路
直流耦合的电路连接如图2所示，差分单端线对交流信号的等效电路为连接50ω阻抗到地;直流偏置的等效电路为连接50ω电阻到vcc-2v，且通过50ω电阻的电流为14ma。所以r1、r2满足的公式为：
r1//r2=50交流等效：电压源短路，电流源开路
r2/(r1+r2)=(vcc-2v)/vcc直流等效：14ma电流源与vcc电压源共同作用，使线上电压为vcc-1.3v;当只考虑14ma电流源时，负载为r1//r2，所以输出线路上的电压为0.7v;为满足要求，需要电阻分压为vcc-2v。
综合上面两式：
3.3v情况下：r1=130ωr2=82ω;
5v情况下：r1=82ω r2=130ω;
图3 pecl交流耦合匹配电路
交流耦合的电路连接如图3所示，有a和b两种匹配方式;对于图a的匹配电路分析如下：
1.驱动端
交流：交流信号直接通过电容耦合至后级电路，耦合电容和电阻r1靠近输出端;
直流：r1提供14ma到地的通路，且信号线上的等效电压为vcc-1.3v,即r1=(vcc-1.3v)/14ma;(电源为3.3v时，r1=142ω(一般取142ω~200ω);电源为5v时，r1=270ω)
2.接收端
交流：r2//r3的等效电阻为50ω;
直流：分压电路使线上电压偏压到vcc-1.3v，即r3*vcc/(r2+r3)=vcc-1.3v;
计算得：r2=50vcc/(vcc-1.3v)r3=50vcc/1.3v;
3.3v情况下：r2=82ωr3=130ω;
5v情况下：r2=68ωr3=180ω;
图b的匹配电路分析如下：
1.驱动端
交流：交流信号直接通过电容耦合至后级电路，耦合电容和电阻r1靠近输出端;
直流：r1提供14ma到地的通路，且信号线上的等效电压为vcc-1.3v,即r1=(vcc-1.3v)/14ma;(电源为3.3v时，r1=142ω(一般取142ω~200ω);电源为5v时，r1=270ω)
2.接收端
交流：r2//r3//50的等效电阻约为50ω;
直流：分压电路使线上电压偏压到vcc-1.3v，即r3*vcc/(r2+r3)=vcc-1.3v;
所以r2和r3通常选如下值：3.3v情况下：r2=2.7kr3=4.3k;
5v情况下：r2=2.7kr3=7.8k;
2.3、lvpecl到cml的连接
lvpecl到cml的连接包括直流耦合和交流耦合两种方式，交流耦合的方式如图4所示;
图4 lvpecl到cml的交流耦合方式
1.驱动端
驱动端的直流偏置电路和pecl和pecl的交流耦合情况一样，所以r的取值为142ω~200ω;
如果lvpecl的输出信号摆幅大于cml的接收范围(lvpecl输出摆幅为600~1000mv,cml输入摆幅为400~1000mv)，可以在信号通道上串一个25ω的电阻，这时cml输入端的电压摆幅变为原来的0.67倍,比例关系计算可参考硬件设计--阻抗匹配。
2.接收端
由于cml接收器内部一般包含50ω的匹配电阻，所以耦合电容输出端直连cml接收器。
图5 lvpecl到cml直流耦合电平转换网络
lvpecl到cml的直流耦合方式如图5所示，在lvpecl到cml的直流耦合方式中需要一个电平转换网络，该电平转换网络的作用是匹配lvpecl的输出与cml的输入共模电压。一般要求该电平转换网络引入的损耗要小，以保证lvpecl的输出经过衰减后仍能满足cml的输入灵敏度的要求;另外还要求自lvpecl端看到的负载阻抗近似50ω，所以有以下方程式：
计算结果为：r1=170ωr2=82.5rr3=450ω;
增益要求取决于芯片，当芯片输入灵敏度要求为20mv时，20mv/400mv=0.05;
2.4、cml到lvpecl的连接
cml到lvpecl的连接基本上都是采用交流耦合的方式，如图6所示，电阻网络计算方式可参考2.2小节。
图6 cml到lvpecl交流耦合方式
当lvpecl有内部偏置时，匹配电路可设计如图7所示。
图7 cml到lvpecl交流耦合方式(lvpecl带内部偏置)
2.5、lvpecl到lvds的连接
lvpecl到lvds的连接方式有直流耦合和交流耦合两种方式，其中lvpecl到lvds的直流耦合方式需要一个电阻网络，如图8所示，设计该网络时需考虑：
1.lvpecl的最优输出负载为50ω接到vcc-2v;
2.电阻网络引入的衰减不应太大，lvpecl输出信号经衰减后仍能落在lvds的有效范围内;
3.lvds的输入差分阻抗为100ω，或者单端到虚拟地为50ω(该阻抗不提供直流通路);
图8 lvpecl到lvds直流耦合电平转换网络
要完成lvpecl到lvds的逻辑转换，需要满足如下方程式：
计算结果得：r1=182ωr2=48ωr3=48ωva=1.14vrac=51.8ωrdc=62.8ωgain=0.337;
所以得到lvpecl到lvds直流耦合连接如图9所示。
图9 lvpecl到lvds的连接
lvpecl到lvds的交流耦合如图10所示，lvpecl的输出端到地需加直流偏置电阻(142ω~200ω)，同时信号通道上一定要串接50ω的电阻，以提供一定衰减。lvds的输入端到地需加5k的电阻，以提供近似0.86v的共模电压(lvds输入端并联100ω电阻，对于交流来说没有地电平，只有虚拟地电平，所以加5k电阻到地，确定实际地电平)。
图10 lvpecl到lvds交流耦合方式
2.6、lvds到lvpecl的连接
lvds到lvpecl的连接方式有直流耦合和交流耦合两种方式,当采用直流耦合方式时，需要增加一个电阻网络，用于完成直流电平的转换，如图11所示，设计该网络时需考虑：
1.lvds输出电平为1.2v，lvpecl的输入电平为vcc-1.3v;
2.lvds的输出是以地为基准，而lvpecl的输入是以电源为基准，这要求考虑电阻网络时应注意lvds的输出电位不应对供电电源敏感;
3.需要折中考虑功耗和速度，如果电阻值取的较小，可以允许电路在更高的速度下工作，但功耗较大，lvds的输出性能容易受电源的波动影响;
4.考虑电阻网络与传输线的阻抗匹配问题;
图11 lvds到lvpecl直流耦合方式
要完成lvds到lvpecl的逻辑转换，需要满足如下方程式：
计算结果得：r1=406ωr2=270ωr3=440ωrin=50ωgain=0.62;
但考虑到避免非常用料的使用，所以最终取值可选择：r1=402ωr2=270ωr3=442ωrin=49.9ωgain=0.62;
lvds的最小差分输出信号摆幅为500mv,而经过上述转换网络后加到lvpecl输入端的信号摆幅变为310mv,虽然该幅度低于lvpecl的输入标准，但是对于绝大数lvpecl电路来说，该幅度是足够的。
lvds到lvpecl的交流耦合方式主要有图12中三种方式，在耦合电容前完成阻抗匹配然后给lvpecl增加直流偏置，或者直流偏置和阻抗匹配在一起，具体计算方式可参考2.2小节。
图12 lvds到lvpecl交流耦合方式
2.7、cml到lvds的连接
一般情况下，在光传输系统中没有cml和lvds的互连问题，因为lvds通常是作并联数据的传输，数据速率为155mhz，622mhz或1.25ghz;而cml常用来做串行数据的传输，数据速率为2.5ghz或10ghz。
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加密芯片的原理/功能/结构/作用
DEKRA德凯电池标准IEC 62133-2最新版本问题整理
展望2019年全球半导体行业的发展趋势和可能性
粮食重金属检测仪的特点介绍
逻辑电平--差分信号(PECL、LVDS、CML)电平匹配
让操作系统更“懂行”，拓维信息旗下开鸿智谷亮相2022华为开发者大会
基于分布式控制的MVBC总线物理层接口的帧收发器产品设计
NE555构成的不间断电源蓄电池电压监控器,NE555 Battery voltage monitoring circuit
动力电池回收中间环节仍有漏洞 需不断完善
网络隔离变压器的选型
烽火通信研究认为我国将来的海缆系统建设需从四个方面入手
笔记本屏幕保护几个容易忽略的地方
便利性已成为了智能锁市场增长的主要驱动力
EMC设计时为什么需要进行屏蔽设计
腾达分布式路由nova MW6，WiFi覆盖能力强劲，网速一键控制
一文解析工业网络QoS的原理、作用
转为有源箝位正激式转换器拓扑而优化的PWM控制器
防止配电变压器烧坏的措施
总投资35亿！奥松半导体项目落户西部（重庆）科学城
一、逻辑电平匹配原则
1.1、电平关系,驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围之内,并保证一定的噪声容限(vohmin-vihmin≥0.4v，vilmax-volmax≥0.4v)。
1.2、驱动能力,驱动器件必须能满足负载器件对灌电流、拉电流最大需求。
1.3、时延特性,设计中要充分考虑逻辑电平转换带来的延时，保证数据传输能满足负载器件的时序容限,特别是高速信号。
1.4、上升/下降时间特性,应保证tplh和tphl满足电路时序关系的要求和emc的要求。
1.5、电压过冲要求,过冲不应超出器件允许的电压绝对最大值，否则有可能导致器件损坏。
二、匹配电路分析
2.1、lvds到lvds的连接
lvds的输入与输出都是内匹配的，所以lvds之间可以直接连接,具体可参考：硬件设计:逻辑电平--lvds。
2.2、pecl到pecl的连接
pecl电平的直流偏置电路要求是戴维南等效终端电路为输出负载通过50ω电阻接到vcc-2v的电源上，如图1所示。在这种负载条件下,out+与out-的静态电平典型值为vcc-1.3v，输出电流典型值为14ma。
图1 标准pecl终端
pecl到pecl的连接包括直流耦合和交流耦合两种方式;
图2pecl直流耦合匹配电路
直流耦合的电路连接如图2所示，差分单端线对交流信号的等效电路为连接50ω阻抗到地;直流偏置的等效电路为连接50ω电阻到vcc-2v，且通过50ω电阻的电流为14ma。所以r1、r2满足的公式为：
r1//r2=50交流等效：电压源短路，电流源开路
r2/(r1+r2)=(vcc-2v)/vcc直流等效：14ma电流源与vcc电压源共同作用，使线上电压为vcc-1.3v;当只考虑14ma电流源时，负载为r1//r2，所以输出线路上的电压为0.7v;为满足要求，需要电阻分压为vcc-2v。
综合上面两式：
3.3v情况下：r1=130ωr2=82ω;
5v情况下：r1=82ω r2=130ω;
图3 pecl交流耦合匹配电路
交流耦合的电路连接如图3所示，有a和b两种匹配方式;对于图a的匹配电路分析如下：
1.驱动端
交流：交流信号直接通过电容耦合至后级电路，耦合电容和电阻r1靠近输出端;
直流：r1提供14ma到地的通路，且信号线上的等效电压为vcc-1.3v,即r1=(vcc-1.3v)/14ma;(电源为3.3v时，r1=142ω(一般取142ω~200ω);电源为5v时，r1=270ω)
2.接收端
交流：r2//r3的等效电阻为50ω;
直流：分压电路使线上电压偏压到vcc-1.3v，即r3*vcc/(r2+r3)=vcc-1.3v;
计算得：r2=50vcc/(vcc-1.3v)r3=50vcc/1.3v;
3.3v情况下：r2=82ωr3=130ω;
5v情况下：r2=68ωr3=180ω;
图b的匹配电路分析如下：
1.驱动端
交流：交流信号直接通过电容耦合至后级电路，耦合电容和电阻r1靠近输出端;
直流：r1提供14ma到地的通路，且信号线上的等效电压为vcc-1.3v,即r1=(vcc-1.3v)/14ma;(电源为3.3v时，r1=142ω(一般取142ω~200ω);电源为5v时，r1=270ω)
2.接收端
交流：r2//r3//50的等效电阻约为50ω;
直流：分压电路使线上电压偏压到vcc-1.3v，即r3*vcc/(r2+r3)=vcc-1.3v;
所以r2和r3通常选如下值：3.3v情况下：r2=2.7kr3=4.3k;
5v情况下：r2=2.7kr3=7.8k;
2.3、lvpecl到cml的连接
lvpecl到cml的连接包括直流耦合和交流耦合两种方式，交流耦合的方式如图4所示;
图4 lvpecl到cml的交流耦合方式
1.驱动端
驱动端的直流偏置电路和pecl和pecl的交流耦合情况一样，所以r的取值为142ω~200ω;
如果lvpecl的输出信号摆幅大于cml的接收范围(lvpecl输出摆幅为600~1000mv,cml输入摆幅为400~1000mv)，可以在信号通道上串一个25ω的电阻，这时cml输入端的电压摆幅变为原来的0.67倍,比例关系计算可参考硬件设计--阻抗匹配。
2.接收端
由于cml接收器内部一般包含50ω的匹配电阻，所以耦合电容输出端直连cml接收器。
图5 lvpecl到cml直流耦合电平转换网络
lvpecl到cml的直流耦合方式如图5所示，在lvpecl到cml的直流耦合方式中需要一个电平转换网络，该电平转换网络的作用是匹配lvpecl的输出与cml的输入共模电压。一般要求该电平转换网络引入的损耗要小，以保证lvpecl的输出经过衰减后仍能满足cml的输入灵敏度的要求;另外还要求自lvpecl端看到的负载阻抗近似50ω，所以有以下方程式：
计算结果为：r1=170ωr2=82.5rr3=450ω;
增益要求取决于芯片，当芯片输入灵敏度要求为20mv时，20mv/400mv=0.05;
2.4、cml到lvpecl的连接
cml到lvpecl的连接基本上都是采用交流耦合的方式，如图6所示，电阻网络计算方式可参考2.2小节。
图6 cml到lvpecl交流耦合方式
当lvpecl有内部偏置时，匹配电路可设计如图7所示。
图7 cml到lvpecl交流耦合方式(lvpecl带内部偏置)
2.5、lvpecl到lvds的连接
lvpecl到lvds的连接方式有直流耦合和交流耦合两种方式，其中lvpecl到lvds的直流耦合方式需要一个电阻网络，如图8所示，设计该网络时需考虑：
1.lvpecl的最优输出负载为50ω接到vcc-2v;
2.电阻网络引入的衰减不应太大，lvpecl输出信号经衰减后仍能落在lvds的有效范围内;
3.lvds的输入差分阻抗为100ω，或者单端到虚拟地为50ω(该阻抗不提供直流通路);
图8 lvpecl到lvds直流耦合电平转换网络
要完成lvpecl到lvds的逻辑转换，需要满足如下方程式：
计算结果得：r1=182ωr2=48ωr3=48ωva=1.14vrac=51.8ωrdc=62.8ωgain=0.337;
所以得到lvpecl到lvds直流耦合连接如图9所示。
图9 lvpecl到lvds的连接
lvpecl到lvds的交流耦合如图10所示，lvpecl的输出端到地需加直流偏置电阻(142ω~200ω)，同时信号通道上一定要串接50ω的电阻，以提供一定衰减。lvds的输入端到地需加5k的电阻，以提供近似0.86v的共模电压(lvds输入端并联100ω电阻，对于交流来说没有地电平，只有虚拟地电平，所以加5k电阻到地，确定实际地电平)。
图10 lvpecl到lvds交流耦合方式
2.6、lvds到lvpecl的连接
lvds到lvpecl的连接方式有直流耦合和交流耦合两种方式,当采用直流耦合方式时，需要增加一个电阻网络，用于完成直流电平的转换，如图11所示，设计该网络时需考虑：
1.lvds输出电平为1.2v，lvpecl的输入电平为vcc-1.3v;
2.lvds的输出是以地为基准，而lvpecl的输入是以电源为基准，这要求考虑电阻网络时应注意lvds的输出电位不应对供电电源敏感;
3.需要折中考虑功耗和速度，如果电阻值取的较小，可以允许电路在更高的速度下工作，但功耗较大，lvds的输出性能容易受电源的波动影响;
4.考虑电阻网络与传输线的阻抗匹配问题;
图11 lvds到lvpecl直流耦合方式
要完成lvds到lvpecl的逻辑转换，需要满足如下方程式：
计算结果得：r1=406ωr2=270ωr3=440ωrin=50ωgain=0.62;
但考虑到避免非常用料的使用，所以最终取值可选择：r1=402ωr2=270ωr3=442ωrin=49.9ωgain=0.62;
lvds的最小差分输出信号摆幅为500mv,而经过上述转换网络后加到lvpecl输入端的信号摆幅变为310mv,虽然该幅度低于lvpecl的输入标准，但是对于绝大数lvpecl电路来说，该幅度是足够的。
lvds到lvpecl的交流耦合方式主要有图12中三种方式，在耦合电容前完成阻抗匹配然后给lvpecl增加直流偏置，或者直流偏置和阻抗匹配在一起，具体计算方式可参考2.2小节。
图12 lvds到lvpecl交流耦合方式
2.7、cml到lvds的连接
一般情况下，在光传输系统中没有cml和lvds的互连问题，因为lvds通常是作并联数据的传输，数据速率为155mhz，622mhz或1.25ghz;而cml常用来做串行数据的传输，数据速率为2.5ghz或10ghz。
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