PECL/CML/LVDS高速接口互连电路设计

硬件电子工程师

【摘要】上篇文章介绍了PECL/CML/LVDS这几种高速差分接口电路结构、原理，本文将从这几种接口 的互联硬件设计对这几种接口作进一步详细介绍。
1 LVPECL与LVPECL之间的连接LVPECL 到LVPECL 的连接分直流耦合和交流耦合两种形式
1.1 直流耦合LVPECL 负载一般考虑是通过50Ω接到Vcc-2V 的电源上，一般该电源是不存在的，通常的做法是利用电阻分压网络做等效电路，如图3.1 中所示，该等效电路应满足如下方程：
/ x, R- h. Q4 O1 }4 q

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( A" V$ y+ f7 z5 X( u图3.1 等效电路
1 x# s- ~: `: V7 R7 VVcc ? 2 V = Vcc R2/（R1+R2）
+ P. g4 u0 B' s9 @. m2 g9 d. oR1*R2/（R1 + R2）=50Ω
解上面方程组，得到：
R1 = 50VCC/（VCC-2V） R2 = 25VCC
图3.2 给出了这两种供电情况时的详细电路。
2 g3 l2 S$ r' A

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图3.2 PECL电路之间直流耦合
' K* _' P0 @& L' W' B9 B# E. c3 q在3.3V 供电时，电阻按5%的精度选取，R1为130Ω，R2为82Ω；在5V 供电时（此时为PECL电平），R1为82Ω，R2为130Ω。
' ^6 w) r& _/ {/ M1.2 交流耦合PECL 的输出共模电压需固定在Vcc-1.3V，在选择直流偏置电阻时仅需该电阻能够提供
14mA 到地的通路，这样R1=（Vcc-1.3V）/14mA。在3.3V 供电时，R1=142Ω，5V 供电时，R1=270Ω。然而这种方式给出的交流负载阻抗低于50Ω，在实际应用中，3.3V 供电时，R1 可以从142Ω到200Ω之间选取，5V 供电时，R1 可以从270Ω到350Ω之间选取，原则是让输出波形达到最佳。
& f& z  B8 i8 E3 X* f9 Q5 `图3.3中分别给出了两种电路结构，在图3.3 （a）有一个缺点就是它的功耗较大，当对功耗有要求时，可以采用图3.3（b）所示电路结构。

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9 }! ]  H. E. S5 R图3.3 PECL电路间交流耦合
在图3.3 （a）中，R2和R3通常选取：
R2 = 82 ? / R3 = 130 ? +3.3 V供电时
R2 = 68 ? / R3 = 180 ? +5 V供电时
在图3.3 （b）中，R2和R3通常选取：
" H  Y" k2 ~* @7 X. {. N+ ^# vR2 = 2.7 K? / R3 = 4.3 K? +3.3 V供电时
5 X, `, \* L& N0 }- h2 x* I" TR2 = 2.7 K? / R3 = 7.8 K? +5 V供电时

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2 LVDS与LVDS接口的连接LVDS 用于低压差分信号点到点的传输，该方式有三大优点，从而使得它更具有吸引力：
（1）LVDS 传输的信号摆幅小，从而功耗低，一般差分线上电流不超过4mA，负载阻抗为100Ω。这一特征使它适合做并行数据传输。
# t5 s0 O& l$ E3 p+ H（2）LVDS 信号摆幅小，从而使得该结构可以在2.4V 的低电压下工作。
7 t+ c! O3 n6 O（3）LVDS 输入单端信号电压可以从0V 到2.4V 变化，单端信号摆幅为400mV，这样允许输入共模电压从0.2V 到2.2V范围内变化，也就是说LVDS 允许收发两端地电势有±1V的落差。

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图3.4 LVDS间连接
# l- _8 y* E( G8 i% a" }4 w因为LVDS 的输入与输出都是内匹配的，所以LVDS 间的连接可以如图3.4那样直接连接。但在设计时需要确认芯片内部，其接收端差分线对间是否已有100Ω电阻匹配，若没有则需在外面加100Ω电阻，电阻需靠近接收端放置。
3 CML电平之间的连接CML 是所有高速数据接口形式中最简单的一种，它的输入与输出是匹配好的，从而减少了外围器件，也更适合于在高的频段工作。它所提供的信号摆幅较小，从而功耗更低。
. Z8 f. ]( D  t) e$ g& g

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CML 接口的输出电路形式是一个差分对，该差分对的集电极电阻为50Ω。假定CML 输出负载为一50Ω上拉电阻，则单端CML 输出信号的摆幅为Vcc~Vcc-0.4V。在这种情况下，差分输出信号摆幅为800mV，共模电压为Vcc-0.2V。若CML输出采用交流耦合至50Ω负载，这时的直流阻抗有集电极电阻决定，为50Ω，CML 输出共模电压变为Vcc-0.4V，差分信号摆幅仍为800mV。
CML 到CML 之间连接分两种情况：
; D! U7 q; f; b9 P! k" z8 |（1）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，这时不需加任何器件；
（2）当收发两端器件采用不同电源时，一般要考虑交流耦合，如图3.5 中所示，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。

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1 x8 G1 w! L& a7 ~- S0 r9 y' z. `图3.5 CML接口间连接
' p' g$ a! ?9 a4 LVPECL到CML的连接4.1 交流耦合LVDS到CML的交流耦合连接方式如图3.6 所示。在LVPECL的两个输出端各加一个到地的偏置电阻，电阻值选取范围可以从142Ω到200Ω。如果LVPECL 的输出信号摆幅大于CML 的接收范围，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。
3 I) m: J- N* X0 F% o% o- N2 @# j

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) g8 A6 Z  i8 g4 f. C$ x) T7 ^- |0 H图3.6 LVPECL到CML的交流耦合连接
4.2 直流耦合在LVPECL 到CML 的直流耦合连接方式中需要一个电平转换网络，如图3.7（a）中所示。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 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为50Ω。下面以LVPECL驱动MAX3875 的
7 n& S' }3 z- L$ x

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2 j& _! b  R4 D) ^( `（a）直流耦合时电阻网络

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( s" X7 D" A+ I) [. }9 b; p. J- S9 Z（b）直流耦合连接
图3.7 LVPECL到CML的直流耦合连接
CML 输入为例说明该电平转换网络。如前所述，电阻网络需满足：
: k7 l  ]8 f9 H6 z+ E8 Y6 sVA = VCC - 2.0V = R2·VCC /（R2 + R1//（R3 + 50Ω））
VB = VCC - 0.2V = （VCC·R3 + 50Ω·（VCC - 1.3V））/（R3 + 50Ω）
3 V4 s5 m+ Z& F9 L  hZin = R1// R2 // （R3 + 50 ?）= 50 ?
2 v# P7 q* B1 J  N) [) F7 _Gain = 50 /（R3 + 50） ≥ 0.125
求解上面的方程组，我们得到R1=182Ω，R2=82Ω，R3=290Ω，VA=1.35V，VB=3.11V，Gain=0.147，Zin=49Ω。
LVPECL 到MAX3875 的直流耦合结构如图3.7（b） 所示。对于其它产品的CML 输入，最小共模电压和灵敏度可能不同，设计时可修改VB值，再根据上面的公式计算所需的阻值。
2 Q8 F. b3 E. q, C* q( X0 q

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! G4 `( X2 [9 x# f% ~5 CML到LVPECL的连接图3.8中，给出了CML到LVPECL的交流耦合连接。由于CML与LVPECL接口的中心电平不同，
5 l# H5 G9 v$ C9 ?% E5 k) n

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' v8 p$ Y- j4 t/ K' O图3.8 CML到LVPECL的交流耦合连接
, J: F* q/ I$ R% V通常采用交流耦合，LVPECL输入接口需要外加直流偏置，保证中心电平在VCC-1.3V，图8（a）、（b）分别是外部加直流偏置电阻的连接方式。其中，（a）的连接方式功耗较低。（c）为芯片内已有直流偏置时的连接电路。
6 LVPECL到LVDS的连接6.1 直流耦合LVPECL到LVDS 的直流耦合结构需要一个电阻网络，如图3.9中所示，设计该网络时有这样几点必须考虑：首先，我们知道当负载是50Ω接到Vcc-2V 时，LVPECL 的输出性能是最优的，因此我们考虑该电阻网络应该与最优负载等效；然后我们还要考虑该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 的有效输入范围内。注意LVDS 的输入差分阻抗为100Ω，或者每个单端到虚拟地为50Ω，该阻抗不提供直流通路，这里意味着LVDS输入交流阻抗与直流阻抗不等.经计算，电阻值为：R1=182Ω，R2=48Ω，R3=48Ω。电阻靠近接收侧放置。
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( A' }1 W+ Z, ~) r# R4 m图3.9 LVPECL到LVDS的直流耦合结构
6.2 交流耦合LVPECL 到LVDS 的交流耦合结构如图3.10 所示，LVPECL 的输出端到地需加直流偏置电阻（142Ω到200Ω），同时信号通道上一定要串接50Ω电阻，以提供一定衰减。LVDS 的输入端到地需加5KΩ电阻，以提供近似0.86V 的共模电压。
9 B% h5 b0 K# Z6 |' `

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图3.10 LVPECL到LVDS的交流耦合结构
7 LVDS到LVPECL的连接7.1 直流耦合LVDS到LVPECL 的直流耦合结构中需要加一个电阻网络，如图3.11 所示，该电阻网络完成直流电平的转换。LVDS输出电平为1.2V，LVPECL的输入电平为Vcc-1.3V。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；
另一个问题是需要在功耗和速度方面折中考虑，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；
还有一个问题就是要考虑电阻网络与传输线的匹配。经计算，电阻值选取为：R1=374Ω，R2=249Ω，R3=402Ω，VA=1.2V，VB=2.0V，RIN=49Ω，Gain=0.62。LVDS 的最小差分输出信号摆幅为500mV，在上面结构中加到LVPECL 输入端的信号摆幅变为310mV，该幅度低于LVPECL 的输入标准，但对于绝大多数MAXIM 公司的LVPECL 电路来说，该信号幅度是足够的。设计中可根据器件的实际性能作出自己的判断。

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图3.11 LVDS到LVPECL的直流耦合结构
7.2 交流耦合LVDS 到LVPECL 的交流耦合结构较为简单，只需要LVPECL输入侧加直流偏置，满足其中心电压的要求。图3.12 （a）、（b）两种为常用到的结构。
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图 3.12 LVDS到LVPECL的交流耦合结构
8 CML到LVDS的连接CML到LVDS的连接通常采用交流耦合结构，图3.13、14给出了两种电路结构，需注意CML 的输出信号摆幅应落在LVDS 的有效工作范围内。

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+ F# a) R- Y; i( Q8 R图3.13 CML到LVDS的交流耦合结构

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图3.14 CML到LVDS的交流耦合结构
9 差分信号设计原则在差分信号传输设计中，不同类型的差分线，其输入输出的中心电平不同，摆幅也不同。但设计中，以下设计原则还是比较通用的。

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（1）差分线的正、负端要求等长。一般来说，对于155Mbps的差分线对，其长度差应控制在160mil以内，建议控制在80mil以内；622Mbps的差分线对，控制在40mil以内；其余按速率类推，或根据datasheet推荐的值进行约束。
( |4 V8 p5 z9 s( b（2）差分阻抗控制在100 +/-10%Ω。
2 B: E# z' F. [0 @- r$ H7 M（3）数据差分线与其它非时钟信号线的边到边间距应大于2倍线宽，与时钟信号线或时钟差分线应大于3倍线宽。
（4）一般来说，差分线在布线时尽量走内层，且要邻近平面层，表层走线尽量短；
（5）对于高速差分线为减少过孔数目，有时也允许走表层。差分线的过孔数目越少越好，在需要打过孔的情况下，差分线正、负信号线要成对打过孔，也即若正端信号线需要打过孔换层，负端信号线也需要在相应的位置打过孔。一般来说，155Mbps速率的差分线对，其过孔应数目控制在4个以内，622MGbps及1.25Gbps速率的应控制在3个以内；而2.5Gbps速率及以上的差分对，除在BGA下出线必须打过孔以及压接式接插件必须的压接过孔外，在其信号走线的其它位置尽量不要再打过孔。
# X4 g+ K' ^7 @( `- A9 C' i/ X（6）时钟信号在不同电平间转换时，尽量采用交流耦合结构。交流耦合电容，选取不宜太小，通常1GHz以上频率选0.01μF，以下的选取0.1μF。泻放电阻和匹配电阻在PCB中的布局和选择。对于有泄放电阻或终端匹配电阻的差分接口电路，泄放电阻R1应尽量放在驱动pin附近，匹配电阻R2和R3尽量靠近接收pin；
; H7 w+ A1 I- ~  q（7）考虑到散热和能承受的额定功率，最好选择选择0603封装的电阻，或者0805封装的电阻，不应选用0402及更小封装的电阻，否则应具体计算该电阻上的功耗。