高速数字电路设计通关五部曲（二）：接口信号匹配与对接

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高速信号的匹配和对接的基本需求

对于高速信号的匹配和对接，从电气来考虑的话，主要考虑两个方面的问题：

      1、AC信号的摆幅和回路

      2、DC电平的幅度和回路

如果从实际设计的方便和合理的角度来考虑的话，要把握几个基本原则：

      1、容易布板

      2、功耗最小

      3、匹配方式最简单（阻容个数最少）

 一般情况下，如果是同一种电平信号的对接，基本上都是采用直流耦合方式对接就可以了。

但是对于不同信号电平之间的对接来说，AC的幅度和DC的幅度不一定能够完全对应得上，所以必须考虑好AC和DC的幅度。

在这种情况下，采用交流耦合的方式比较常见，当然也可以直流耦合（一般情况下要用电阻分压等方式来实现AC和DC的幅度相匹配）。

参数	RS-422	PECL	LVDS
差分驱动输出电压	±2.5V	±500~1000mV	±250~450mV
接收器输入阈值	±100mV	±200~300mV	±100mV
数据速率	<30Mbps	>400Mbps	>400Mbps
参数(以DS90C031/2为例)	RS-422	PECL	LVDS
电源电流四路驱动器(无负载，静态)	60mA	32~65mA(Max)	3.0mA
传输延迟驱动器	11ns(Max)	4.5ns(Max)	3.0ns(Max)
传输延迟接收器	30ns(Max)	7.0ns(Max)	5.0ns(Max)
电源电流四路接收器(无负载，静态)	23mA(Max)	40mA(Max)	10mA(Max)
畸变（驱动器或接收器）	N/A	500ps	400ps

高速信号匹配和对接

a

LVPECL&LVPECL（PECL同理）

方式一：

图 1

图 1 的匹配方式是 PECL电路的基本匹配模型，其中：2 个 50 欧姆的作用，既是交流匹配的电阻， 所以应该在离输入端很近的地方，同时充当直流回路的偏置电阻。

由于是同一种电平对接， AC摆幅和DC电平当然没有问题（符合下表）：

      缺点：

1、只有二个匹配电阻， 电阻个数最少， 但是二个电阻都必须靠输入端比较近的地方放置， PCB布板可能有点困难。

2、最大的缺点就是需要 VCC-2V的电源，如果这种电路的路数很多，为此提供 VCC-2V还是可以的，如果路数不多，那么就不值得了。

经过演化变化成图2。

方式二：

图2

图2 是从图1 演化而来，R1=130，R2=82（ 3v3）；R1=82，R2=130（ 5v）。其中 R1//R2 既充当交流匹配电阻（ 50 欧姆），也充当直流偏置电阻。

缺点：

1、4个电阻都必须放在离输入端很近的地方，对 PCB布板造成困难。

2、匹配电阻功耗比较大， 如果路数很多的话， 对单板的功耗来说是一个比较大的问题（静态电阻很小） 。

在实际的布板过程中，我们并不提倡使用这种电路 。

方式三：

图3

图3 是一种资料上很少提，但是却很有用的电路方式，其中 R1=140~200 欧姆（ 3v3）， R1=270~330欧姆（ 5V）， R2=100 欧姆。R1为输出门提供偏置电流， R2 为交流信号提供匹配。输入门的直流电平直接利用输出门的直流电平，并不需要外来的上下拉电阻来提供。

优点：

1、电阻个数很少，只有 3 个。

2、只有 R2一个电阻必须放在离输入门比较近的地方， R1放置的地方可以比较随便，只要不引入过长的线头（过长的线头会导致反射）就可以了。

3、PCB布板比较容易处理。

这种电路的功耗比图2小得多，是一个优选电路 。

b

LVPECL&PECL

对于 LVPECL和 PECL来说，虽然 AC 的摆幅相同（ 800mV），但是直流电平不一样，所以无法之间用 DC耦合对接起来。在这种情况下，我们可以考虑用 AC耦合方式来处理。

方式一：

图4

其中：R1=140~200 欧姆 属于直流偏置电阻，C1为耦合电容， 可以放在线上的任何一个地方， 不一定在源端， 也不一定要在末端。R2=100 欧姆 属于交流匹配电阻，一定要放在末端。

R3、 R4 为 K 级别的电阻， 必须满足R4/(R3+R4)=(VCC-1.3V)/VCC的比值就可以了。R3/R4 是为输入端提供直流电平，所以对 PCB上的位置没有特殊要求，只需要不引入长线头就可以了。

优点：

1、对于交流耦合来说，器阻容器件的个数算是比较少的了；

2、只对一个电阻的位置（ R2）有要求，其他的没有要求；

3、功耗也比较小。

4、当 LVPECL输出没有交流信号的时候，那么输入端却可以依靠 100 欧姆的电阻，使得 P/N 维持一个电压差，从而保证输入端的稳定（恒为“ 0”或者“ 1”）。

大家可以联想到芯片 LOS信号的检测机制――看输入的信号是否为长“ 0”或者长“ 1”。为芯片的正确检测 LOS提供了保证。而图5 的匹配方式是无法解决这个问题的。该电路属于优选电路类型。这种方式可以推广到 LVPECL&LVDS；LVDS&LVPECL等电平的对接。

方式二：

图5

图5 电路是很多资料推荐使用的， 从原理上分析没有错， 但是从实用的角度来说并不是最佳方案。

缺点：

1、电路（ a）种的 R2/R3 既做为交流匹配电阻，又做为输入直流电平，由于 R2/R3共 4 个电阻必须放在输入引脚附近，所以可能导致 PCB布板困难。同时功耗也比较大。

2、电路（ b）应该说有比（ a）比较大的改进，虽然从电阻的个数上来说还多了一个，但是 PCB布板容易，并且功耗比较小。其 R2/R3 阻值可以是 K 级别的。

此方案不提倡使用。

方式三：

图6

图6 从原理上来说也没有错，但是 R2/C1/R3/R4 等 7 个阻容必须放输入端很近，布局相当困难，对于 PCB 布局来说还不如方式一和方式二。

此方案不推荐使用 。

c

LVPECL&LVDS

对于 LVPECL输出， LVDS输入的信号来说， LVPECL的直流输出电平为 2V 左右，而 LVDS的直流输入可以为 0.2V~2.2V， 所以直流电平本身不是关键。

 对于交流电平来说 LVPECL输出最大为 800mV，甚至超过 1V，而 LVDS的输入交流电平一般不能承受 800mV 的输入（具体还得看芯片资料的说明） ，一般是认为最大在 400mV 左右。

所以如何把交流幅度调整到 LVDS能够接受的范围才是关键。

图 7

以上是 LVPECL到 LVDS的 DC和 AC二种耦合的示意图。具体的电阻值请参考其他资料，自行计算。

d

LVPECL&CML

对于 LVPECL输出 CML 输入的信号来说， LVPECL的输出交流摆幅比较大，可能会超过 CML 电平的最大输入摆幅，所以一般情况下应该加衰减，同时也要关注直流电平。同样，有 AC耦合和 DC耦合二种。

图 8

一般情况下， 二种不同直流电平的信号 （即输出信号的直流电平与输入需求的直流电平相差比较大） ，提倡使用 AC 耦合 ，这样输出的直流电平与输入的直流电平独立。

e

CML&LVPECL

对于 CML 输出， LVPECL输入来说，由于直流电平相差很大，所以一般采用交流耦合方式。 

而 CML输出的交流幅度一般不会大于 LVPECL接收的交流幅度，所以交流方面只需要考虑匹配就可以了，不需要考虑幅度。有些资料提供的匹配电路图如下：

图 9

本人认为，图（ a）（ b）存在图5、图6 所描述的相同弊病，最好采用如图10 结构的电路 。同样，图（ c）的 100 欧姆电阻放在电容后面对于 PCB布板来说更方便一些，从匹配的角度来说更好一些。

图10

f

LVDS&LVDS

应该说 LVDS之间的对接是最简单的对接了。

图 11

g

CML&CML

图 12

CML 电平一般情况下使用直流耦合就可以了。当然如果二个芯片的供电电源不同就必须用交流耦合了。因为此时二个芯片直接的直流电平不同， 不能直接对接。

h

LVDS&CML；CML&LVDS

一般情况下， 不会存在 LVDS与 CML 之间的对接， 因为 CML 电平一般用在高速信号，如 2.5G/10G 等场合。

而 LVDS一般很难用在那么高的速率。在这里要注意的是，输出交流幅度是否落在输入交流幅度之内

图13

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