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LVDS,PECL,CML 间的互连

 新用户86925817 2020-03-10

1. LVPECL到CML的连接
1.1. 交流耦合情况
    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。

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 LVPECL到CML的交流耦合连接方式
1.2. 直流耦合情况
    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CML 输入为例说明该电平转换网络。

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LVPECL到CML(MAX3875)间直流耦合时电阻网络

    下面是该电阻网络必须满足的方程:
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注:假定LVPECL的最小差分输出摆幅为400mV,而MAX3875的输入灵敏度为50mV,这样电阻网络的最小增益必须大于50mV/400mV=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。把LVPECL输出与MAX3875 输入连接好,实测得:VA=2V,VB=3.13V。LVPECL 到MAX3875 的直流耦合结构如图所示,

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LVPECL到CML(MAX3875)的直流耦合结构
2. CML到LVPECL的连接
    下图给出了CML 到LVPECL 三种交流耦合解决方案。
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(C)
 CML到LVPECL的交流耦合结构
3. LVPECL到LVDS的连接
3.1 直流耦合情况
    LVPECL到LVDS 的直流耦合结构需要一个电阻网络,如图中所示,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。LVPECL 到LVDS 的直流耦合所需的电阻网络需满足下面方程组:
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             (a) 等效电路                               (b) LVPECL 到 LVDS 的连接
LVPECL到LVDS的直流耦合结构
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    考虑Vcc=0.3V 情况,解上面的方程组得到:R1=182Ω,R2=48Ω,R3=48Ω,VA=1.14V,RAC=51.8Ω,RDC=62.8Ω,Gain=0.337。电路连接好,实测得VA=2.1V,VB=1.06V。假定LVPECL单端最小输出电压为300mV,在LVDS 的输入端可达到100mV,能够满足其灵敏度要求。考虑信号较大时,如果LVPECL 的最大输出为1V,LVDS 的单端输入电压则为337mV,同样可以满
足指标要求。
3.2 交流耦合情况
    LVPECL 到LVDS 的交流耦合结构如图所示,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。

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LVPECL到LVDS的交流耦合结构

4. LVDS到LVPECL的连接
4.1. 直流耦合情况
    LVDS到LVPECL 的直流耦合结构中需要加一个电阻网络,如图所示,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。电阻值可以通过下面的方程导出。

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LVDS到LVPECL的直流耦合结构
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    在Vcc 电压为3.3V 时,解上面的方程得: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,原因是MAXIM 公司LVPECL 输入端有较高的增益。
4.2 交流耦合情况
    LVDS 到LVPECL 的交流耦合结构较为简单,图给出了两个例子。
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(b)LVPECL 芯片内没有直流偏置情况(MAX3867)
5. CML和LVDS间互连
    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 通常用作并联数据的传输,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。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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LVDS到CML的交流耦合结构

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 CML到LVDS的交流耦合结构

6. 如何选择交流耦合电容
    当利用交流耦合结构时,耦合电容的选取应特别小心,该电容与负载阻抗一起构成高通滤波结构,非归零的连0 或连1 出现时,电容会造成接收端电压下降,过零点偏移,通过下面的图形可以很好地理解这一点。
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交流耦合造成低频分量损失,过零点漂移
    为防止连零和连1 序列造成负载电压有较大下降,我们可以把耦合电容与负载组成的高通网络的3dB 转角频率降低,下面主要从时域对此进行分析,我们知道一级高通RC 网络的时域响应为:
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    NRZ 数据信号经过电容耦合至50Ω的负载上,信号这时的摆动则以0 为基准。我们把信号幅度以VP-P进行归一化处理,电压幅度归一化为±0.5VP-P。假定负载最初充电电压为V0+=0.5VP-P,最终电压为V=0。τ为HPF 的时常数,则经过一段时间t 后,负载电压下降ΔV为:
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    如允许在时间t 时,功率下降0.25dB,则ΔV/ VP-P = 6%;
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    如果我们定义TB为数据每比特周期,NCID为最大容许的连零或连1 数目,负载阻抗R=50 Ω,C 为耦合电容,则t=NCID·TB,τ=R·C,C 可通过下面式子估算:
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    我们以2.488Gbps 的系统为例,TB = 400ps,NCID = 100bit,通过计算得C =6.2nF。下面计算该电容造成的过零点偏移大小:
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    tr在这里指NRZ 信号幅度从20%到80%的上升时间,一般可通过下式估算:
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    BW 指系统带宽,通常为0.6~1 倍数据速率,对于2.5Gbps 系统,如果取tr=120ps,C=6.2nF,计算得LFPDJ等于13ps,如果把C 增加到100nF,这时LFPDJ将小于1ps,可以忽略不计。

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