高速电路 接口电平最佳详解

高速电路

（由于高速电路有很多参考资料，本文并不侧重全面讲述原理、各种匹配和计算方法，而是侧重评析一些高速电路的优缺点，并对常用电路进行推荐使用。）

一、高速信号简介：

常见的高速信号有几种：ECL电平、LVDS电平、CML电平

其中ECL电平根据供电的不同还分为：

ECL――负电源供电（一般为－5.2v）

PECL――正5V供电

LVPECL――正3v3供电，还有一种2.5V供电

一般情况下，常见的高速信号都是差分信号，因为差分信号的抗干扰能力比较强，并且自身产生的干扰比较小，能够传输比较高的速率。

二、几种常见的高速信号：

1、PECL电平

从发展的历史来说，ECL信号最开始是采用－5.2V供电的（为何采用负电源供电下面会详细说明），但是负电源供电始终存在不便，后来随着工艺水平的提升，逐渐被PECL 电平（5V供电）所替代，后来随着主流芯片的低电源供电逐渐普及，LVPECL也就顺理成章地替代了PECL电平。

PECL信号的输出门特点：

A、输出门阻抗很小，一般只有4～5欧姆左右：

a、输出的驱动能力很强；直流电流能达到14mA；

b、同时由于输出门阻抗很小，与PCB板上的特征阻抗Z0（一般差分100欧姆），相差

甚远当终端不是完全匹配的时候，信号传到终端后必然有一定的反射波，而反射波传会到源端后，也不能在源端被完全匹配，这样必然发送二次反射。正因为存在这样的二次反射，导致了PECL信号不能传输特别高的信号。一般155M、622M的信号还都在使用PECL/LVPECL信号，到了2.5G以上的信号就不用这种信号了。

c、

B、PECL信号的回流是依靠高电平平面（即VCC）回流的，而不是低电平平面回流。所以，

为了尽可能的避免信号被干扰，要求电源平面干扰比较小。也就是说，如果电源平面干扰很大，很可能会干扰PECL信号的信号质量。

a、这就是ECL信号出现之初为何选用负电源供电的根本原因。一般情况下，我们认为

GND平面是比较干净的平面。因为我们可以通过良好的接地来实现GND的平整（即干扰很小）。

b、从这个角度来说，PECL信号和LVPECL信号都是容易受到电源（VCC）干扰的，所以

必须注意保证电源平面的噪声不能太大。

C、对于输出门来说，P/N二个管脚不管输出是高还是低，输出的电流总和是一定的（即恒

流输出）。恒流输出的特性应该说是所有的差分高速信号的共同特点（LVDS/CML电平也是如此）。这样的输出对电源的干扰很小，因为不存在电流的忽大忽小的变化，这样对电源的干扰自然就比较小。而普通的数字电路，如TTL/CMOS电路，很大的一个弊病就是干扰比较大，这个干扰大的根源之一就是对电源电流的需求忽大忽小，从而导致供电平面的凹陷。

D、PECL的直流电流能达到14mA，而交流电流的幅度大约为8mA（800mV/100ohm），也就

是说PECL的输出门无论是输出高电平还是低电平，都有直流电流流过，换一句话说PECL 的输出门（三极管）始终工作在放大区，没有进入饱和区和截至区，这样门的切换速度就可以做得比较快，也就是输出的频率能达到比较高的原因之一。

下面是PECL电平的输入门结构：

其中分为二种：一种是有输入直流偏置的，一种是没有输入直流偏置，需要外接直流偏置的。

一般情况下，ECL/PECL/LVPECL信号的匹配电阻（差分100欧姆）都是需要外加的，芯片内部不集成这个电阻。

大家可以看到，VCC-1.3V为输入门的中间电平（即输入信号的共模电压），对于LVPECL 来说大约为2V，对于PECL来说为3.7V。

也就是说，我们要判断一个PECL/LVPECL电平输入能否被正常接收，不仅要看交流幅度能否满足输入管脚灵敏度的要求，而且要判断直流幅度是否在正常范围之内（即在VCC-1.3V 左右，不能偏得太大，否则输入门将不能正常接收）。在这一点上与LVDS有很大的差别，务必引起注意。

2、CML电平

CML电平是一种比较简洁的电平，它内置匹配电阻（输入输出都有50欧姆的电阻），这样用户使用的是否特别简单，不需要象ECL电平一样加一堆的偏置电阻和匹配电阻。

CML电平的输出门和输入门：

A、由于输出门也有50欧姆的匹配电阻，使得二次反射信号也能被这个电阻匹配掉，

这样就避免了多次反射导致的信号劣化（振铃现象）。在这一点，与ECL电平相比有很大的改进，所以CML电平所能支持的速率比较高，

一般情况下，2.5G/10G这样的高速信号都是采用CML电平来传输，不再采用LVPECL信号。

从光口的抖动指标来看，CML电平具有抖动指标小的特性。对比3种电平抖动方面的性能：CML最优、ECL次之、LVDS比较差。这就是一般情况下LVDS信号很少做为光接口驱动信号的原因之一（当然，输出信号幅度比较小、电流驱动能力比较弱应该也是原因之一吧。）

B、同样的，CML电平也是采用恒流驱动方式。

C、CML电平的输出AC摆幅能达到800mV

D、一般情况下，CML电平可以是直流耦合方式对接，也可以是交流耦合方式对接。

E、

3、LVDS电平

LVDS电平与PECL和CML电平来说有几个比较显著的特点：

A、LVDS电平的驱动电流很小才4mA，所以功耗特别小，输出摆幅为400mV。当

系统种有很多这种信号的时候（如TDCS6440G芯片有64对的622M 的LVDS

收发），它的功耗优势就能体现出来。在我们设计系统的过程中，芯片的功耗

和系统的散热一直是重点考虑的问题。

B、LVDS电平可以做成支持热插拔，从而支持做为背板驱动，而PECL/LVPECL和CML

电平一般情况下不支持热插拔，不能用在背板驱动。从电路的结构上我们也可

以看到LVDS的输出门结合了PECL电平和CML电平的特点，并且通过串阻的限

流，可以限制浪涌电流的产生，避免门的损坏，CML电平也能做成支持热插拔，

但是普通的CML电平不一定能支持热插拔。

C、LVDS的输入门与其他输入门有一个显著的特点，前面有一个类似于直流电平漂

移适配电路（ADAPTIVE LEVEL SHIFTER），这个电路能够适应直流电平

（common-mode voltage）的变化的，使得输入直流电平变化范围可以很宽

（0.2V~2.2V）。也正因为这样，LVDS比其他信号有更强的共模抗干扰能力。因

为LVDS的差分线一般情况下离得比较近，一旦有干扰，P、N二个信号会同时

受到干扰，这样导致P/N同时上升或者下降，而LVDS通过这个均衡电路就能

很好地适应这种干扰，从而提高共模抗干扰能力。

这一点与PECL电平有显著的差别，PECL信号是要求直流电平在VCC-1.3V 左右，偏差不能太大，否则就不能正常接收。

D、另外，LVDS输入门内部集成了100欧姆的匹配电路，所以芯片外部就不需要加

匹配电阻了，大大简化了设计的难度。如果在BGA下需要加一堆的匹配电阻的

话，其设计难度确实不是一般的大。

E、另外，LVDS还能容忍收发器之间的GND电平差达到＋－1V左右。这个特性使

得LVDS在用于二个不同系统之间的互连的时候就显得特别方便，它可以不要

求二个系统的GND平面完全等电势。例如，主框与从框之间可以通过LVDS信

号互连起来。

三、高速信号的回流和匹配：

1、信号回流：