LVDS、LVPECL、HCSL电平(差分时钟缓冲器)

  • 芯片:INS6310A

    支持2路差分或单端输入(DC~2500MHz),支持LVPECL,LVDS, CML,SSTL,HSTL,HCSL等电平
    1路无源晶体输入(10M~40MHz)或者单端输入(DC-250MHz)
    此缓冲器可将3路输入 时钟中的任意1路扇出到10路低抖动差分时钟输出和一路LVCMOS单端输出,





  • LVDS信号:low voltage differential signaling低电压差分信号

    LVDS驱动器有一个3.5mA的恒流源,通过控制MOS管的开和关,控制电流的流向,接收器输入阻抗非常高,所以电流几乎全部从100Ω电阻流过。在100Ω电阻上将产生3.5mA*100Ω=350mV的摆幅的电压。
    若其共模电压为1.2V,则LVDS信号电平区间为0.85-1.55V
  • LVPECL信号:
    LVPECL的典型输出为一对差分信号,他们的射极通过一个电流源接地。这一对差分信号驱动一对射极跟随器,为Output+与Output-提供电流驱动。50欧姆电阻一头接输出,一端接VCC-2V。在射级输出级电平为VCC-1.3V。这样50欧姆的电阻两端电势差为0.7V,电流为14mA。PECL 结构的输入阻抗高、输出阻抗很低(典型值为 4~5 Ω),因此它有很强的驱动能力。
    LVPECL信号传输速度快,很容易达到几百M的应用,最高可到10G以上。而且驱动能力强,一般可用在背板传输和长线缆传输上。相对LVDS而言,噪声容限低,功耗大。

    用于时钟的 LVPECL:直流匹配时用 130 欧上拉,同时用 82 欧下拉,输出端直流电压约为1.3V,VCC-2V=1.3V;交流匹配时用82 欧上拉,同时用 130 欧下拉,并联端接约为48欧姆,接近走线阻抗50欧姆。AC耦合端接时其直流偏置约为2V,82欧姆上拉130欧姆下拉,其直流偏置约为1.96V。


  • LVPECL->LVPECL AC耦合端接

    图(a)中,LVPECL 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。然而这种方式给出的交流负载阻抗低于 50Ω。
    图(b)为匹配电路的一种改进结构,在信号通路上串接一个电阻,从而可以增大交流负载阻抗使之接近 50Ω(交流情况下将Vcc作为0V)。
    R1 和 R2 的选择应考虑如下几点:(1)LVPECL 输入直流偏压应固定在 Vcc-1.3V;(2)输入阻抗应等于传输线阻抗;(3)低功耗;(4)外围器件少。
  • LVPECL->LVDS
    交流耦合下,在LVPECL驱动器输出端向GND放置一个150Ω电阻(原因是需要维持共模电压VCC-1.3V,到地电流需要14mA,VCC为3.3V,则电阻大概在150欧姆左右),对于开路发射极提供直流偏置以及到GND的直流电流路径至关重要。为了将800mV LVPECL摆幅衰减到325 mV LVDS摆幅,必须在150Ω电阻器之后放置一个70Ω的衰减电阻。应在LVDS接收器前面放置一个10nF交流耦合电容,以阻止来自LVPECL驱动器的直流电平。LVDS输入需要重新偏置,可以通过向GND放置8.7KΩ电阻连接到3.3V和5KΩ电阻到GND来实现LVDS接收器输入共模的1.2V直流电平。如果LVDS接收器差分输入引脚上已经存在有100Ω电阻,则不需要外部100Ω电阻。

-LVDS->LVPECL

LVPECL输入直流偏置约2V

  • HCSL电平
    HCSL:高速电流控制逻辑(High-speed Current Steering Logic),用于PCIe2.0电气规范中定义对RefClk时钟所定义的标准;PCIe时钟采用HCSL这个电平标准使RC(CPU)侧与EP(子卡)侧时钟,在不同生产厂家之间能够保持电平兼容。
    LPHCSL(Low-Power HCSL)是为了降低传统的HCSL驱动器的功耗而开发;LPHCSL的主要优点包括更好的驱动长线的性能,易于AC耦合,减少PCB板子面积,易于布线,降低材料成本,重要的是HCSL驱动器与LPHCSL驱动器对HCSL接收器来说是一样的(两者相互兼容)。
    HCSL驱动器是点对点电流驱动电路,具有开源输出的差分逻辑,每个输出引脚在0和14mA之间切换:当一个输出引脚为低电平(0)时,另一个输出引脚为高电平(驱动14mA);
    1, OUT+引脚和OUT-引脚通常连接到差分传输线(Z0 =100Ω)或单端传输线(Z0 =50Ω),这需要一个外部端接电阻(50Ω到GND),从而为HCSL输入结构提供700mV的摆幅电平;
    V = 14mA * 50Ω = 700mV
    HCSL输出是经过控制正负输出差分对中的14mA电流,其电源功耗为14mA * 3.3V ≈ 50mW;而LPHCSL不是采用传统的HCSL的电流驱动模式,而是采用推-拉(push-pull)电压驱动,电流消耗大约4到5mA;
    虽然LPHCSL采用了Push-pull的输出结构,但是其电源采用了0.75V电压,所以它保持了0V~700mV左右的单端输出电平摆幅。

    HCSL输入要求IN +和IN-的两个输入引脚上的单端摆幅为700mV,共模电压约为350mV;其电路结构如下图所示。0.5*(0.7V-0V)
    HCSL的电平匹配方法如下图所示,有两种电平匹配方式:终端匹配和源端匹配;正如我们在PCIe时钟设计所示,只要在芯片内部内置50Ω的下拉电阻,那么只需直连设计。

    如下所示为LP-HCSL电平匹配,如下左图所示,驱动器自己具备17欧姆的输出阻抗,因此,须要串联一个33欧姆的电阻,以得到与50欧姆传输线的匹配。而对于传统的HCSL,为了不出现振铃,串联电阻RS是必需的。
    LP-HCSL并不需要对地的终端电阻;而传统HCSL驱动器不可能将终端匹配电阻集成到内部(功耗太大);如此,LP-HCSL相对于传统HCSL使用了更少的元件,下降了板子面积和材料成本

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