高速数据传输.doc

高速数字电路的研究与介绍

1．引言
随着计算机外部设备、计算机高速总线的发展，在这些设备上进行的数据交换以及复杂的运算导致数据传输量急剧增大，为了满足种种数据在处理器、存储介质和外围设备之间的高速交换，近年来出现了多种高速接口电路的设计和应用。
高速数据传输接口电路在计算机 memory总线，多处理器的互连，外部设备接口，高速系统背板……有着广泛的应用。普通PC机上的DDR2存储器的数据传输已可以达到667MHz。计算机外部设备、计算机网络、通信传输等设备的各种物理层设计工作大量的涉及到了：155Mbps、 622Mbps和2.5Gbps，100Mbps，1000Mbps，10Gbps的高速接口电路。
现今高速数据传输接口的实现主要参考了三种标准的电路接口：PECL (Positive-referenced Emitter-Coupled Logic); LVDS (Low-Voltage Differential Signals), and CML (Current Mode Logic)。这些高速接口电路标准针对不同的应用领域提供相应的传输速率。解决高速接口电路的互连，保持低功耗及提高信号传输质量，是开发这些接口电路时需要注意的。要求为高速接口电路设计相应的外部阻抗匹配电路、耦合电路。155Mbps以下速率的电路阻抗匹配要求不是很严。电路耦合可采用直流耦合，可以避免电容滤除信号的高频成分。500Mbps以上的高速电路线路阻抗匹配要求严格。高速电路一般采用交流耦合，可以隔离两边的直流。
在设计高速数字传输系统时，首先需要了解每一种接口标准的输入输出电路结构，由此可以知道如何进行直流偏置和终端匹配。本文针对这三种标准的接口电路做分析和介绍：
2．PECL 接口
PECL由ECL标准发展而来，在PECL电路中省去了负电源，较ECL电路更便于使用。PECL信号的摆幅相对ECL要小，这使得该逻辑更适合于高速数据的串行或并行连接。
PECL接口输出结构
PECL电路的输出结构如图1所示，包含一个差分对管和一对射随器。输出射随器工作在正电源范围内，其电流始终存在，这样有利于提高开关速度。标准的输出负载是接50欧姆电阻至VCC-2V的电平上，如图1所示，在这种负载条件下，OUT+与OUT-的静态电平典型值为VCC-1.3V，OUT+与OUT-输出电流为14mA。PECL结构的输出阻抗很低，典型值为4-5，这表明它有很强的驱动能力，但当负载与PECL的输出端之间有一段传输线时，低阻抗造成的失配将导致信号时域波形的振铃现象。PECL标准最初由Motorola公司提出，经过很长一段时间才在业内推广开。
图1. PECL接口输出结构
PECL接口输入结构

PECL输入结构如图2所示，它是一个具有高输入阻抗的差分对。该差分对共模输入电压需偏置到VCC-1.3V，这样允许的输入信号电平动态范围最大。在+5.0V和+3.3V供电系统中，PECL接口均适用，+3.3V供电系统中的PECL常被称作低压PECL，简写为LVPECL。

PECL to PECL
图2. PECL接口输入结构
PECL到PECL的连接分直流耦合和交流耦合两种形式，直流耦合情况 PECL输出设计成驱动50欧姆负载至(VCC-2V)。由于一般情况下无法向终端网络提供(VCC-2V)电源，经常会用并联电阻，得到 一个Thevenin等效电路。图3给出了Thevenin变换，50欧姆至(VCC-2V)的终端匹配要求满足：在3.3V供电时， 图3. PECL到PECL等效图 电阻按5%的精度选取，R1为130 欧姆，R2为82欧姆 。而在+5.0V供电时，R1为82欧姆 ，R2为130欧姆 。
3．CML接口
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。此外，50欧姆背向终端匹配减小了背向反射，从而降低了高频失真。
CML接口输出结构

CML接口的输出电路形式是一个差分对管，该差分对的集电极电阻为50欧姆，如图4所示，输出信号的高低电平切换是靠共发射极差分对管的开关控制的，差分对的发射极与地之间的恒流源典型值为16mA，假定CML输出负载为一50欧姆上拉电阻，则单端CML输出信号的摆幅为VCC至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50欧姆负载，这时的直流阻抗由集电极电阻决定，为50欧姆，CML输出共模电压变为VCC-0.4V，
图4. CML接口输出结构
差分信号摆幅仍为800mVP-P。

CML接口输入结构
CML输入结构有几个重要特点，这也使它在高速数据传输中成为常用的方式，如图5所示，输入晶体管作为射随器，后面驱动一差分放大器

图5. CML接口输入结构
CML到CML的连接
如果接收器与发送器之间采用相同的VCC电源，CML驱动器输出可以直流耦合到CML接收器输入，无需额外的元件。如果接收器与发送器采用不同的电源，系统需要用交流耦合方式。交流耦合情况下， 图6. CML到CML的连接

耦合电容应足够大，以避免信号包含一长串相同数字时导致过大的低频衰减。图6给出了CML与CML之间的连接。
CML电流模式逻辑接口的性能为最高。高速点到点接口是典型的电流模式逻辑应用方案。由于驱动器及接收器采用内置式终端，因此可以无需加设外置式无源元件。电流模式逻辑接口可支持 10Gbps 以上的数据传输率。
4．LVDS接口
LVDS低电压差分信号，差分电路的抗噪声能力强，因此可以使用低电压摆幅信号。这又意味着信号频率可以更快。该方式有三大优点，使其更具有吸引力。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100欧姆。这一特征使它适合做并行数据传输。2 ) LVDS信号摆幅小，从而使得该结构可以在2.5V的低电压下工作。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。

LVDS接口输出结构
LVDS差分输出结构在低功耗和速度方面做了优化。电路差分输出阻抗为100欧姆。
图7. LVDS接口输出结构
LVDS接口输入结构
LVDS输入结构如图7所示，IN+与IN-输入差分阻抗为100欧姆，为适应共模电压宽范围内的变化，输入级还包括一个自动电平调整电路，该电路将共模电压调整为一固定值，该电路后面是一个施密特触发器。施密特触发器为防止不稳定，设计有一定的滞回特性，施密特后级是差分放大器。
图8. LVDS接口输入结构
LVDS与LVDS的连接
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9中那样直接联接。
图9 LVDS与LVDS的连接
目前，流行的LVDS技术规范有两个标准：一个是TIA/EIA（电讯工业联盟/电子工业联盟）的ANSI/TIA/EIA－644标准，另一个是IEEE 1596.3标准。标准推荐的最高数据传输速率是655Mbps。LVDS的应用模式可以有：点对点；多分支形式，即一个驱动器连接多个接收器。当有相同的数据要传给多个负载时，可以采用这种应用形式。多点结构（multipoint）。此时多点总线支持多个驱动器，也可以采用BLVDS驱动器。为了支持LVDS的多点应用，即多分支结构和多点结构，2001年新推出的多点低压差分信号（MLVDS）国际标准ANSI/TIA/EIA 8992001，规定了用于多分支结构和多点结构的MLVDS器件的标准，目前已有一些MLVDS器件面世。
5．PCB设计要点
   上述三种接口均属于差分输出，在PCB的设计中，应注意使差分线对内的长度相互匹配，以减少信号扭曲。（公差应控制在5mil内）。差分线对内两条线之间的距离应尽可能小，以使外部干扰为共模特征。差分线对间的距离应尽可能保持一致，以降低差分阻抗分布的不连续性。
由于每个过孔可带来0.5－1.0dB的损耗应尽量减少过孔数目。过孔的通孔和焊盘应有尽量小的物理尺寸，并且在通孔穿越的未连接不加焊盘，差分对内的过孔不仅在数量上要匹配，而且在放置的位置上也要接近，以使阻抗分布尽量一致。
对走线方式的选择没有限制，微带线和带状线均可，但是必须注意有良好的参考平面。对不同差分线之间的间距要求间隔不能太小，至少应该大于3~5倍差分线间距。避免导致阻抗不连续的90°走线，而要用圆弧或45°折线来代替。走线时应使向左、向右折角的数量接近，这样可减少信号经差分线传输引起的扭曲。
对于LVDS信号/和PECL信号，必须进行阻抗控制（通常将差分阻抗控制在100欧姆/50欧）。对于不能控制阻抗的PCB布线必须小于500MIL。这样的情况主要表现在连接器上，所以在布局时要注意将LVDS和PECL器件放在靠近连接器处，让信号从 器件出来后就经过连接器到达另一单板。同样，让接收端也靠近连接器，这样就可以保证板上的噪声不会或很少耦合到差分线上。对于点到点拓扑,走线的阻抗通常控制在100欧/50欧，但匹配电阻可以根据实际的情况进行调整。
对LVDS信号和PECL信号与其它信号比如TTL信号，最好使用不同的走线层，如果因为设计限制必须使用同一层走线，和TTL的距离应该足够远，至少应该大于3~5倍差分线间距。
对接收端的匹配电阻到接收管脚的距离要尽量的靠近，一般应小于7mm，最大不能超过12mm。 
    在PCB设计上，我们主要关心的是阻抗的控制和线长。阻抗的计算可以通过相关阻抗计算软件算出。保持差分线的等长也是设计的重点，特别是经过连接器的LVDS信号。
6．结束语
本文给出了高速数据输入输出接口电路的结构，介绍了高速传输系统中PCB设计以及LVDS接口、PECL接口、CML接口电路结构及连接方式和应用。