ECL PECL LVPECL信號都是什么？它們的優(yōu)缺點(diǎn)和電路圖詳細剖析

　　ECL 電路簡(jiǎn)介

　　ECL電路（即發(fā)射極耦合邏輯電路Emitter-Couple Logic）是一種非飽和型的數字邏輯電路，電路內晶體管工作在線(xiàn)性區或截止區，速度不受少數載流子的存儲時(shí)間的限制，所以它是現有各種邏輯電路中速度最快的一種， 能滿(mǎn)足高達10Gbps工作速率。最先由Motorola公司提出ECL標準。ECL 的主要分類(lèi)如下。

　　PECL 電路簡(jiǎn)介

　　PECL即PosiTIve Emitter-Couple Logic，也就是正發(fā)射極耦合邏輯的意思，使用5.0V電源。PECL 是由ECL 演變而來(lái)的，ECL 即Emitter-Couple Logic，也就是發(fā)射極耦合邏輯。ECL 有兩個(gè)供電電壓VCC和VEE。當VEE接地時(shí)，VCC接正電壓時(shí)，這時(shí)的邏輯稱(chēng)為PECL；當VCC 接地時(shí)，VEE接負電壓時(shí)，這時(shí)的邏輯成為NECL，VEE一般接-5.2V電源；一般狹義的ECL 就是指NECL。由于PECL/LVPECL可以和系統內其他電路共用一個(gè)正電源供電，所以PECL/ LVPECL相對于ECL應用更為廣泛。起初的PECL器件是將VCC接+5V，后來(lái)為了直接利用廣泛使用的3.3V和2.5V電壓，出現了VCC=3.3V/2.5V的LVPECL（Low Voltage PECL）。

　　LVPECL 電路簡(jiǎn)介

　　LVPECL即Low Voltage PosiTIve Emitter-Couple Logic，也就是低壓正發(fā)射極耦合邏輯，使用3.3V或2.5V電源，LVPECL是由PECL演變而來(lái)的。

　　PECL/LVPECL電路結構

　　PECL 的輸入是一個(gè)具有高輸入阻抗的差分對，該差分對的共模電壓需要偏置到VBB =VCC-1.3V，這樣允許的輸入信號電平動(dòng)態(tài)最大。對于不同芯片的輸入級，信號允許的共模電平可能會(huì )有些差異，請參考相應的datasheet。有部分芯片在內部已經(jīng)集成了偏置電路，使用時(shí)直接連接即可，有的芯片沒(méi)有加，使用時(shí)需要在芯片外部加直流偏置。

　　PECL的標準輸出負載是串聯(lián)50ohm至VCC-2V的電平上，在這種負載條件下，OUT+與OUT-的共模電壓是VBB=VCC-1.3V，OUT+/OUT-的輸出的平均電流為14mA。

　　ECL電路優(yōu)缺點(diǎn)

　　1、ECL 邏輯的優(yōu)點(diǎn)：

　　1）扇出能力強。ECL輸出阻抗低（6~8ohm），輸出阻抗高（通常為10kohm），所以扇出系數很高。

　　2）噪聲低，對電源要求低。ECL/PECL器件對電源電壓的同步變化是不太敏感的，因此可以在ECL某些應用中相對地放松對電源波紋、偏差和分配的要求。有時(shí)允許電路的電源電壓范ECL圍可寬至10％。由于差分電路兩臂交替工作，電路工作時(shí)電源電流基本上恒定（不隨邏輯狀態(tài)變化而變化，也不隨工作頻率增加而增加），因此可以考慮放寬對電源內阻的要求。

　　3）速度快。晶體管工作時(shí)不進(jìn)入飽和狀態(tài)，只工作在線(xiàn)性區和截止區，沒(méi)有少數載流子的存儲現象，開(kāi)關(guān)時(shí)間大為縮短；集電結電容大大減小，RC時(shí)間常數也相應減小，電路的傳輸延遲時(shí)間就很短；電路的邏輯電平擺幅?。▎味诵∮?50mV），在動(dòng)態(tài)轉換過(guò)程中各個(gè)結上的電壓變化對結電容（包括寄生電容）的充放電時(shí)間很短。

　　2、ECL 邏輯的缺點(diǎn)：

　　1）ECL的缺點(diǎn)也很明顯，那就是功耗大?？梢哉f(shuō)，ECL 的高速性能是用高功耗為代價(jià)換來(lái)的。

　　ECL信號互連

　　ECL邏輯的高低電平之差一般為800mV，其中心參考電平（共模電壓）VBB根據VCC變化，一般為VCC-1.3V。因此，PECL的電平隨VCC的不同而不同。如：

　　PECL：

　　VBB=5V-1.3V=3.7V，VOH=4.1V，VOL=3.3V；

　　LVPECL：

　　VBB=3.3V-1.3V=2V，VOH=2.4V，VOL=1.6V；

　　VBB=2.5V-1.3V=1.2V，VOH=1.6V，VOL=0.8V；

　　NECL：（VEE =-5V、-3.3V、-2.5V；VCC=0V），

　　VBB =0V-1.3V= -1.3V，VOH = -0.9V，VOL =-1.7V。

　　當然，以上的直流特性只是對一般而言，實(shí)際上到具體的器件上還是會(huì )稍有不同，同一器件的輸入和輸出也不一樣。在設計的時(shí)候，都應該參考相應器件的datasheet來(lái)獲得其準確的電氣特征。

　　關(guān)于直流特性，還有很重要的一點(diǎn)就是兩個(gè)ECL器件之間的接口匹配，也就是說(shuō)，我們要特別關(guān)注Driver的輸出是否在Receiver的輸入的容差范圍之內。我們稱(chēng)這個(gè)容差范圍為“接收窗口”。如果Driver的輸出沒(méi)有落在這個(gè)接收窗口之內，就有可能造成接收端的誤判，從而造成設計上的失敗。

　　因此看兩個(gè)ECL器件是否能夠互連，對于Driver，只要是從DATASHEET中得到其輸出高電平VOH和輸出低電平的VOL的范圍；對于Receiver，只要看其關(guān)于接收窗口的一些指標，分兩種情況。

　　1、單端信號

　　如果ECL用作單端信號的話(huà)（這種情況并不多見(jiàn)），互連分析得方法與LVTTTL，COMS等單端信號的方法類(lèi)似。

　　需要關(guān)注的是輸入高電平VIH和輸入低電平VIL的最大和最小值，VIH的最大和最小值構成了VIH的接收窗口，VIL的最大和最小值構成了VIL的接收窗口。如下圖：

　　當Driver的VOH范圍全部落入Receiver的VIH窗口之內，Driver的VOL范圍全部落入Receiver的VIL窗口之內時(shí)，可以保證Receiver可以正確接收Driver的輸出，否則會(huì )有潛在的互連不正確甚至損壞器件的可能。

　　2、差分信號

　　對于差分信號，要關(guān)注的指標是輸入共模電平VCM和差分信號VDIFF范圍。

　　如某器件的某輸入口工作在LVPECL模式下。其指標如下（AVDDH=2.5V）：

　　那么其接收窗口如下圖所示，圖中標出了共模電壓為最大或者最小時(shí)，其允許的最大單端電壓。

　　只要落在這個(gè)范圍內的差分信號，即同時(shí)滿(mǎn)足：

　　1．輸出|VDIFF|大于300mV；

　　2．輸出共模信號VBB位于400 mV到2000mV之間；

　　3．輸出的單端信號不能超過(guò)VCC或者VEE；

　　滿(mǎn)足以上條件的差分信號都可以被正確接收?？梢宰⒁獾?，如果共模信號被端接到VBB =VCC-1.3V，接受窗口最大。

　　由上可見(jiàn)，差分信號有比單端信號寬得多的接收窗口，這也是高速應用中差分信號被普遍采用的原因之一。