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

　　ECL 電路簡介

　　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(shù)字邏輯電路，電路內(nèi)晶體管工作在線性區(qū)或截止區(qū)，速度不受少數(shù)載流子的存儲時間的限制，所以它是現(xiàn)有各種邏輯電路中速度最快的一種， 能滿足高達10Gbps工作速率。最先由Motorola公司提出ECL標準。ECL 的主要分類如下。

　　PECL 電路簡介

　　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 演變而來的，ECL 即Emitter-Couple Logic，也就是發(fā)射極耦合邏輯。ECL 有兩個供電電壓VCC和VEE。當(dāng)VEE接地時，VCC接正電壓時，這時的邏輯稱為PECL；當(dāng)VCC 接地時，VEE接負電壓時，這時的邏輯成為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(tǒng)內(nèi)其他電路共用一個正電源供電，所以PECL/ LVPECL相對于ECL應(yīng)用更為廣泛。起初的PECL器件是將VCC接+5V，后來為了直接利用廣泛使用的3.3V和2.5V電壓，出現(xiàn)了VCC=3.3V/2.5V的LVPECL（Low Voltage PECL）。

　　LVPECL 電路簡介

　　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演變而來的。

　　PECL/LVPECL電路結(jié)構(gòu)

　　PECL 的輸入是一個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有些差異，請參考相應(yīng)的datasheet。有部分芯片在內(nèi)部已經(jīng)集成了偏置電路，使用時直接連接即可，有的芯片沒有加，使用時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

　　1、ECL 邏輯的優(yōu)點：

　　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(shù)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(yīng)用中相對地放松對電源波紋、偏差和分配的要求。有時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(nèi)阻的要求。

　　3）速度快。晶體管工作時不進入飽和狀態(tài)，只工作在線性區(qū)和截止區(qū)，沒有少數(shù)載流子的存儲現(xiàn)象，開關(guān)時間大為縮短；集電結(jié)電容大大減小，RC時間常數(shù)也相應(yīng)減小，電路的傳輸延遲時間就很短；電路的邏輯電平擺幅?。▎味诵∮?50mV），在動態(tài)轉(zhuǎn)換過程中各個結(jié)上的電壓變化對結(jié)電容（包括寄生電容）的充放電時間很短。

　　2、ECL 邏輯的缺點：

　　1）ECL的缺點也很明顯，那就是功耗大?？梢哉f，ECL 的高速性能是用高功耗為代價換來的。

　　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(jù)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(dāng)然，以上的直流特性只是對一般而言，實際上到具體的器件上還是會稍有不同，同一器件的輸入和輸出也不一樣。在設(shè)計的時候，都應(yīng)該參考相應(yīng)器件的datasheet來獲得其準確的電氣特征。

　　關(guān)于直流特性，還有很重要的一點就是兩個ECL器件之間的接口匹配，也就是說，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(nèi)。我們稱這個容差范圍為“接收窗口”。如果Driver的輸出沒有落在這個接收窗口之內(nèi)，就有可能造成接收端的誤判，從而造成設(shè)計上的失敗。

　　因此看兩個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（這種情況并不多見），互連分析得方法與LVTTTL，COMS等單端信號的方法類似。

　　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(gòu)成了VIH的接收窗口，VIL的最大和最小值構(gòu)成了VIL的接收窗口。如下圖：

　　當(dāng)Driver的VOH范圍全部落入Receiver的VIH窗口之內(nèi)，Driver的VOL范圍全部落入Receiver的VIL窗口之內(nèi)時，可以保證Receiver可以正確接收Driver的輸出，否則會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，其允許的最大單端電壓。

　　只要落在這個范圍內(nèi)的差分信號，即同時滿足：

　　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VCC或者VEE；

　　滿足以上條件的差分信號都可以被正確接收。可以注意到，如果共模信號被端接到VBB =VCC-1.3V，接受窗口最大。

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