交流信号叠加直流偏置_高速数字电路设计通关五部曲（二）：接口信号匹配与对接...

昨天分享了高速数字电路设计的基本概念和常见高速电路及特点(若需回顾&＃xff0c;请戳下方链接)。今天来看看高速数字电路的接口信号匹配与对接。

这是一个连接&＃xff1a;

 高速数字电路设计通关五部曲(一)

基本概念&＃43;常见高速电路及特点

对于高速信号的匹配和对接&＃xff0c;从电气来考虑的话&＃xff0c;主要考虑两个方面的问题&＃xff1a;

      1、AC信号的摆幅和回路

      2、DC电平的幅度和回路

如果从实际设计的方便和合理的角度来考虑的话&＃xff0c;要把握几个基本原则&＃xff1a;

      1、容易布板

      2、功耗最小

      3、匹配方式最简单(阻容个数最少)

 一般情况下&＃xff0c;如果是同一种电平信号的对接&＃xff0c;基本上都是采用直流耦合方式对接就可以了。

但是对于不同信号电平之间的对接来说&＃xff0c;AC的幅度和DC的幅度不一定能够完全对应得上&＃xff0c;所以必须考虑好AC和DC的幅度。

在这种情况下&＃xff0c;采用交流耦合的方式比较常见&＃xff0c;当然也可以直流耦合(一般情况下要用电阻分压等方式来实现AC和DC的幅度相匹配)。

方式一&＃xff1a;

图 1

图 1 的匹配方式是 PECL电路的基本匹配模型&＃xff0c;其中&＃xff1a;2 个 50 欧姆的作用&＃xff0c;既是交流匹配的电阻&＃xff0c; 所以应该在离输入端很近的地方&＃xff0c;同时充当直流回路的偏置电阻。

由于是同一种电平对接&＃xff0c; AC摆幅和DC电平当然没有问题(符合下表)&＃xff1a;

      缺点&＃xff1a;

1、只有二个匹配电阻&＃xff0c; 电阻个数最少&＃xff0c; 但是二个电阻都必须靠输入端比较近的地方放置&＃xff0c; PCB布板可能有点困难。

2、最大的缺点就是需要 VCC-2V的电源&＃xff0c;如果这种电路的路数很多&＃xff0c;为此提供 VCC-2V还是可以的&＃xff0c;如果路数不多&＃xff0c;那么就不值得了。

经过演化变化成图2。

方式二&＃xff1a;

图2

图2 是从图1 演化而来&＃xff0c;R1&＃61;130&＃xff0c;R2&＃61;82( 3v3)&＃xff1b;R1&＃61;82&＃xff0c;R2&＃61;130( 5v)。其中 R1//R2 既充当交流匹配电阻( 50 欧姆)&＃xff0c;也充当直流偏置电阻。

缺点&＃xff1a;

1、4个电阻都必须放在离输入端很近的地方&＃xff0c;对 PCB布板造成困难。

2、匹配电阻功耗比较大&＃xff0c; 如果路数很多的话&＃xff0c; 对单板的功耗来说是一个比较大的问题(静态电阻很小) 。

在实际的布板过程中&＃xff0c;我们并不提倡使用这种电路 。

方式三&＃xff1a;

图3

图3 是一种资料上很少提&＃xff0c;但是却很有用的电路方式&＃xff0c;其中 R1&＃61;140~200 欧姆( 3v3)&＃xff0c; R1&＃61;270~330欧姆( 5V)&＃xff0c; R2&＃61;100 欧姆。R1为输出门提供偏置电流&＃xff0c; R2 为交流信号提供匹配。输入门的直流电平直接利用输出门的直流电平&＃xff0c;并不需要外来的上下拉电阻来提供。

优点&＃xff1a;

1、电阻个数很少&＃xff0c;只有 3 个。

2、只有 R2一个电阻必须放在离输入门比较近的地方&＃xff0c; R1放置的地方可以比较随便&＃xff0c;只要不引入过长的线头(过长的线头会导致反射)就可以了。

3、PCB布板比较容易处理。

这种电路的功耗比图2小得多&＃xff0c;是一个优选电路 。

对于 LVPECL和 PECL来说&＃xff0c;虽然 AC 的摆幅相同( 800mV)&＃xff0c;但是直流电平不一样&＃xff0c;所以无法之间用 DC耦合对接起来。在这种情况下&＃xff0c;我们可以考虑用 AC耦合方式来处理。

方式一&＃xff1a;

图4

其中&＃xff1a;R1&＃61;140~200 欧姆 属于直流偏置电阻&＃xff0c;C1为耦合电容&＃xff0c; 可以放在线上的任何一个地方&＃xff0c; 不一定在源端&＃xff0c; 也不一定要在末端。R2&＃61;100 欧姆 属于交流匹配电阻&＃xff0c;一定要放在末端。

R3、 R4 为 K 级别的电阻&＃xff0c; 必须满足R4/(R3&＃43;R4)&＃61;(VCC-1.3V)/VCC的比值就可以了。R3/R4 是为输入端提供直流电平&＃xff0c;所以对 PCB上的位置没有特殊要求&＃xff0c;只需要不引入长线头就可以了。

优点&＃xff1a;

1、对于交流耦合来说&＃xff0c;器阻容器件的个数算是比较少的了&＃xff1b;

2、只对一个电阻的位置( R2)有要求&＃xff0c;其他的没有要求&＃xff1b;

3、功耗也比较小。

4、当 LVPECL输出没有交流信号的时候&＃xff0c;那么输入端却可以依靠 100 欧姆的电阻&＃xff0c;使得 P/N 维持一个电压差&＃xff0c;从而保证输入端的稳定(恒为“ 0”或者“ 1”)。

大家可以联想到芯片 LOS信号的检测机制――看输入的信号是否为长“ 0”或者长“ 1”。为芯片的正确检测 LOS提供了保证。而图5 的匹配方式是无法解决这个问题的。该电路属于优选电路类型。这种方式可以推广到 LVPECL&LVDS&＃xff1b;LVDS&LVPECL等电平的对接。

方式二&＃xff1a;

图5

图5 电路是很多资料推荐使用的&＃xff0c; 从原理上分析没有错&＃xff0c; 但是从实用的角度来说并不是最佳方案。

缺点&＃xff1a;

1、电路( a)种的 R2/R3 既做为交流匹配电阻&＃xff0c;又做为输入直流电平&＃xff0c;由于 R2/R3共 4 个电阻必须放在输入引脚附近&＃xff0c;所以可能导致 PCB布板困难。同时功耗也比较大。

2、电路( b)应该说有比( a)比较大的改进&＃xff0c;虽然从电阻的个数上来说还多了一个&＃xff0c;但是 PCB布板容易&＃xff0c;并且功耗比较小。其 R2/R3 阻值可以是 K 级别的。

此方案不提倡使用。

方式三&＃xff1a;

图6

图6 从原理上来说也没有错&＃xff0c;但是 R2/C1/R3/R4 等 7 个阻容必须放输入端很近&＃xff0c;布局相当困难&＃xff0c;对于 PCB 布局来说还不如方式一和方式二。

此方案不推荐使用 。

对于 LVPECL输出&＃xff0c; LVDS输入的信号来说&＃xff0c; LVPECL的直流输出电平为 2V 左右&＃xff0c;而 LVDS的直流输入可以为 0.2V~2.2V&＃xff0c; 所以直流电平本身不是关键。

 对于交流电平来说 LVPECL输出最大为 800mV&＃xff0c;甚至超过 1V&＃xff0c;而 LVDS的输入交流电平一般不能承受 800mV 的输入(具体还得看芯片资料的说明) &＃xff0c;一般是认为最大在 400mV 左右。

所以如何把交流幅度调整到 LVDS能够接受的范围才是关键。

图 7

以上是 LVPECL到 LVDS的 DC和 AC二种耦合的示意图。具体的电阻值请参考其他资料&＃xff0c;自行计算。

对于 LVPECL输出 CML 输入的信号来说&＃xff0c; LVPECL的输出交流摆幅比较大&＃xff0c;可能会超过 CML 电平的最大输入摆幅&＃xff0c;所以一般情况下应该加衰减&＃xff0c;同时也要关注直流电平。同样&＃xff0c;有 AC耦合和 DC耦合二种。

图 8

一般情况下&＃xff0c; 二种不同直流电平的信号 (即输出信号的直流电平与输入需求的直流电平相差比较大) &＃xff0c;提倡使用 AC 耦合 &＃xff0c;这样输出的直流电平与输入的直流电平独立。

对于 CML 输出&＃xff0c; LVPECL输入来说&＃xff0c;由于直流电平相差很大&＃xff0c;所以一般采用交流耦合方式。 

而 CML输出的交流幅度一般不会大于 LVPECL接收的交流幅度&＃xff0c;所以交流方面只需要考虑匹配就可以了&＃xff0c;不需要考虑幅度。有些资料提供的匹配电路图如下&＃xff1a;

图 9

本人认为&＃xff0c;图( a)( b)存在图5、图6 所描述的相同弊病&＃xff0c;最好采用如图10 结构的电路 。同样&＃xff0c;图( c)的 100 欧姆电阻放在电容后面对于 PCB布板来说更方便一些&＃xff0c;从匹配的角度来说更好一些。

图10

应该说 LVDS之间的对接是最简单的对接了。

图 11

图 12

CML 电平一般情况下使用直流耦合就可以了。当然如果二个芯片的供电电源不同就必须用交流耦合了。因为此时二个芯片直接的直流电平不同&＃xff0c; 不能直接对接。

一般情况下&＃xff0c; 不会存在 LVDS与 CML 之间的对接&＃xff0c; 因为 CML 电平一般用在高速信号&＃xff0c;如 2.5G/10G 等场合。

而 LVDS一般很难用在那么高的速率。在这里要注意的是&＃xff0c;输出交流幅度是否落在输入交流幅度之内

图13

整理自EDA365电子论坛

因为知识点较多

也为了大家更好的吸收和掌握

高速数字电路设计知识点

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 未完待续 

 下期预告&＃xff1a;信号反射与端接技术 

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