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嵌入式数字电路各种逻辑电平-1

嵌入式数字电路各种逻辑电平-1

在通用的电子器件设备中,TTL和CMOS电路的应用非常广泛。但是面对现在系统日益复杂,传输的数据量越来越大,实时性要求越来越高,传输距离越来越长的发展趋势,掌握高速数据传输的逻辑电平知识和设计能力就显得更加迫切了。 5V TTL和5V CMOS逻辑电平是通用的逻辑电平。3.3V及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平,常用的为LVTTL电平。低电压的逻辑电平还有2.5V和1.8V两种。ECL/PECL和LVDS是差分输入输出。RS-422/485和RS-232是串口的接口标准,RS-422/485是差分输入。一、常见的逻辑电平

现在常用电平标准有:TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等,还有一些速度比较高的LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等。下面简单介绍一下各自的供电电源、电平标准以及使用注意事项。

1、TTL:Transistor-Transistor Logic 三极管结构。
Vcc:5V;
VOH>=2.4V;VOL<=0.5V;
VIH>=2V;VIL<=0.8V。


因为2.4V与5V之间还有很大空闲,对改善噪声容限并没什么好处,又会白白增大系统功耗,还会影响速度。所以后来就把一部分“砍”掉了。也就是后面的LVTTL。


2、LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL)。
  3.3V LVTTL:
    Vcc:3.3V;



VOH>=2.4V;VOL<=0.4V;



VIH>=2V;VIL<=0.8V。
  2.5V LVTTL:


Vcc:2.5V;



VOH>=2.0V;VOL<=0.2V;



VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。

更低的LVTTL不常用。多用在处理器等高速芯片,使用时查看芯片手册就OK了。


TTL使用注意:TTL电平一般过冲都会比较严重,可能在始端串22欧或33欧电阻;TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。TTL输出不能驱动CMOS输入。

3、CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor         PMOS+NMOS。

Vcc:5V;VOH>=4.45V;VOL<=0.5V;VIH>=3.5V;VIL<=1.5V。

相对TTL有了更大的噪声容限,输入阻抗远大于TTL输入阻抗。对应3.3V LVTTL,出现了LVCMOS,可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动。
3.3V LVCMOS:


Vcc:3.3V;



VOH>=3.2V;VOL<=0.1V;



VIH>=2.0V;VIL<=0.7V。


2.5V LVCMOS:


Vcc:2.5V;



VOH>=2V;VOL<=0.1V;



VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。

CMOS使用注意:CMOS结构内部寄生有可控硅结构,当输入或输入管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)时,电流足够大的话,可能引起闩锁效应,导致芯片的烧毁。

4、ECL:Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑电路(差分结构)


Vcc=0V;Vee:-5.2V;



VOH=-0.88V;VOL=-1.72V;



VIH=-1.24V;VIL=-1.36V。


速度快,驱动能力强,噪声小,很容易达到几百M的应用。但是功耗大,需要负电源。为简化电源,出现了PECL(ECL结构,改用正电压供电)和LVPECL。

ECL电路的最大特点是其基本门电路工作在非饱和状态,因此ECL又称为非饱和性逻辑。也正因为如此,ECL电路的最大优点是具有相当高的速度。这种电路的平均延迟时间可达几个ns数量级甚至更少。传统的ECL以VCC为零电压,VEE为-5.2 V电源,VOH=VCC-0.9 V=-0.9 V,VOL=VCC-1.7 V=-1.7 V,所以ECL电路的逻辑摆幅较小(仅约0.8 V)。当电路从一种状态过渡到另一种状态时,对寄生电容的充放电时间将减少,这也是ECL电路具有高开关速度的重要原因。另外,ECL电路是由一个差分对管和一对射随器组成的,所以输入阻抗大,输出阻抗小,驱动能力强,信号检测能力高,差分输出,抗共模干扰能力强;但是由于单元门的开关管对是轮流导通的,对整个电路来讲没有“截止”状态,所以电路的功耗较大。

5、PECL:Pseudo/Positive ECL


Vcc=5V;
VOH=4.12V;VOL=3.28V;
VIH=3.78V;VIL=3.64V
  如果省掉ECL电路中的负电源,采用正电源的系统(+5 V),可将VCC接到正电源而VEE接到零点。这样的电平通常被称为PECL(Positive Emitter Coupled Logic)。如果采用+3.3 V供电,则称为LVPECL。当然,此时高低电平的定义也是不同的。它的电路如图3、4所示。其中,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,而且标准的输出负载是接50Ω至VCC-2 V的电平上。
  在使用PECL 电路时要注意加电源去耦电路,以免受噪声的干扰。输出采用交流耦合还是直流耦合,对负载网络的形式将会提出不同的需求。直流耦合的接口电路有两种工作模式:其一,对应于近距离传送的情况,采用发送端加到地偏置电阻,接收端加端接电阻模式;其二,对应于较远距离传送的情况,采用接收端通过电阻对提供截止电平VTT 和50 Ω的匹配负载的模式。以上都有标准的工作模式可供参考,不必赘述。对于交流耦合的接口电路,也有一种标准工作模式,即发送端加到地偏置电阻,耦合电容靠近发送端放置,接收端通过电阻对提供共模电平VBB 和50 Ω的匹配负载的模式。


(P)ECL是高速领域内一种十分重要的逻辑电路,它的优良特性使它广泛应用于高速计算机、高速计数器、数字通信系统、雷达、测量仪器和频率合成器等方面。


6、LVPELC:Low Voltage PECL


Vcc=3.3V;
VOH=2.42V;VOL=1.58V;
VIH=2.06V;VIL=1.94V

ECL、PECL、LVPECL使用注意:不同电平不能直接驱动。中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。以上三种均为射随输出结构,必须有电阻拉到一个直流偏置电压。如多用于时钟的LVPECL:直流匹配时用130欧上拉,同时用82欧下拉;交流匹配时用82欧上拉,同时用130欧下拉。但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右。

7、前面的电平标准摆幅都比较大,为降低电磁辐射,同时提高开关速度又推出LVDS电平标准。
  LVDS:Low Voltage Differential Signaling

差分对输入输出,内部有一个恒流源3.5-4mA,在差分线上改变方向来表示0和1。通过外部的100欧匹配电阻(并在差分线上靠近接收端)转换为±350mV的差分电平。LVDS使用注意:可以达到600M以上,PCB要求较高,差分线要求严格等长,差最好不超过10mil(0.25mm)。100欧电阻离接收端距离不能超过500mil,最好控制在300mil以内。

8、其他的一些:

CML:是内部做好匹配的一种电路,不需再进行匹配。三极管结构,也是差分线,速度能达到3G以上。只能点对点传输。
CML 接口典型的输出电路是一个差分对形式。该差分对的集电极电阻为50 Ω,输出信号的高低电平切换是靠共发射极差分对的开关控制的。差分对的发射极到地的恒流源典型值为16 mA。假定CML的输出负载为一个50 Ω上拉电阻,则单端CML输出信号的摆幅为VCC~VCC-0.4 V。在这种情况下,差分输出信号摆幅为800 mV。信号摆幅较小,所以功耗很低,CML接口电平功耗低于ECL的1/2,而且它的差分信号接口和 ECL、LVDS电平具有类似的特点。 CML到CML之间的连接分两种情况:当收发两端的器件使用相同的电源时,CML到CML可以采用直流耦合方式,不用加任何器件;当收发两端器件采用不同电源时,一般要考虑交流耦合,中间加耦合电容(注意这时选用的耦合电容要足够大,以避免在较长连0 或连1 情况出现时,接收端差分电压变小)。 但它也有些不足,即由于自身驱动能力有限,CML更适于芯片间较短距离的连接,而且CML接口实现方式不同用户间差异较大,所以现有器件提供CML接口的数目还不是非常多。1.3CML电平CML电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入和输出是匹配好的,减少了外围器件,适合于更高频段工作。

GTL:类似CMOS的一种结构,输入为比较器结构,比较器一端接参考电平,另一端接输入信号。1.2V电源供电。

Vcc=1.2V;

VOH>=1.1V;VOL<=0.4V;
VIH>=0.85V;VIL<=0.75V


PGTL/GTL+:

Vcc=1.5V;



VOH>=1.4V;VOL<=0.46V;



VIH>=1.2V;VIL<=0.8V


HSTL是主要用于QDR存储器的一种电平标准:一般有V¬CCIO=1.8V和V¬¬CCIO=1.5V。和上面的GTL相似,输入为输入为比较器结构,比较器一端接参考电平(VCCIO/2),另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度)。

SSTL主要用于DDR存储器。和HSTL基本相同。V¬¬CCIO=2.5V,输入为输入为比较器结构,比较器一端接参考电平1.25V,另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度)。

HSTL和SSTL大多用在300M以下。


RS232采用±12-15V供电,我们电脑后面的串口即为RS232标准。+12V表示0,-12V表示1。可以用MAX3232等专用芯片转换,也可以用两个三极管加一些外围电路进行反相和电压匹配。
RS485是一种差分结构,相对RS232有更高的抗干扰能力。传输距离可以达到上千米。
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