LVDS与PECL、LVPECL、CML、RS-422及单端器件之间的接口设计

低电压差分信号(LVDS)在对信号完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到了广泛的应用。本文针对LVDS与其他几种接口标准之间的连接，对几种典型的LVDS接口电路进行了讨论。
如今对高速数据传输的需求正推动着接口技术向高速、串行、差分、低功耗以及点对点接口的方向发展，而低电压差分信号(LVDS)具备所有这些特性。Pericom半导体公司可提供多种LVDS驱动器、接收器以及时钟分配缓冲器芯片。
本文将讨论LVDS与正射极耦合逻辑(PECL)、低电压正射极耦合逻辑(LVPECL)、电路模式逻辑(CML)、RS-422以及单端器件之间采用电阻网络的接口电路设计。
因为各厂商所提供的驱动器与接收器的结构不一样，所以本文提供的电路仅供设计时参考。设计者需要对电路进行验证，并调节电路中的电阻和电容值以获得最佳性能。
电阻分压器的计算
表1列出了本文所采用的不同接口标准的工作电压。为使PECL和LVPECL接口标准能与Pericom公司的LVDS器件进行连接，采用电阻分压器在不同电压之间切换。



表1：LVDS、PECL、LVPECL、CML和RS-422接口的电压规范。

图1所示的接口电路采用由电阻R1、R2和R3组成的电阻分压器。



图1：PECL/LVPECL到LVDS的接口电路
R1、R2与R3的电阻值计算如下：
R1||(R2＋R3)＝Z

[(R2＋R3)/(R1＋R2＋R3)]＝Va/Vcc

R3/(R1＋R2＋R3)＝Vb/Vcc
其中：
Va为SEPC或LVPECL的偏置电压Vos，分别为3.6V和2.0V；
Vb为LVDS的偏置电压Vos，等于1.2V；
Z为线路阻抗，等于50Ω。
Vb上的增益G为：
G＝R3/(R2＋R3)
Vb上的摆幅为：
Vbs＝Vas×G
其中：
Vas为Va上的摆幅；
Vbs为Vb上的摆幅。
由于在计算中没有考虑驱动器的输出阻抗，所以在实际应用设计中，R1、R2及R3的电阻值与上述计算的结果不一样。另外，不同厂家的驱动器的输出结构和阻抗不一样，因此R1、R2及R3的电阻值也是不同的。
可以通过三种方法算出电阻值。
1.经验法
利用表2列出的电阻参考值，并根据后面介绍的方法2及方法3来调节这些值。接口设计者应通过测量Va和Vb上的偏置电压Vos以及摆幅Vpp来验证实际应用设计电路。


表2：R1、R2和R3的参考值

2.仿真工具法

从厂家获得驱动器的IBIS模型，并针对R1、R2及R3的电阻值对接口电路进行仿真。如果IBIS模型和仿真工具都很精确，则电路仿真将提供准确的R1、R2及R3的电阻值，然后通过测量实际电路来验证仿真得到的电阻值。
3.实际调节法
采用图2所示的电路调节R1、R2及R3的电阻值。



图5：LVPECL到LVDS的接口电路。



图6：LVDS到LVPECL的接口电路。

在图6所示的LVDS到LVPECL的接口电路里，电阻值也仅适用于Pericom公司的LVDS驱动器，这里的LVPECL接收器没有内部上拉电阻。



图7：采用二极管的LVDS到LVPECL的接口电路。
图7中，二极管D1、D2、D3和D4在Va与Vb之间产生0.7V的电压差，且其摆幅衰减低于图6电路中的摆幅衰减。这个电路应采用正向压降为0.7V的高速二极管，芯片型二极管最好。电路中的电阻值适用于Pericom公司的LVDS驱动器，LVPECL接收器没有上拉电阻。



图8：CML到LVDS的接口电路。
图8接口电路采用交流耦合，只能通过交流信号，因此从驱动器传输到接收器的信号必须适合交流耦合。当电容C1与C2为0.1uf时，任何信号状态转换(由高至低或由低至高)之间的最大时间间隔为500ns。



图9：LVDS到CML的接口电路

图9电路中的电阻值适用于Pericom公司的LVDS驱动器，CML接收器带有50Ω的内部上拉电阻。由于采用交流耦合，故它仅能通过交流信号，因此从驱动器传输至接收器的信号必须适合交流耦合。当电容C1与C2值为0.1uf时，任何信号状态转换(由高至低或由低至高)之间的最大时间间隔为500ns。



图10：RS-422到LVDS的接口电路。



图11：单端信号到LVDS的接口电路。

当单端CMOS驱动器与Pericom公司的LVDS接收器连接时，可采用图11中的电路以及表3中的参数，同时使由R_out和R_termination构成的输出阻抗与50 Ω的走线阻抗相匹配，即：
R_out＋R_termination＝Z＝50Ω
例如，如果驱动器的输出阻抗为20Ω，则应该采用30Ω的R_termination，于是有：
20Ω＋30Ω＝50Ω



表3：适合Pericom公司接收器的R1、R2和Va值。



图12：5V单端信号到LVDS的接口电路。

在图12中，根据Vb上的信号质量，R_termination的阻值介于0－22Ω之间。如果Vb上有过冲和下冲，则增加R_termination的阻值；如果Vb上的信号边沿有衰减，则减小R_termination的阻值。
本文小结
本文提供了几个典型的参考电路，可以很方便地将不同接口标准与Pericom公司的LVDS器件进行连接。由于各厂商提供的驱动器不同，所以本文提供的所有电路需要由设计者在实际应用前进行验证。Pericom公司提供多种LVDS驱动器、接收器及差分时钟分配器件，并将对采用Pericom产品的接口设计提供支持。