高速数字通讯应用中的电平标准详解

 

数字电路电平标准全解析

输入：VIH>3.5V，VIL<1.5V。

可以看出TTL电平的噪声容限为0.4V，CMOS的噪声容限为1.5V。

TTL和CMOS门电路结构：

如图TTL门结构，输出级采用推挽式输出结构，T4为射极跟随的形式，输出电阻小，带负载能力强。

如图CMOS门结构。

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。

二、高速电平标准

在高速电路中如何实现高速驱动输出呢？要么增大驱动电流，要么降低电平标准，或者提高晶体管工作速度。显然前者会带来非常大的功耗，因此改变电平标准和改进晶体管设计成为选择，虽然低电平更容易受到干扰，所以需要更严格的硬件设计。

1、ECL和PECL电平接口

ECL即射极耦合逻辑（Emitter Coupled Logic）采用的是差分结构输出，并需要负电源供电。后来发展处PECL，即正电源射极耦合逻辑。基本原理就是利用晶体管工作在非饱和区来减小转换时间，大大提高转换速度。

ECL的输出管始终有电流通过，非常有利于高速转换。输出阻抗几欧姆，输出电流10mA左右，驱动能力强。

接口连接：直流耦合，适用于短距离

这个匹配方式由等效而来，具体阻值计算：

接口连接：交流耦合，适用于较远距离

2、LVDS电平接口

LVDS即Low-Voltage Differential Signaling，是一种利用低压差分信号传输高速信号的电平标准。特点是：低压，低功耗，噪声抑制能力强。

如图LVDS的输入和输出规格：

LVDS的连接方式：直接连接，因为片内具有端接电阻。

三、CML电平接口

CML即电流模式逻辑电平，采用恒流驱动，内置匹配电阻，使用简单，短距离高速应用中最多。

下图是几种高速接口的性能简单比较：

三、常用普通电平标准

在工业领域应用最多的应该是485 232的电平标准，两者各有优缺点，成本低，使用也比较简单，但是依然有很多技术要点可以讨论，譬如传输速度，距离，防护设计等等。

RS232和RS485的连接问题：

工作中了解到不少同学对于232或者485的连接一直有些迷糊，关于信号的收发端定义及公母头连接，一开始我也是经常摸不着头脑。以收发地三线为主。

标准的232是DB9接头：

简记为：235-收发地。

485如何利用DB9连接：

485的两根线对应DB9头的1,2脚。

232和485与MCU的连接：

四、小结

关于数字电平的标准主要就这么几种，这些都是在硬件层面的定义，在软件上对应的就有各种协议通讯方式的规定。关于接口设计确实是电路设计中的重点，尤其是在目前的高速数字通讯应用当中，我觉得主要有几个要掌握的方面：

1、信号电平的应用电路，也就是基本结构要清晰。

2、防护设计问题要考虑周全，不同接口对于负载对于匹配度的要求都不一样。

3、PCB设计的重要性，在高速设计中很多都采用EDA软件仿真的方式来协助查找关于干扰的问题，但是首要的还是要严格遵循相关规则和规范来设计。

4、实验的必要性。尤其是接口的干扰问题，尽可能全面的实验方案设计是尽快解决问题的最佳路径之一。

总之，理论基础要有，设计考虑要到，测试实验要全，如此，结果可能才好！