常用电平标准
现在常用的电平标准有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电平
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。
LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL)。
(1)3.3V LVTTL
VCC:3.3V;VOH>=2.4V;VOL<=0.4V;VIH>=2V;VIL<=0.8V。
(2)2.5V LVTTL
VCC:2.5V;VOH>=2.0V;VOL<=0.2V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。
更低的LVTTL不常用就先不讲了。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。TTL输出不能驱动CMOS输入。
过冲(overshoot)就是第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。
下冲(undershoot)是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作,导致过早地失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。
2、CMOS电平
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。
(1)3.3V LVCMOS
VCC:3.3V;VOH>=3.2V;VOL<=0.1V;VIH>=2.0V;VIL<=0.7V。
(2)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。
闩锁效应:Latch up,CMOS工艺特有的寄生效应。
从图中我们可以看出由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成了一个n-p-n-p的结构,这就是一个典型的可控硅电路,如上图右侧所示。一旦图中组成等效可控硅的电路的Q1、Q2任何一个正向偏置,都将触发闩锁效应,使电源和地之间短路,形成大电流,而导致芯片发热烧毁。
3、ECL电平
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。
PECL:Pseudo/Positive ECL
VCC=5V;VOH=4.12V;VOL=3.28V;VIH=3.78V;VIL=3.64V
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。)
4、LVDS电平
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。