高速数字电路设计：接口信号匹配与对接

对于高速信号的匹配和对接，从电气来考虑的话，主要考虑两个方面的问题：
     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，要把握几个基本原则：
     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，如果是同一种电平信号的对接，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，ac的幅度和dc的幅度不一定能够完全对应得上，所以必须考虑好ac和dc的幅度。
在这种情况下，采用交流耦合的方式比较常见，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）。
参数 rs-422 pecl lvds
差分驱动输出电压 ±2.5v ±500~1000mv ±250~450mv
接收器输入阈值   ±100mv ±200~300mv ±100mv
数据速率 400mbps >400mbps
参数(以ds90c031/2为例) rs-422 pecl lvds
电源电流四路驱动器(无负载，静态)   60ma   32~65ma(max) 3.0ma
传输延迟驱动器 11ns(max) 4.5ns(max) 3.0ns(max)
传输延迟接收器 30ns(max) 7.0ns(max) 5.0ns(max)
电源电流四路接收器(无负载，静态) 23ma(max) 40ma(max) 10ma(max)
畸变（驱动器或接收器） n/a 500ps 400ps
高速信号匹配和对接
a lvpecl&lvpecl（pecl同理）
方式一：
图 1
图 1 的匹配方式是 pecl电路的基本匹配模型，其中：2 个 50 欧姆的作用，既是交流匹配的电阻，所以应该在离输入端很近的地方，同时充当直流回路的偏置电阻。
由于是同一种电平对接， ac摆幅和dc电平当然没有问题（符合下表）：
缺点：
1、只有二个匹配电阻，电阻个数最少，但是二个电阻都必须靠输入端比较近的地方放置， pcb布板可能有点困难。
2、最大的缺点就是需要 vcc-2v的电源，如果这种电路的路数很多，为此提供 vcc-2v还是可以的，如果路数不多，那么就不值得了。
经过演化变化成图2。
方式二：
图2
图2 是从图1 演化而来，r1=130，r2=82（ 3v3）；r1=82，r2=130（ 5v）。其中 r1//r2 既充当交流匹配电阻（ 50 欧姆），也充当直流偏置电阻。
缺点：
1、4个电阻都必须放在离输入端很近的地方，对 pcb布板造成困难。
2、匹配电阻功耗比较大，如果路数很多的话，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，我们并不提倡使用这种电路。
方式三：
图3
图3 是一种资料上很少提，但是却很有用的电路方式，其中 r1=140~200 欧姆（ 3v3）， r1=270~330欧姆（ 5v）， r2=100 欧姆。r1为输出门提供偏置电流， 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，并不需要外来的上下拉电阻来提供。
优点：
1、电阻个数很少，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， r1放置的地方可以比较随便，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，是一个优选电路。
b lvpecl&pecl
对于 lvpecl和 pecl来说，虽然 ac 的摆幅相同（ 800mv），但是直流电平不一样，所以无法之间用 dc耦合对接起来。在这种情况下，我们可以考虑用 ac耦合方式来处理。
方式一：
图4
其中：r1=140~200 欧姆属于直流偏置电阻，c1为耦合电容，可以放在线上的任何一个地方，不一定在源端，也不一定要在末端。r2=100 欧姆属于交流匹配电阻，一定要放在末端。
r3、 r4 为 k 级别的电阻，必须满足r4/(r3+r4)=(vcc-1.3v)/vcc的比值就可以了。r3/r4 是为输入端提供直流电平，所以对 pcb上的位置没有特殊要求，只需要不引入长线头就可以了。
优点：
1、对于交流耦合来说，器阻容器件的个数算是比较少的了；
2、只对一个电阻的位置（ r2）有要求，其他的没有要求；
3、功耗也比较小。
4、当 lvpecl输出没有交流信号的时候，那么输入端却可以依靠 100 欧姆的电阻，使得 p/n 维持一个电压差，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；lvds&lvpecl等电平的对接。
方式二：
图5
图5 电路是很多资料推荐使用的，从原理上分析没有错，但是从实用的角度来说并不是最佳方案。
缺点：
1、电路（ a）种的 r2/r3 既做为交流匹配电阻，又做为输入直流电平，由于 r2/r3共 4 个电阻必须放在输入引脚附近，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，虽然从电阻的个数上来说还多了一个，但是 pcb布板容易，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：
图6
图6 从原理上来说也没有错，但是 r2/c1/r3/r4 等 7 个阻容必须放输入端很近，布局相当困难，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。
c lvpecl&lvds
对于 lvpecl输出， lvds输入的信号来说， lvpecl的直流输出电平为 2v 左右，而 lvds的直流输入可以为 0.2v~2.2v，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，甚至超过 1v，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），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，自行计算。
d lvpecl&cml
对于 lvpecl输出 cml 输入的信号来说， lvpecl的输出交流摆幅比较大，可能会超过 cml 电平的最大输入摆幅，所以一般情况下应该加衰减，同时也要关注直流电平。同样，有 ac耦合和 dc耦合二种。
图 8
一般情况下，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），提倡使用 ac 耦合，这样输出的直流电平与输入的直流电平独立。
e cml&lvpecl
对于 cml 输出， lvpecl输入来说，由于直流电平相差很大，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，所以交流方面只需要考虑匹配就可以了，不需要考虑幅度。有些资料提供的匹配电路图如下：
图 9
本人认为，图（ a）（ b）存在图5、图6 所描述的相同弊病，最好采用如图10 结构的电路。同样，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，从匹配的角度来说更好一些。
图10
f lvds&lvds
应该说 lvds之间的对接是最简单的对接了。
图 11
g cml&cml
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，不能直接对接。
h lvds&cml；cml&lvds
一般情况下，不会存在 lvds与 cml 之间的对接，因为 cml 电平一般用在高速信号，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，输出交流幅度是否落在输入交流幅度之内
图13