ECL PECL LVPECL信号都是什么？它们的优缺点和电路图详细剖析

　　ECL 电路简介

　　ECL电路（即发射极耦合逻辑电路Emitter-Couple Logic）是一种非饱和型的数字逻辑电路，电路内晶体管工作在线性区或截止区，速度不受少数载流子的存储时间的限制，所以它是现有各种逻辑电路中速度最快的一种， 能满足高达10Gbps工作速率。最先由Motorola公司提出ECL标准。ECL 的主要分类如下。

　　PECL 电路简介

　　PECL即Positive Emitter-Couple Logic，也就是正发射极耦合逻辑的意思，使用5.0V电源。PECL 是由ECL 演变而来的，ECL 即Emitter-Couple Logic，也就是发射极耦合逻辑。ECL 有两个供电电压VCC和VEE。当VEE接地时，VCC接正电压时，这时的逻辑称为PECL；当VCC 接地时，VEE接负电压时，这时的逻辑成为NECL，VEE一般接-5.2V电源；一般狭义的ECL 就是指NECL。由于PECL/LVPECL可以和系统内其他电路共用一个正电源供电，所以PECL/ LVPECL相对于ECL应用更为广泛。起初的PECL器件是将VCC接+5V，后来为了直接利用广泛使用的3.3V和2.5V电压，出现了VCC=3.3V/2.5V的LVPECL（Low Voltage PECL）。

　　LVPECL 电路简介

　　LVPECL即Low Voltage Positive Emitter-Couple Logic，也就是低压正发射极耦合逻辑，使用3.3V或2.5V电源，LVPECL是由PECL演变而来的。

　　PECL/LVPECL电路结构

　　PECL 的输入是一个具有高输入阻抗的差分对，该差分对的共模电压需要偏置到VBB =VCC-1.3V，这样允许的输入信号电平动态最大。对于不同芯片的输入级，信号允许的共模电平可能会有些差异，请参考相应的datasheet。有部分芯片在内部已经集成了偏置电路，使用时直接连接即可，有的芯片没有加，使用时需要在芯片外部加直流偏置。

　　PECL的标准输出负载是串联50ohm至VCC-2V的电平上，在这种负载条件下，OUT+与OUT-的共模电压是VBB=VCC-1.3V，OUT+/OUT-的输出的平均电流为14mA。

　　ECL电路优缺点

　　1、ECL 逻辑的优点：

　　1）扇出能力强。ECL输出阻抗低（6~8ohm），输出阻抗高（通常为10kohm），所以扇出系数很高。

　　2）噪声低，对电源要求低。ECL/PECL器件对电源电压的同步变化是不太敏感的，因此可以在ECL某些应用中相对地放松对电源波纹、偏差和分配的要求。有时允许电路的电源电压范ECL围可宽至10％。由于差分电路两臂交替工作，电路工作时电源电流基本上恒定（不随逻辑状态变化而变化，也不随工作频率增加而增加），因此可以考虑放宽对电源内阻的要求。

　　3）速度快。晶体管工作时不进入饱和状态，只工作在线性区和截止区，没有少数载流子的存储现象，开关时间大为缩短；集电结电容大大减小，RC时间常数也相应减小，电路的传输延迟时间就很短；电路的逻辑电平摆幅小（单端小于850mV），在动态转换过程中各个结上的电压变化对结电容（包括寄生电容）的充放电时间很短。

　　2、ECL 逻辑的缺点：

　　1）ECL的缺点也很明显，那就是功耗大。可以说，ECL 的高速性能是用高功耗为代价换来的。

　　ECL信号互连

　　ECL逻辑的高低电平之差一般为800mV，其中心参考电平（共模电压）VBB根据VCC变化，一般为VCC-1.3V。因此，PECL的电平随VCC的不同而不同。如：

　　PECL：

　　VBB=5V-1.3V=3.7V，VOH=4.1V，VOL=3.3V；

　　LVPECL：

　　VBB=3.3V-1.3V=2V，VOH=2.4V，VOL=1.6V；

　　VBB=2.5V-1.3V=1.2V，VOH=1.6V，VOL=0.8V；

　　NECL：（VEE =-5V、-3.3V、-2.5V；VCC=0V），

　　VBB =0V-1.3V= -1.3V，VOH = -0.9V，VOL =-1.7V。

　　当然，以上的直流特性只是对一般而言，实际上到具体的器件上还是会稍有不同，同一器件的输入和输出也不一样。在设计的时候，都应该参考相应器件的datasheet来获得其准确的电气特征。

　　关于直流特性，还有很重要的一点就是两个ECL器件之间的接口匹配，也就是说，我们要特别关注Driver的输出是否在Receiver的输入的容差范围之内。我们称这个容差范围为“接收窗口”。如果Driver的输出没有落在这个接收窗口之内，就有可能造成接收端的误判，从而造成设计上的失败。

　　因此看两个ECL器件是否能够互连，对于Driver，只要是从DATASHEET中得到其输出高电平VOH和输出低电平的VOL的范围；对于Receiver，只要看其关于接收窗口的一些指标，分两种情况。

　　1、单端信号

　　如果ECL用作单端信号的话（这种情况并不多见），互连分析得方法与LVTTTL，COMS等单端信号的方法类似。

　　需要关注的是输入高电平VIH和输入低电平VIL的最大和最小值，VIH的最大和最小值构成了VIH的接收窗口，VIL的最大和最小值构成了VIL的接收窗口。如下图：

　　当Driver的VOH范围全部落入Receiver的VIH窗口之内，Driver的VOL范围全部落入Receiver的VIL窗口之内时，可以保证Receiver可以正确接收Driver的输出，否则会有潜在的互连不正确甚至损坏器件的可能。

　　2、差分信号

　　对于差分信号，要关注的指标是输入共模电平VCM和差分信号VDIFF范围。

　　如某器件的某输入口工作在LVPECL模式下。其指标如下（AVDDH=2.5V）：

　　那么其接收窗口如下图所示，图中标出了共模电压为最大或者最小时，其允许的最大单端电压。

　　只要落在这个范围内的差分信号，即同时满足：

　　1．输出|VDIFF|大于300mV；

　　2．输出共模信号VBB位于400 mV到2000mV之间；

　　3．输出的单端信号不能超过VCC或者VEE；

　　满足以上条件的差分信号都可以被正确接收。可以注意到，如果共模信号被端接到VBB =VCC-1.3V，接受窗口最大。

　　由上可见，差分信号有比单端信号宽得多的接收窗口，这也是高速应用中差分信号被普遍采用的原因之一。