一文看懂LVPECL终端的设计考虑因素

LVPECL（低压正射极耦合逻辑）是一种输入输出（I/O）技术，从半导体工艺无法集成高性能P 型设备与高性能N 型设备起就已出现。因此，在随后的HCSL 和LVDS等高速接口中，需要外部无源器件来完成由P 型设备完成的任务。

对LVPECL 而言，很少有人研究过完成输出级设计所需要的发射极电流控制与传输线终端之间的关系。剖析LVPECL 闸道的基本原理和分析任何特定LVPECL 驱动器的典型终端，有助于工程师量身定制稳健和高能效的LVPECL 终端。

LVPECL 驱动器

如图1 所示，简化的LVPECL 闸道通常用开放的发射极驱动器来实现。没有Q 和nQ 晶体管的接地通路，这两者随后被关闭。

因此，输出级必须由用户通过外部元件来完成。

图1、开放式发射极LVPECL驱动器等效电路图

标准终端

图2 显示标准的直流耦合LVPECL 终端。驱动器输出电流由外部Zo 电阻器和VTT 终端电压设定。由于VTT 终端电压是由相对Vcco 的-2V 调节器产生的，输出驱动器电流不受Vcco 变量的影响。主要缺点是需要调节器，尽管它确实可以将驱动器的发射极电流保持在第一阶，不受Vcco 变化的影响。

图2、标准的LVPECL终端

Thévenin 等效终端

图3所示用于提供3.3V 和2.5V 电流的备选Thévenin 等效终端，用两个电阻串产生VTT 电压，因而可以不再使用调节器，但也有缺点。

1）图3 中的R1 和R2 偏压电阻串需要大量功率损耗才能产生Thévenin 电压。功率损耗取决于特定驱动器的高输出电压（Voh） 和低输出电压（Vol）;参见以下“案例研究”章节。

2）Vcco 变化率通过偏压分压器前馈至Thévenin 等效VTT 电压;39% 表示Vcco =3.3V，20% 表示Vcco =2.5V.因此，VTT 电压只限在标称Vcco 下才是正确的，发射极电流的控制不如标准VTT=VCC-2.0V 终端有效。

图3、3.3V 和2.5V Thévenin 等效LVPECL终端

T 终端

图4 所示T 型电阻器网络可以解决Thévenin 终端的许多不足。穿越RTT 的共模电压被称为VTT，相当于VTT = Vcco-2.0V.要记住，具体的VTT 电压不属于设计标准;LVPECL 接收极从不检测VTT，但会检测发射极电压。VTT 只对标准终端具有重要意义，原因是VTT 向终端前馈VCCO 以控制发射极电流。相反，T 终端通过负反馈对发射极电流施加控制。图4 LVPECL T 终端网络中的VTT 电压间接取决于特定LVPECL 驱动器的Voh 和Vol 电平，以及设计师为逻辑0 驱动器输出选择的最小发射极电流。

图4、LVPECL T 终端网络

1） T 终端由驱动器电源直接供电，因此消除了Thévenin偏压串的功能损耗。

2） 通过共模阻抗向T 网络VTT 电压回馈的Vcco 变化率大于通过Thévenin 网络回馈的变化率，因而可以更好地控制发射极电流。详情请参见以下“发射极电流控制”章节。

3） 可以调节共模阻抗，并因此调节负反馈，以针对由于Vcco、温度和设备处理等方面的变化而造成的Voh 和Vol 方面的变化稳定驱动器电流。

PI 终端

可以利用着名的电阻网络星形三角关系，从T 终端产生等效的PI 终端。下图5 显示按T 网络换算的PI 网络的元素值。

图5、PI 终端网络

很少使用的PI 终端具有超越T 终端的布局优势;它可以安全布置在顶层之上。T 的共模阻抗必须经由除顶层之外的其它层。

发射极电流控制

T 终端提供比Thévenin 终端更好的发射极电流控制。Thévenin 终端通过向终端产生的VTT 电压前馈Vcco 变化率α来稳定电流。相反，T 终端通过检测穿越发射极电阻器的发射极电流使用负反馈，只能用作单一的发射极跟随器。

可按下图6所示为每个终端构建每一个Vcco 变化的电路，来说明这种性能方面的变化。对于每一个终端，电路从Vcco 开始，穿过相应输出晶体管的基极-发射极结Rg，然后穿过终端，Rg 在此被转入发射极电流通路。为简单起见，基极扩展电阻已被并入增益设置电阻Rg。由于有两个偏压串，Thévenin Icco 为总电流的一半。

图6、Thévenin 和T 终端发射极电流控制电路

可从图8 立即写下每个电路的传递函数。在每个传递函数中，re 术语均已被弃用;与Rg 和Zo 相比，它相对较小。此外，re 规模小意味着T 终端的逻辑1 晶体管和逻辑0 晶体管的等效半电路是相同的。

由于Rg 和 β的值取决于特定LVPECL 驱动器的内部设计和处理，以下列“案例研究”章节为预期，当VCCO = 3.3V 和RTT=77 ohms 时，这两个传递函数是相对下图8 中的Rg/（β+1） 而设计的。

图7、发射极电流中适应Vcco 变化的Thévenin 和T 终端变化

比方说，如果Rg/（β+1） = 0，则 β值很大，而Rg 值小（图1 中的Ibias 高）。在这种限定条件下，传递函数只取决于外部电阻器。更实际一点，如果Ibias = 0.5mA，Rg= 1.6 kohms，β=100，则Rg/（β+1） ≈16。

案例研究

在 ±5% Vcco 的条件下，针对每一个终端比较了业界现有的具有不同Voh 和Vol 值的两种不同的LVPECL 驱动器。T 终端将针对每一种设备经过优化，设计为当Vcco 为-5% 时，逻辑0 发射极电流至少达到2mA，以实现切换速度与功率之间的最佳平衡。对于每一个案例，电子表格的值用KVL 和KCL 进行计算。为进行全面核算，计算出每个案例中驱动器和终端的功率。

如下图表1 所示，由于可以自由选择T 终端的RTT，因而具有降低总驱动器电流的设计灵活性，同时还能保证最低的逻辑0 发射极电流。Thévenin 终端的固定电阻值则不然。请注意固定器件Thévenin 终端的Vcco 和设备上的逻辑0 发射极电流大波动。如果还考虑到设备处理和温度所带来的变化，两种终端之间的差异将变得更加巨大。

所有电流和电压均用3.3V 电源数据表中的典型Voh 和Vol 值进行计算。由于该数据表无其他说明，Voh 和Vol 随Vcco 的变化假定为1:1。因此，这些案例等同于设置Rg/（β+1） =0。电流以mA 单位，功率以mW 单位。

表1、Thévenin 和T 终端两种不同驱动器之比较

结论

在集成电路技术效力远不如今的时代，LVPECL 作为一种高速输入输出标准面世。LVPECL 驱动器最后必需使用外部无源元件才能令人满意，但它必须设计为与驱动器的输出逻辑电平Voh 和Vol 相辅相成。众所周知，已有的终端网络有缺点。使用Pi 或T 电阻网络可以克服这些缺点，实现适应性更强、更加节能的设计。