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“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“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。

　　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平衡。对于每一个，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。