代码收藏家 关于差分晶振的LVDS、LVPECL、HCSL、CML模式及其相互转换介绍
1、简介
差分晶振一般用在高速数据传输场合，常见的有LVDS、LVPECL、HCSL、CML等多种模式。这些差分技术都有差分信号抗干扰性及抑制EMI的优点，但在性能、功耗和应用场景上有很大的区别。下图列举了最常用的几种差分信号技术和它们的主要参数。
LVDS信号的摆幅低，为±350mv, 对应功耗很低。但速率可达3.125Gbps。总的来说电路简单、功耗和噪声低等优点，使LVDS成为几十Mbps及至3Gbps应用的首选。
LVPECL信号的摆幅为±800mv或更高,所以其功耗是大于LVDS信号的。 但同样也据有更高的驱动能力，可应用于10Gbps的高速数据传输。
CML（Current Mode Logic）信号主要靠电流驱动，它的输入和输出是匹配好的，从而减少了外围器件，使用时直接连接就可以，是高速数据接口形式中最简单的一种。如XAUI、10G XFI接口均采用CML电平。
2、LVDS、LVPECL、CML比较
三种电平都是高速设计中常用的电平，但各有特色：
驱动模式：都属于电流驱动
外部端接：CML最简单，一般无需外部端接，直接连接即可；LVDS次之，需在接收端增加一个100Ω的终结电阻（内置的不需要）；LVPECL最复杂，其输出端需偏置到VCC-2V，输入端需偏置到VCC-1.3V。
功耗：LVDS差分对摆幅最小，因此功耗也最小，在相同工作速率下，功耗不到LVPECL的三分之一；CML和LVPECL差分对摆幅相对较大，且内部三极管工作于非饱和状态，功耗较大，基于结构上的差异，CML的功耗低于LVPECL。
工作速率：由于CML和LVPECL内部三极管工作于非饱和状态，逻辑翻转速率高，能支持更高的数据速率；同时，由于LVDS差分对的输入摆幅较小（LVDS为100mV，LVPECL为310mV，CML为400mV；输出摆幅：LVDS为350mV，LVPECL为800mV，CML为800mV），噪声容限较小，不利于高速传输。
耦合方式：都支持直流耦合和交流耦合
3、各信号模式之间的转换
LVPECL到CML的转换
如图1所示，在LVPECL驱动器输出端向GND处放置一个150Ω的电阻对于开路发射极提供直流偏置以及到GND的直流电流路径至关重要。为了将800mV LVPECL摆幅衰减到400mV的CML摆幅，需在150Ω电阻之后放置一个50Ω的衰减电阻（RA），以衰减LVPECL摆幅电平的一半。另外，必须确认CML接收器输入内部的自偏置。如果CML输入端的自偏置不存在，则必须在PCB上放置50Ω的端接电阻到VCC，用于CML偏置和传输线端接。
图1.LVPECL到CML的转换
LVPECL到LVDS的转换
在LVPECL驱动器输出端向GND放置一个150Ω电阻，对于开路发射极提供直流偏置以及到GND的直流电流路径至关重要（图2）。为了将800mV LVPECL摆幅衰减到325 mV LVDS摆幅，必须在150Ω电阻器之后放置一个70Ω的衰减电阻。应在LVDS接收器前面放置一个10nF交流耦合电容，以阻止来自LVPECL驱动器的直流电平。LVDS输入需要重新偏置，可以通过向GND放置8.7KΩ电阻连接到3.3V和5KΩ电阻到GND来实现LVDS接收器输入共模的1.2V直流电平。如果LVDS接收器差分输入引脚上已经存在有100Ω电阻，则不需要外部100Ω电阻。
图2.LVPECL到LVDS的转换
LVPECL到HCSL的转换
如图3所示，在LVPECL驱动器输出端向GND放置一个150Ω电阻对于开路发射极提供直流偏置以及到GND的直流电流路径至关重要。为了将800mV的LVPECL摆幅衰减到700mV的HCSL摆幅时，必须在150Ω电阻之后放置一个衰减电阻（RA =8Ω）。应在HCSL接收器前面放置一个10nF交流耦合电容，以阻止来自LVPECL驱动器的直流电平。放置交流耦合电容后，HCSL输入需要重新偏置，可以通过将470Ω电阻连接3.3V和56Ω电阻到GND上来实现HCSL接收机输入共模的350 mV直流电平。
图3.LVPECL到HCSL的转换
HCSL到LVDS的转换
在图4中，每个HCSL输出引脚在0和14mA之间切换。当一个输出引脚为低电平（0）时，另一个为高电平（驱动14mA）。HCSL驱动器的等效负载电阻为48Ω，与50Ω并联，相当于23.11Ω。LVDS输入的摆幅为14mAx23.11Ω= 323mV。应在LVDS接收器前放置一个10nF交流耦合电容，以阻止来自HCSL驱动器的直流电平。放置交流耦合电容后，LVDS输入需要重新偏置，可以通过将一个8.7KΩ电阻连接到3.3V和5KΩ电阻连接到GND来实现LVDS接收器输入共模的1.2V 直流电平。如果LVDS接收器差分输入引脚上已经存在有100Ω电阻，则不需要外部100Ω电阻。
图4.HCSL到LVDS的转换
HCSL到CML的转换
在图5中，每个HCSL输出引脚在0和14mA之间切换， 当一个输出引脚为低电平（0）时，另一个为高电平（驱动14mA）。HCSL驱动器的等效负载电阻为68Ω，与50Ω电阻并联，相当于28.81Ω。CML输入的摆幅为14mAx28.81Ω= 403mV。 应在CML接收器前面放置一个10nF交流耦合电容，以阻止来自HCSL驱动器的直流电平。另外，必须确认CML接收器输入内部的自偏置。如果没有CML输入端的自偏置，则必须在CML偏置和传输线端接的PCB上放置一个50Ω的端接电阻到VCC。
图5 HCSL到CML的转换
LVDS到CML的转换
LVDS输出通过100Ω电阻终端驱动±3.5mA电流，在CML接收器前面产生350mV摆幅电平（图6）。因为CML的标准摆幅是400mV，所以CML接收器能够接收350mV摆幅电平。此外，还必须确认CML接收器输入内部的自偏置。如果CML输入端的自偏置不存在，则必须在PCB上放置一个50Ω的电阻到VCC，用于CML偏置和传输线端接。
图6.LVDS到CML的转换
