Electrical(Harware) Levels: 常用电平LVTTL、LVCMOS、LVDS、CML的标准和区别

发布时间 2023-11-09 17:37:17作者: abaelhe

TTL: Transistor-Transistor Logic, 可提供较大电流,驱动能力强;
CMOS: Complementary Metal Oxide SemiconductorPMOS+NMOS, 常用在高速数字电路;

常用电平LVTTL、LVCMOS、LVDS、CML的标准和区别

电路设计经常遇到各种不相同的逻辑电平。常见的逻辑电平如下:
TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等,
还有一些速度比较高的 LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等。

TTL电平
TTL:Transistor-Transistor Logic 三极管结构。
TTL电平常用的2种分别是3.3V和5V,不论是3.3V还是5V的TTL的VIH/VIL与VOH/VOL都是一样的,
输入的高低电平VIH/VIL一般是2V/0.8V,输出的高低电平VOH/VOL一般是 2.4V/0.4V,
也就是 输出:VOH>=2.4V;VOL<=0.5V;输入:VIH>=2V;VIL<=0.8V。
LVTTL就是“砍”掉了2.4V至5V的预留部分。

LVTTL电平
LVTTL又分2.5V、3.3V以及更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL)。
3.3V LVTTL:Vcc:3.3V;VOH>=2.4V;VOL<=0.4V;VIH>=2V;VIL<=0.8V。
2.5V LVTTL:Vcc:2.5V;VOH>=2.0V;VOL<=0.2V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。
TTL使用注意:为防止TTL电平过冲严重,可在始端串22欧或33欧电阻;
TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。
TTL输出不能驱动CMOS输入。

COMS电平
COMS:Complementary Metal Oxide SemiconductorPMOS+NMOS。
CMOS的速度比较快,大多数用于相对高速的器件,比如一驱多时钟芯片。
Vcc:5V时,输出:VOH>=4.45V;输入:VOL<=0.5V;VIH>=3.5V;VIL<=1.5V。
CMOS使用注意:CMOS结构内部有可控硅结构,
当输入或输入管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)时,电流过大引发闩锁效应可能导致芯片烧毁。
相对TTL有更大的噪声容限,输入阻抗远大于TTL输入阻抗。
对应3.3V LVTTL,出现了LVCMOS,可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动。
3.3V LVCMOS:Vcc:3.3V;VOH>=3.2V;VOL<=0.1V;VIH>=2.0V;VIL<=0.7V。
2.5V LVCMOS:Vcc:2.5V;VOH>=2V;VOL<=0.1V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。

RS232和RS485电平
RS232采用±12-15V供电,电脑上串口即为RS232标准。
+12V表示0,-12V表示1。可以用MAX3232等专用芯片转换,
也可以用两个三极管加一些外围电路进行反相和电压匹配。
RS485是一种差分结构,相对RS232有更高的抗干扰能力。传输距离可以达到上千米。

ECL、 PECL、LVPECL电平
ECL:Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑电路(差分结构)
Vcc=0V;Vee:-5.2V;VOH=-0.88V;VOL=-1.72V;VIH=-1.24V;VIL=-1.36V。
速度快,驱动能力强,噪声小,很容易达到几百M的应用。但是功耗大,需要负电源。
为简化电源,出现了PECL(ECL结构,改用正电压供电)和LVPECL。
PECL:Pseudo/Positive ECL,Vcc=5V;VOH=4.12V;VOL=3.28V;VIH=3.78V;VIL=3.64V
LVPELC:Low Voltage PECL,Vcc=3.3V;VOH=2.42V;VOL=1.58V;VIH=2.06V;VIL=1.94V
ECL、 PECL、LVPECL使用注意:
不同电平不能直接驱动。相互可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。
以上三种均为射随输出结构,必须有电阻拉到一个直流偏置电压,如多用于时钟的LVPECL:
直流匹配时用130欧上拉,同时用82欧下拉;
交流匹配时用82欧上拉,同时用130欧下拉。
但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右。

LVDS电平
LVDS:Low Voltage Differential Signaling。前面的电平摆幅都比较大,为降低电磁辐射,同时提高开关速度又推出LVDS电平标准。
差分对输入输出,内部有一个恒流源3.5-4mA,在差分线上改变方向来表示0和1。
通过外部的100欧匹配电阻(并在差分线上靠近接收端)转换为±350mV的差分电平,中心电平一般在1.2V左右。LVDS使用注意:可以达到600M以上,PCB要求较高,差分线要求严格等长,差最好不超过10mil(0.25mm)。
100欧电阻离接收端距离不能超过500mil,最好控制在300mil内。

CML电平
CML:预做好匹配的一种电路,不需二次匹配。三极管结构差分线,速度能达到3G以上。只能点对点传输。

GTL电平
GTL:类似CMOS的一种结构,输入为比较器结构: 一端接参考电平,另一端接输入信号。1.2V电源供电。
Vcc=1.2V;VOH>=1.1V;VOL<=0.4V;VIH>=0.85V;VIL<=0.75V
PGTL/GTL+: Vcc=1.5V;VOH>=1.4V;VOL<=0.46V;VIH>=1.2V;VIL<=0.8V

HSTL与SSTL电平
HSTL是主要用于QDR存储器的一种电平标准:一般有V¬CCIO=1.8V和V¬¬CCIO= 1.5V。
和上面的GTL相似,输入为输入为比较器结构: 一端接参考电平(VCCIO/2),另一端接输入信号。
对参考电平要求比较高(1%精度)。
SSTL主要用于DDR存储器。和HSTL基本相同。
V¬¬CCIO=2.5V,输入为输入为比较器结构: 一端接参考电平1.25V,另一端接输入信号。
对参考电平要求比较高(1%精度)。
HSTL和SSTL大多用在300M以下。