[翻译]LVDS,CML,LVPECL,VML之间接口电平转换（来自TI文档）
声明：本文是对TI文档：《interfacing between LVPECL, VML, and LVDS levels》的翻译，仅供学习使用。
在平时的工作中，经常会接触到各种差分电平的转换，网上也有很多这样的资料，但发现有些混乱，所以找了TI的这份文档进行翻译，一是系统的归类一下，二是自己也能通过这个来加深理解和学习。这个文档对于各个电平的结构讲解的一般，很多是根据TI的器件来说的。但是其后半部分连接方式的讲解是非常有价值的，通过这部分可以从原理上了解匹配和偏置电路的搭建，强烈建议大家一读。
1概要
随着通讯速度的提升，出现了很多差分传输接口，以提升性能，降低电源功耗和成本。早期的技术，诸如emitter-coupled logic（ECL），使用不变的负电源供电，在当时用以提升噪声抑制。随着正电压供电技术发展，诸如TTL和CMOS技术，原先的技术优点开始消失，因为他们需要一些-5.2V或-4.5V的电平。
在这种背景下，ECL转变为positive/pseduo emitter-coupled logic （PECL）,简化了板级布线，摒弃了负电平供电。PECL要求提供800mV的电压摆幅，并且使用5V对地的电压。LVPECL类似于PECL也就是3.3V供电，其在电源功耗上有着优点。
当越来越多的设计采用以CMOS为基础的技术，新的高速驱动电路开始不断涌现，诸如current mode logic（CML），votage mode logic（VML），low-voltage differential signaling（LVDS）。这些不同的接口要求不同的电压摆幅，在一个系统中他们之间的连接也需要不同的电路。
本应用手册主要内容为：TI的不同的SERDES器件，输入输出结构，多种高速驱动器，以及偏置和终端电路。
在不同的接口之间，往往采用交流耦合的方式（ac-coupling），从而可以独立的对驱动器和接收器进行处理。
1. 不同接口之间的转换
2. 不同信号电平的转换
3. 不同地之间的转换
2各信号电平
第一步首先是理解各个接口点逻辑电平，主要讨论LVPECL，CML，VML，以及LVDS。
表一为这些接口的输出电平。
| 项目 | LVPECL | CML | VML | LVDS |
| VOH | 2.4V | 1.9V | 1.65V | 1.4V |
| VOL | 1.6V | 1.1V | 0.85V | 1V |
| 输出电压（单端） | 800mV | 800mV | 800mV | 400mV |
| 共模电压 | 2V | 1.5V（VCC-0.2V）1 | 1.25V | 1.2V |
表一，各接口电平规范
图一
3输入输出结构
在上文中提到了关于LVPECL，CML，VML以及LVDS驱动器，这些都是基于CMOS技术的。这个部分介绍各个种类的输入输出结果。
3.1 LVPECL接口
LVPECL由ECL和PECL发展而来，使用3.3V电平。
3.1.1 LVPECL 输出结构
LVPECL的典型输出为一对差分信号，他们的射击通过一个电流源接地。这一对差分信号驱动一对射极跟随器，为Output+与Output-提供电流驱动。50欧姆电子一头接输出，一端接VCC-2V。在射级输出级电平为VCC-1.3V。这样50欧姆的电阻两端电势差为0.7V，电流为14mA。（这一部分电路的计算方法我个人理解为，VCC过通过射级跟随器，等效于两个二极管，约为1.3V的电势下降，此时的射级跟随器的基极电压为VCC-1.3V+0.7V。电流源的作用是提高速度。）
3.1.2 输入结构
输入部分如图三，输入差分对直流偏置电平也需要在VCC-1.3V。在这里要特别注意，关于连接的方式和匹配，在下文详细论述。
3.2 CML 接口结构
CML电路驱动器有这样几个特点，包括高速能力，可调整逻辑输出摆幅，电平调整，可调slew rate.
3.2.1 CML输出结构
CML驱动器基于开漏输出和压控电流源使用NMOS晶体管。输出需要通过电阻上拉至VDD，这是因为NMOS只能驱动下降沿。因为输出电压摆幅是由负载决定，压控电流源用于改变电流值从而驱动负载。负载电阻和外部参考电阻可以靠近放置以优化输出电压摆幅。（这里说的比较简单，从其他的文献上查得的资料，上拉电阻一般选用50欧姆，电流源的电流为16mA，这样就会有差分800mV的电压摆幅）
3.2.2 CML输入结构
输入部分需要有上拉电阻将共模电压拉至正常的值。在这里为1.5V当上拉电阻没有包含在芯片中时，就需要特别小心这部分的电路设计。上拉电阻要尽可能的靠近器件。NMOS晶体管在这里作为一个latch（锁存器），配合一个高速时钟，用来锁存数据。（这里好像是针对TI的某个器件来说的，和典型的CML电路有些不同。）
3.3 VML 接口结构
德州仪器公司的voltage-mode logic （VML）电平与LVPECL兼容。和CML一样，VML基于CMOS工艺，但VML不需要上拉电阻，以为其内部使用了NMOS与PMOS用以驱动上升沿和下降沿。该电平使用不多，所以不详细论述了。
3.4 LVDS接口结构
ANSI TIA/EIA-644和IEEE1596.3-1996定义了LVDS接口标准。LVDS的电压摆幅和速度低于LVPECL，CML和VML，然而LVDS也有其优势，即更低的功耗。许多LVDS驱动器基于恒定电流所以功耗与传输频率并不匹配。（这句话没明白）
3.4.1 LVDS输出结构
LVDS输出结构与VML类似，只是TI的LVDS SERDES输出结构使用了反馈回路来调整共模电压值。如图8所示，一个电流源与NMOS的漏极链接用来控制输出电流，典型值为3.5mA，通过终端的100欧姆匹配电阻，得到350mA的电压摆幅。
3.4.2 LVDS 输入结构
TI的基于LVDS的SERDES芯片使用差分信号，使用NMOS晶体管，输入必须使用100欧姆的终端电阻跨接于两个差分电平。并且共模电平约为1.2V。匹配电阻必须尽量靠近接收端摆放。电流源用来给差分线提供小电流。
tips：
1、按照标准，CML的共模电压为VCC-0.2V，这个计算是基于电流源电流为16mA，上拉电阻值为50欧姆。为什么Ti这个表格里的这个共模电压是1.5V？这里需要再查阅一些文献看。
4 各个端口的连接
直流耦合用于当共模电压不造成问题，且为了避免电容造成的阻抗不连续。
交流耦合用于消除共模电压，主要用于不同的逻辑电平，并假定一个直流平衡的信号模式。
4.1 LVPECL
4.1.1 LVPECL驱动器——直流耦合
直流耦合时，LVPECL需要VCC-2V的终端。当VCC为3.3V时，该电压为1.3V。终端电阻Rt必须和传输阻抗Z0相同。
4.1.2 LVPECL驱动器——交流耦合
在交流耦合的情况下，由于没有直流路径供给下降沿信号，所以LVPECL驱动器输出需要通过一个电阻连接至地，这个电阻的大型约在140~220欧姆。在接收端，终端电平必须为VCC-1.3V（5V为3.7V，3.3V为2V）
Rt与Z0一致。
4.2 CML
4.2.1 CML的直流耦合
CML的匹配只要加上一个上拉（芯片内未射开漏上拉），上拉电阻等于传输线阻抗Z0。如果芯片内都有上拉，则直接连接即可。
4.2.2 CML的交流耦合
在AC耦合时，需要上拉电阻提供上升沿电平。
4.4 LVDS
因为LVDS是电流驱动器，所以只能通过DC耦合，电流通过跨接的终端电阻转化为电压信号。典型的来说，差分匹配电阻Rt为100欧姆，但是这个还要根据传输阻抗Z0。（在PCB上Z0一般为50欧姆）
5 偏置和终端电路
5.1 偏置
最简单的偏置电压使用分压电阻网络即可。
举个LVPECL的例子（原文是VML的例子）。3.3V的LVPECL的偏置电压为2V，所以：
3.3*(R2/(R1+R2))=2
可以根据这个算式，算出R1与R2的关系，R1=0.65R2
5.2 终端匹配
对于差分电路，有四种典型的终端和偏置方式，他们有各自的优缺点。
5.2.1 差分匹配
这是最简单的一种，R1和R2用以分压，他们的值在k级别，使得输入共模电平在接收端允许的范围。
该方式的主要的缺点是元器件的数量以及电源的消耗通过分压网络。然而，这种方式可以通过选择更大阻值的R1，R2来降低功耗。
5.2.2 带有去耦电容的差分匹配
第二种方法是和第一种很相似，但终端匹配电阻采用50欧姆，且两个匹配电阻间通过一个去耦电容接地。
这种差分匹配，主要的缺点在于元器件数量和电源消耗；然而，电源消耗可以通过调整R1,R2的值。优点在于，当出现传输线造成的信号歪斜时，比如差分信号并不是同时到达时，该电容可以成为一个对小信号的低阻对地路径。
5.2.3 简化电路
第三种方法如下图22.
理想的配置是使得R1||R2等于Z0。同时满足电阻分压。
可以继续举LVPECL的例子。
算得R1||R2 = 50 又根据上文的关系，可得，R1=82，R2=130
显然，在这个例子里，有更少的R1和R2，但是由于R1和R2的电阻较小，所以功耗比较大。
5.2.4 带一个偏置电阻网络的差分匹配
最后一种方式将偏置网络合并为一个，如图24.
这是一个非常简洁的电路，易于只存在一个分压网络用于两个差分线，减少了电源消耗。去耦电容和匹配电阻消减了电路噪声，和信号歪斜。
当芯片不存在内部的偏置电路时，这种方法是最好的终端和偏置电路之一。
R1和R2在k级的电阻中选，Z0等于传输阻抗。
这种配置时，匹配电阻靠近芯片摆放，偏置电路远离该部分。去耦电容同样必须靠近芯片摆放。
加个补充，来源于网上，提到CML和LVDS的速度问题。
1、CML和(P)ECL他们的Driver不是工作在开关状态（饱和、截至），而是工作在临界状态，因此他们右low到high的切换过程是很迅速的，同时也正是因为其工作在临界状态，它的静态损耗比LVDS要大，说白了也就是发热大。
2、swing大小的问题，其实这个主要是针对接受器来说，当receiver的容限变大的时候，其允许的传输速度也将会更大。一个很好的例子就是SATA 1.0和PCIE 1.0，其PHY的Driver部分是相类似的，不过PCIE定义的接受电平为85mV（但愿我没记错）而SATA的接收电平为250mV，这样在传输时,PCIE允许的传输速度就大于SATA。