一文看懂ECL/PECL/LVPECL信号的相同与不同

ECL 电路简介
ECL 电路（即发射极耦合逻辑电路 Emitter-Couple Logic）是一种非饱和型的数字逻辑电路，电路内晶体管工作在线性区或截止区，速度不受少数载流子的存储时间的限制，所以它是现有各种逻辑电路中速度最快的一种, 能满足高达 10Gbps 工作速率。最先由 Motorola 公司提出 ECL 标准。ECL 的主要分类如下。

PECL 即 Positive Emitter-Couple Logic，也就是正发射极耦合逻辑的意思，使用 5.0V 电源。PECL 是由 ECL 演变而来的，ECL 即 Emitter-Couple Logic，也就是发射极耦合逻辑。ECL 有两个供电电压 V_CC和 V_EE。当 V_EE接地时，V_CC 接正电压时，这时的逻辑称为 PECL；当 V_CC 接地时，V_EE接负电压时，这时的逻辑成为 NECL，V_EE一般接 -5.2V 电源；一般狭义的 ECL 就是指 NECL。由于 PECL/LVPECL 可以和系统内其他电路共用一个正电源供电，所以 PECL/ LVPECL 相对于 ECL 应用更为广泛。起初的 PECL 器件是将 V_CC接+5V，后来为了直接利用广泛使用的 3.3V 和 2.5V 电压,出现了 V_CC=3.3V/2.5V 的 LVPECL(Low Voltage PECL)。

PECL/LVPECL 电路结构

PECL 的输入是一个具有高输入阻抗的差分对，该差分对的共模电压需要偏置到 V_BB =V_CC-1.3V，这样允许的输入信号电平动态最大。对于不同芯片的输入级，信号允许的共模电平可能会有些差异，请参考相应的 datasheet。有部分芯片在内部已经集成了偏置电路，使用时直接连接即可，有的芯片没有加，使用时需要在芯片外部加直流偏置。

PECL 的标准输出负载是串联 50ohm 至 V_CC-2V 的电平上，在这种负载条件下，OUT+与 OUT- 的共模电压是 V_BB=V_CC-1.3V，OUT+/OUT- 的输出的平均电流为 14mA。

ECL 电路优缺点

1、ECL 逻辑的优点：

1）扇出能力强。ECL 输出阻抗低(6~8ohm)，输出阻抗高(通常为 10kohm)，所以扇出系数很高。

2）噪声低，对电源要求低。ECL/PECL 器件对电源电压的同步变化是不太敏感的，因此可以在 ECL 某些应用中相对地放松对电源波纹、偏差和分配的要求。有时允许电路的电源电压范 ECL 围可宽至 10％。由于差分电路两臂交替工作，电路工作时电源电流基本上恒定（不随逻辑状态变化而变化，也不随工作频率增加而增加），因此可以考虑放宽对电源内阻的要求。

3）速度快。晶体管工作时不进入饱和状态，只工作在线性区和截止区，没有少数载流子的存储现象，开关时间大为缩短；集电结电容大大减小，RC 时间常数也相应减小，电路的传输延迟时间就很短；电路的逻辑电平摆幅小（单端小于 850mV），在动态转换过程中各个结上的电压变化对结电容（包括寄生电容）的充放电时间很短。

2、ECL 逻辑的缺点：

1）ECL 的缺点也很明显，那就是功耗大。可以说，ECL 的高速性能是用高功耗为代价换来的。

ECL 信号互连

ECL 逻辑的高低电平之差一般为 800mV，其中心参考电平（共模电压）V_BB根据 V_CC变化，一般为 V_CC-1.3V。因此，PECL 的电平随 V_CC的不同而不同。如：

PECL：

V_BB=5V-1.3V=3.7V，V_OH=4.1V，V_OL=3.3V；

LVPECL：

V_BB=3.3V-1.3V=2V，V_OH=2.4V，V_OL=1.6V；

V_BB=2.5V-1.3V=1.2V，V_OH=1.6V，V_OL=0.8V；

NECL：（V_EE =-5V、-3.3V、-2.5V；V_CC=0V），

V_BB =0V-1.3V= -1.3V，V_OH = -0.9V，V_OL =-1.7V。

当然，以上的直流特性只是对一般而言，实际上到具体的器件上还是会稍有不同，同一器件的输入和输出也不一样。在设计的时候，都应该参考相应器件的 datasheet 来获得其准确的电气特征。

关于直流特性，还有很重要的一点就是两个 ECL 器件之间的接口匹配，也就是说，我们要特别关注 Driver 的输出是否在 Receiver 的输入的容差范围之内。我们称这个容差范围为“接收窗口”。如果 Driver 的输出没有落在这个接收窗口之内，就有可能造成接收端的误判，从而造成设计上的失败。

因此看两个 ECL 器件是否能够互连，对于 Driver，只要是从 DATASHEET 中得到其输出高电平 V_OH和输出低电平的 V_OL的范围；对于 Receiver，只要看其关于接收窗口的一些指标，分两种情况。

1、单端信号

如果 ECL 用作单端信号的话（这种情况并不多见），互连分析得方法与 LVTTTL，COMS 等单端信号的方法类似。

需要关注的是输入高电平 V_IH和输入低电平 V_IL的最大和最小值，V_IH的最大和最小值构成了 V_IH的接收窗口，V_IL的最大和最小值构成了 V_IL的接收窗口。如下图：

当 Driver 的 V_OH范围全部落入 Receiver 的 V_IH窗口之内，Driver 的 V_OL范围全部落入 Receiver 的 V_IL窗口之内时，可以保证 Receiver 可以正确接收 Driver 的输出，否则会有潜在的互连不正确甚至损坏器件的可能。

2、差分信号

对于差分信号，要关注的指标是输入共模电平 VCM 和差分信号 VDIFF 范围。

如某器件的某输入口工作在 LVPECL 模式下。其指标如下（AVDDH=2.5V）：

那么其接收窗口如下图所示，图中标出了共模电压为最大或者最小时，其允许的最大单端电压。

只要落在这个范围内的差分信号，即同时满足：

1．输出|VDIFF|大于 300mV；

2．输出共模信号 V_BB位于 400 mV 到 2000mV 之间；

3．输出的单端信号不能超过 V_CC或者 V_EE；

满足以上条件的差分信号都可以被正确接收。可以注意到，如果共模信号被端接到 V_BB =V_CC-1.3V，接受窗口最大。

由上可见，差分信号有比单端信号宽得多的接收窗口，这也是高速应用中差分信号被普遍采用的原因之一。