基于mc10h606的pecl電平轉(zhuǎn)換器設(shè)計-畢業(yè)設(shè)計論文

摘要本課題是設(shè)計一種電平轉(zhuǎn)換器，將TTL電平轉(zhuǎn)化為PECL電平。該電平轉(zhuǎn)換器首先將輸入的信號進行放大。由于輸入信號為1GHz的高頻信號，所以需要選擇合適的放大器。在本次設(shè)計中采用MAR-8A+放大器。該放大器具有較高的電壓增益和功率增益，并且工作頻率完全符合輸入信號的要求。將輸入小信號進行放大之后，就需要將放大后的TTL電平轉(zhuǎn)化為PECL電平。電平轉(zhuǎn)換部分通過MOTOROLA公司的MC10H606型轉(zhuǎn)換芯片完成。在設(shè)計的同時，介紹了電平轉(zhuǎn)換的相應(yīng)原理，轉(zhuǎn)換條件，并對轉(zhuǎn)換芯片的特性和主要功能進行了深入了解，討論了如何在基于該轉(zhuǎn)換芯片的基礎(chǔ)上設(shè)計合理有效的電平轉(zhuǎn)換器。此外，該電平轉(zhuǎn)換器中還加入了信號監(jiān)視等輔助電路。關(guān)鍵詞：TTLPECL電平轉(zhuǎn)換器AbstractThetopicistodesignalevelconverter,TTLlevelwillbetransformedintoPECLlevel.TheLevelTranslatorswillfirstenterthesignalamplification.Asforthe1GHzinputsignalofthehigh-frequencysignals,soitisnecessarytochoosetherightamplifier.Inthedesign,adoptofaMAR-8A+amplifier.Theamplifierhasahighvoltagegainandpowergainandfrequencyinfullcompliancewiththerequirementsoftheinputsignal.Afterenlargetheimportationofsmallsignals,ontheneedtoenlargetheTTLlevelintoPECLlevel.Levelthroughtheconversionofthecompany'sMC10H606MOTOROLA-chipconversioncompleted.Inthedesign,whileonthelevelofthecorrespondingprinciplesofconversion,conversionconditions,andconversionofthechipandmainfunctionsofanin-depthunderstanding,discussedhowtochipinontheconversiononthebasisofrationalandefficientdesignoftheLevelTranslators.Inaddition,thelevelconverteralsojoinedthesignalsurveillance,andothercircuit.Keywords:TTLPECLconverter 目錄第一章緒言 11.1設(shè)計背景 11.2發(fā)展狀況 11.3相關(guān)理論 1第二章相關(guān)邏輯電路介紹 42.1TTL電路 42.2ECL電路 42.3PECL電路 52.4TTL電平與ECL電平性能比較 62.5邏輯器件的使用注意 6第三章硬件電路設(shè)計 83.1高頻放大器基礎(chǔ) 83.1.1引言 83.1.2放大器的性能指標 83.2MC10H606功能概述 103.2.1芯片介紹 103.2.2芯片引腳圖及功能 113.2.3直流特性 123.3主要單元電路工作原理 133.3.1信號放大電路 143.3.2電平移動電路163.3.3指示電路 173.3.4PECL差分輸出電平電路 193.3.5接口互聯(lián) 213.3.6整體電路 21第四章反射和串擾的處理 234.1信號傳輸中的反射 234.1.1傳輸信號反射現(xiàn)象分析 234.1.2信號反射的抑制 244.2串擾 244.2.1串擾的起因及類型 254.2.2如何減少串擾264.3實際設(shè)計中對反射和串擾的處理 27總結(jié) 29致謝 30參考文獻 31第一章緒言1.1設(shè)計背景在新一代電子電路設(shè)計中,隨著低電壓邏輯的引入,系統(tǒng)內(nèi)部常常出現(xiàn)輸入/輸出邏輯不協(xié)調(diào)的問題,從而提高了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。例如,當1.8V的數(shù)字電路與工作在3.3V的模擬電路進行通信時,需要首先解決兩種電平的轉(zhuǎn)換問題,這時就需要電平轉(zhuǎn)換器。隨著不同工作電壓的數(shù)字IC的不斷涌現(xiàn),邏輯電平轉(zhuǎn)換的必要性更加突出,電平轉(zhuǎn)換方式也將隨邏輯電壓、數(shù)據(jù)總線的形式(例如4線SPI、32位并行數(shù)據(jù)總線等)以及數(shù)據(jù)傳輸速率的不同而改變?，F(xiàn)在雖然許多邏輯芯片都能實現(xiàn)較高的邏輯電平至較低邏輯電平的轉(zhuǎn)換(如將5V電平轉(zhuǎn)換至3V電平),但極少有邏輯電路芯片能夠?qū)⑤^低的邏輯電平轉(zhuǎn)換成較高的邏輯電平(如將3V邏輯轉(zhuǎn)換至5V邏輯)。另外,電平轉(zhuǎn)換器雖然也可以用晶體管甚至電阻———二極管的組合來實現(xiàn),但因受寄生電容的影響,這些方法大大限制了數(shù)據(jù)的傳輸速率。盡管寬字節(jié)的電平轉(zhuǎn)換器已經(jīng)商用化,但這些產(chǎn)品不是針對數(shù)據(jù)速率低于20Mbps[6]的串行總線(SPITM、I2CTM、USB等)優(yōu)化的,這些器件具有較大的封裝尺寸、較多的引腳數(shù)和I/O方向控制引腳,因而不適合小型串行或外設(shè)接口和更高速率的總線(如以太網(wǎng)、LVDS、SCSI等)。1.2發(fā)展狀況很多電子系統(tǒng)繼續(xù)向更低的電壓信號水平轉(zhuǎn)移。這個發(fā)展潮流背后的動力是對減少功耗的需求。更快的整流速度和降低信號噪聲等方面的進步既方便了設(shè)計者，也向他們提出了新的挑戰(zhàn)。微處理器在向較低的電壓水平進軍的過程中一馬當先。處理器I/O電壓正從1.8V轉(zhuǎn)移到1.5V，而內(nèi)核電壓能夠低于1V。下一代微處理器甚至將采用更低的電壓。外圍設(shè)備組件的電壓雖然也在降低，但水平通常落后于處理器一代左右。電壓降低方面的發(fā)展不均帶來了系統(tǒng)設(shè)計者必須解決的關(guān)鍵性難題——如何在信號電平之間進行可靠的轉(zhuǎn)換。正確的信號電平可以保證系統(tǒng)的可靠工作，它們能夠防止敏感IC因過高或者過低的電壓條件而受損。目前電平轉(zhuǎn)換分為單向轉(zhuǎn)換和雙向轉(zhuǎn)換，還有單電源和雙電源轉(zhuǎn)換，雙電源轉(zhuǎn)換采用雙軌方案具有滿足各方面性能的要求。1.3相關(guān)理論TTL電平信號被利用的最多是因為通常數(shù)據(jù)表示采用二進制規(guī)定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”，這被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號系統(tǒng)，這是計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標準技術(shù)。

TTL電平信號對于計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，首先計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對于電源的要求不高以及熱損耗也較低，另外TTL電平信號直接與集成電路連接而不需要價格昂貴的線路驅(qū)動器以及接收器電路；再者，計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是在高速下進行的，而TTL接口的操作恰能滿足這個要求。TTL型通信大多數(shù)情況下，是采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，而并行數(shù)據(jù)傳輸對于超過與其它的一些邏輯電路相比，TTL電路還是有局限性的。最重要的一點，它速度與ECL等電路相比不夠快，這就使起無法在高速系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

PECL電路是射極耦合邏輯（PositiveEmitterCoupleLogic）集成電路的簡稱。它是省掉ECL電路中負電源，采用正電源系統(tǒng)(+5V)，并將VCC接到正電源而VEE接到零點而來的。與TTL電路不同，PECL電路的最大特點是其基本門電路工作在非飽和狀態(tài)。所以，PECL電路速度是相當高的，這種電路的平均延遲時間可達幾個毫微秒甚至亞毫微秒數(shù)量級,所以PECL集成電路經(jīng)常被用于高速和超高速數(shù)字系統(tǒng)中使用。具體問題會在下一章做詳細介紹。這里只是要說明在使用各類儀器設(shè)備或設(shè)計電路時，常常需要將TTL電平進行轉(zhuǎn)換，以達到其它高速電路的要求。TTL使用注意：TTL電平一般過沖都會比較嚴重，可能在始端串22歐或33歐電阻；TTL電平輸入腳懸空時是內(nèi)部認為是高電平。要下拉的話應(yīng)用1k以下電阻下拉。PECL使用時，不同電平不能直接驅(qū)動。中間可用交流耦合、電阻網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ眯酒M行轉(zhuǎn)換。因為PECL為射隨輸出結(jié)構(gòu)，必須有電阻拉到一個直流偏置電壓（例如直流匹配時用130歐上拉，同時用82歐下拉），這一點在進行電平轉(zhuǎn)換時需要注意。以下為TTL和PECL的電平標準，要就根據(jù)以下標準進行轉(zhuǎn)換。TTL:Vcc=5V；VOH>=2.4V；VOL<=0.5V；VIH>=2V；VIL<=0.8VPECL:Vcc=5V；VOH=4.12V；VOL=3.28V；VIH=3.78V；VIL=3.64V由于MC10H606是單向電平轉(zhuǎn)換器，所以有必要了解，在單向電平轉(zhuǎn)換器件中，對于那些能夠?qū)⑤^高邏輯電平轉(zhuǎn)換成較低邏輯電平的器件，IC制造商規(guī)定了器件所允許的輸入范圍，在規(guī)定的輸入范圍內(nèi)，器件能夠?qū)⑵漭斎肭段辉谶^壓容限內(nèi)。由于具有輸入過壓保護的邏輯器件能夠承受的輸入電壓高于其供電電壓，因此，這些器件簡化了高邏輯電平至較低邏輯電平（Vcc邏輯電平）的轉(zhuǎn)換方案。而在高扇出或高容性負載連接器的設(shè)計中，任何邏輯器件在降低電源電壓的同時，其輸出驅(qū)動能力也隨之降低，只有3.3VCMOS/TTL與5V標準TTL之間的轉(zhuǎn)換是一個特例。因為3.3V邏輯與5V邏輯的閡限是相同的。SPI總線既需要較高邏輯電平至較低邏輯電平的轉(zhuǎn)換，也需要將較低邏輯電平轉(zhuǎn)換到較高的邏輯電平。在通過并行總線進行電平轉(zhuǎn)換時，由于通常已存在WR和RD信號，因而可以采用總線開關(guān)（如74CBTB3384）來實現(xiàn)不同邏輯電平之間的數(shù)據(jù)連接。對于單總線或2線接口，一般需要考慮兩個問題：一是有單獨的使能控制引腳來控制數(shù)據(jù)流向（占用有效的控制端口），二是芯片尺寸較大（占據(jù)較大的線路板尺寸）。任何設(shè)計都存在正、反兩個方向的影響，但設(shè)計人員通常希望其能夠工作在任何邏輯電平，也就是希望其是一個既可實現(xiàn)由高電壓邏輯至低電壓邏輯轉(zhuǎn)換，也可實現(xiàn)低電壓邏輯至高電壓邏輯的轉(zhuǎn)換，既可完成單向電平轉(zhuǎn)換，也能完成雙向電平轉(zhuǎn)換的通用器件。串行外設(shè)接口一般由單向控制線、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、時鐘和片選組成,數(shù)據(jù)輸入/輸出還可以是MISO(主機輸入、從機輸出)和MOSI(主機輸出、從機輸入)。SPI的時鐘速率可超出20Mbps,并由CMOS推挽式邏輯輸出級驅(qū)動。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯蜗蛐院喕宿D(zhuǎn)換器的設(shè)計。由于不必考慮數(shù)據(jù)在單條信號線上的雙向傳輸問題,因此,可以利用圖示的簡單電阻———二極管方案或晶體管方案（圖1-1）。圖1-1電阻-二極管電平轉(zhuǎn)換電路第二章相關(guān)邏輯電路介紹2.1TTL電路TTL電路是晶體管—晶體管邏輯電路的英文縮寫（Transister-Transister-Logic），是數(shù)字集成電路的一大門類。它采用雙極型工藝制造，具有高速度低功耗和品種多等特點。從六十年代開發(fā)成功第一代產(chǎn)品以來現(xiàn)有以下幾代產(chǎn)品。第一代TTL包括SN54/74系列，（其中54系列工作溫度為-55℃～+125℃，74系列工作溫度為0℃～+75℃)，低功耗系列簡稱第二代TTL包括肖特基箝位系列（STTL)和低功耗肖特基系列（LSTTL）。第三代為采用等平面工藝制造的先進的STTL(ASTTL)和先進的低功耗STTL（ALSTTL）。由于LSTTL和ALSTTL的電路延時功耗積較小，STTL和ASTTL速度很快，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。2.2ECL電路ECL電路是射極耦合邏輯（EmitterCoupleLogic）集成電路的簡稱,與TTL電路不同，ECL電路的最大特點是其基本門電路工作在非飽和狀態(tài)。所以，ECL電路的最大優(yōu)點是具有相當高的速度。這種電路的平均延遲時間可達幾個毫微秒甚至亞毫微秒數(shù)量級。這使得ECL集成電路在高速和超高速數(shù)字系統(tǒng)中充當無以匹敵的角色。在正常工作狀態(tài)下，ECL電路中的晶體管是工作于線性區(qū)或截止區(qū)的。因此,ECL集成電路被稱為非飽和型邏輯電路。ΩΩΩΩΩΩΩΩΩ220ΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩ220Ω圖2-1ECL電路圖中第Ⅰ部分為基本門電路。完成“或/或非”功能第Ⅱ部分為射級跟隨器，完成輸出及隔離功能第Ⅲ部分為基準源電路，具有溫度補償功能[13]ECL電路的邏輯擺幅較?。▋H0.8V，而TTL的邏輯擺幅約為2.0V

），當電路從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)時，對寄生電容的充放電時間將減少，這也是ECL電路具有高開關(guān)速度的重要原因。但邏輯擺幅小，對抗干擾能力不利。由于單元門的開關(guān)管對是輪流導(dǎo)通的，對整個電路來講沒有“截止”狀態(tài)，所以單元電路的功耗較大。從電路的邏輯功能來看，ECL

集成電路具有互補的輸出，這意味著同時可以獲得兩種邏輯電平輸出，這將大大簡化邏輯系統(tǒng)的設(shè)計。ECL集成電路的開關(guān)管對的發(fā)射極具有很大的反饋電阻，又是射極跟隨器輸出，故這種電路具有很高的輸入阻抗和低的輸出阻抗。射極跟隨器輸出同時還具有對邏輯信號的緩沖作用。2.3PECL電路如果省掉ECL電路中的負電源，采用正電源的系統(tǒng)(+5V)，可將VCC接到正電源而VEE接到零點。這樣的電平通常被稱為PECL（PositiveEmitterCoupledLogic）。如果采用+3.3V供電，則稱為LVPECL。當然，此時高低電平的定義也是不同的。其中，輸出射隨器工作在正電源范圍內(nèi)，其電流始終存在。這樣有利于提高開關(guān)速度，而且標準的輸出負載是接50Ω至VCC-2V的電平上。100Ω5Ω100Ω5ΩOUT-OUT+50Ω50100Ω5Ω100Ω5ΩOUT-OUT+50Ω50ΩIN-IN+圖2-2-1PECL輸出結(jié)構(gòu)圖2-2-2PECL輸入結(jié)構(gòu)在使用PECL電路時要注意加電源去耦電路，以免受噪聲的干擾。輸出采用交流耦合還是直流耦合，對負載網(wǎng)絡(luò)的形式將會提出不同的需求。直流耦合的接口電路有兩種工作模式：其一，對應(yīng)于近距離傳送的情況，采用發(fā)送端加到地偏置電阻，接收端加端接電阻模式；其二，對應(yīng)于較遠距離傳送的情況，采用接收端通過電阻對提供截止電平VTT和50Ω的匹配負載的模式。以上都有標準的工作模式可供參考，不必贅述。對于交流耦合的接口電路，也有一種標準工作模式，即發(fā)送端加到地偏置電阻，耦合電容靠近發(fā)送端放置，接收端通過電阻對提供共模電平VBB和50Ω的匹配負載的模式。（P)ECL是高速領(lǐng)域內(nèi)一種十分重要的邏輯電路，它的優(yōu)良特性使它廣泛應(yīng)用于高速計算機、高速計數(shù)器、數(shù)字通信系統(tǒng)、雷達、測量儀器和頻率合成器等方面。2.4TTL電平與ECL電平性能比較類型性能（單位）TTLECL電源電壓/V5-5.2UOL最高允許值/V2.4-0.85UOL最低允許值/V0.4-1.5邏輯擺幅/V2.00.65高電平輸入噪聲容限/V1.9(0.4)0.21低電平輸入噪聲容限/V1.05(0.4)0.21每門功耗/mV1040每門傳輸延遲/ns102抗干擾性能好差表2-1TTL與PECL性能比較表注：①括弧內(nèi)的數(shù)字為極限值②此參數(shù)為靜態(tài)時的功耗，在動態(tài)時，功耗隨著工作頻率而增加，在最高允許頻率時可達1mv[14]2.5邏輯器件的使用注意1．多余不用輸入管腳的處理[3]在多數(shù)情況下，集成電路芯片的管腳不會全部被使用。例如74ABT16244系列器件最多可以使用16路I/O管腳，但實際上通常不會全部使用，這樣就會存在懸空端子。所有數(shù)字邏輯器件的無用端子必須連接到一個高電平或低電平，以防止電流漂移（具有總線保持功能的器件無需處理不用輸入管腳）。究竟上拉還是下拉由實際器件在何種方式下功耗最低確定。2．選擇板內(nèi)驅(qū)動器件的驅(qū)動能力，速度，不能盲目追求大驅(qū)動能力和高速的器件，應(yīng)該選擇能夠滿足設(shè)計要求，同時有一定的余量的器件，這樣可以減少信號過沖，改善信號質(zhì)量。并且在設(shè)計時必須考慮信號匹配。3.在總線達到產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)的長度后，應(yīng)考慮對傳輸線進行匹配，一般采用的方式有始端匹配、終端匹配等。始端匹配是在芯片的輸出端串接電阻，目的是防止信號畸變和地彈反射，特別當總線要透過接插件時，尤其須做始端匹配。內(nèi)部帶串聯(lián)阻尼電阻的器件相當于始端匹配，由于其阻值固定，無法根據(jù)實際情況進行調(diào)整，在多數(shù)場合對于改善信號質(zhì)量收效不大，故此不建議推薦使用。應(yīng)選擇正確的終端匹配網(wǎng)絡(luò)，使總線即使在沒有任何驅(qū)動源時，其線電壓仍能保持在穩(wěn)定的高電平。4.收發(fā)總線需有上拉電阻或上下拉電阻，保證總線浮空時能處于一個有效電平，以減小功耗和干擾。5.時鐘、復(fù)位等引腳輸入往往要求較高電平，必要時可上拉電阻。6.注意電平接口的兼容性。選用器件時要注意電平信號類型，對于有不同邏輯電平互連的情況，請遵守本規(guī)范的具體要求。7.在器件工作過程中，為保證器件安全運行，器件引腳上的電壓及電流應(yīng)嚴格控制在器件手冊指定的范圍內(nèi)。邏輯器件的工作電壓不要超出它所允許的范圍。8.邏輯器件的輸入信號不要超過它所能允許的電壓輸入范圍，不然可能會導(dǎo)致芯片性能下降甚至損壞邏輯器件。9.對于帶有緩沖器的器件不要用于線性電路，如放大器。10.可編程器件任何電源引腳、地線引腳均不能懸空；在每個可編程器件的電源和地間要并接0.1uF的去耦電容，去耦電容盡量靠近電源引腳，并與地形成盡可能小的環(huán)路。第三章硬件電路設(shè)計3.1高頻放大器基礎(chǔ)3.1.1引言放大器（Amplifier）是應(yīng)用最廣泛的一類電子線路。它的功能是將輸入信號進行不失真地放大。在廣播，通信，自動控制，電子測量等各種電子設(shè)備中，放大器是必不可少的組成部分?；痉糯箅娐肥欠糯箅娐分凶罨镜慕Y(jié)構(gòu)，是構(gòu)成復(fù)雜放大電路的基本單元。它利用雙極型半導(dǎo)體三極管輸入電流控制輸出電流的特性，或場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管輸入電壓控制輸出電流的特性，實現(xiàn)信號的放大。從電路的角度來看，可以將基本放大電路看成一個雙端口網(wǎng)絡(luò)。放大電路主要利用三極管或場效應(yīng)管的控制作用放大微弱信號，輸出信號在電壓或電流的幅度上得到了放大，輸出信號的能量得到了加強。輸出信號的能量實際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號能量，提供給負載。放大高頻小信號（中心頻率在幾百千赫到幾百兆赫）的放大器稱為高頻小信號放大器。根據(jù)工作頻寬的寬窄不同，高頻小信號放大器有寬帶型和窄帶型兩大類。所謂頻帶的寬窄，指的是相對頻帶，即通頻帶與其中心頻率的比值。寬帶放大器的相對頻帶較帶（往往在0.1以上），窄帶放大器的相對頻帶較窄（往往小到0.01）。高頻小信號放大器若按器件分可分為晶體管放大器，場效應(yīng)管放大器，集成電路放大器；若按通帶分可分為窄帶放大器，寬帶放大器；若按負載分可分為諧振放大器，非諧振放大器。3.1.2放大器的性能指標對輸入信號源而言，放大器可看作它的負載，用等效電阻Ri表示，稱為放大器的輸入電阻，定義為Ri=Vi/Ii。對輸出電阻RL而言，放大器可看作它的信號源，用戴維寧等效電壓源Vot和RO或諾頓等效電流源Ion和RO表示。它們之間由下列關(guān)系式轉(zhuǎn)換Vot=-ROIon根據(jù)上述，畫出小信號放大器的電路一般模型如圖所示。其中Ro是等效電源的內(nèi)阻，稱為放大器的輸出電阻，它是在獨立電壓源短路或獨立電流源開路而保留受控源的情況下，由RL兩端向放大器看進去的等效電阻，稱為放大器的輸出電阻。圖3-1小信號放大器一般電路模型[1]根據(jù)上述定義可見，Ri和RO不是實際電阻，而是等效意義上的電阻。一般情況下，Ri不僅與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，還與輸出負載RL有關(guān)；RO不僅與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，還與輸入信號源電阻RS有關(guān)。放大器的增益，又稱為放大倍數(shù)，用A表示，定義為放大器輸出量對輸入量的比值，用來衡量放大器放大電信號的能力。根據(jù)需要處理的輸入和輸出電量不同，增益有四種不同的的定義，分別稱為電壓增益Av，電流增益Ai，互導(dǎo)增益Ag，和互阻增益Ar。應(yīng)用中經(jīng)常討論的為電壓增益，即放大器輸出電壓Vo與輸入電壓Vi之比 分貝表示：為了實現(xiàn)高增益和某些其它的特定要求，實際放大器一般都是由多級組成的。圖3-2多級放大器組成[1]由上圖可見，第二級放大器的輸入電阻等效為第一級放大器的輸出負載；而第一級放大器的輸出等效電壓源等效為第二級放大器的輸入信號源。第二級放大器和第三級放大器之間也有類似的關(guān)系，以此類推。若已知每級輸出負載時的電壓增益，則由于前級放大器的輸出電壓即為后級放大器的輸入電壓，因此N級放大器的總電壓增益為根據(jù)不同要求，多級放大器還可以由不同類型放大器組成。在此不在累述。放大器的失真是指其輸出信號不能重現(xiàn)輸入信號波形的一種物理現(xiàn)象。根據(jù)產(chǎn)生的機理不同，失真可分為線性失真和非線性失真兩大類。其中線性失真又有頻率失真和瞬變失真之分。必須指出，非線性失真和線性失真都會引起輸出信號波形失真，但兩者具有本質(zhì)區(qū)別。線性失真僅使信號中各頻率分量的幅度和相位發(fā)生變化，而不會產(chǎn)生新的頻率分量；非線性失真則是由于產(chǎn)生了芯頻率分量而造成的。3.2MC10H606功能概述3.2.1芯片介紹MC10H606型芯片是6位計數(shù)，單向供電的TTL-PECL電平轉(zhuǎn)換芯片。它的主要特征是選擇差分PECL或者TTL作為輸入電平，并且以差分PECL作為輸出電平。異步主要重新設(shè)置控制是PECL電平輸入。 FNSUFFIXPLASTICACKAGECASE776–02圖3-3MC10H606芯片基于MC10H606可以將TTL電平轉(zhuǎn)換為PECL電平，所以該芯片理論上適用于HPPI總線板對板接口應(yīng)用的傳輸。它進一步簡化了兩板之間同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。該芯片適用于任何ECL標準：與MECL10KH邏輯電平兼容，工作電壓為＋5v。該芯片具有速度快、邏輯功能強、扇出能力大等突出優(yōu)點。采用該芯片可以有效的簡化電路，并且具有很高的可靠性，設(shè)計起來也相應(yīng)的十分方便。QNDn DQ QN CLK R CLKTCLK MR圖3-4邏輯模型注1.當使用PECL作為輸入端時，TCLK端必須接地（0V）2.當僅使用一端PECL輸入時，則另一個PECL輸入端必須接到VBB上，同時TCLK端必須接地。3.當使用TCLK端作為輸入端時，PECL端必須接地（0V）3.2.2芯片引腳圖及功能 D0D2VCCTD3D4D5VCCE D0Q5 TCLKQ5VBBQ4CLKQ4CLKVCCEMRQ3VCCEQ3Q0Q0GNDQ1Q1Q2Q2圖3-5MC10H606引腳圖表3-1引腳名稱及功能引腳功能D0-D5CLK,CLKTCLKMRQ0-Q5Q0-Q5VCCEVCCTGNDTTL數(shù)據(jù)輸入差分PECL時鐘輸入TTL時鐘輸入PECL重置輸入實際PECL輸出反向PECL輸出PECLVCC(+5.0V)TTLVCC(+5.0V)TTL/PECL接地表3-2真值表DNMRTCLK/CLKQN+1LHXLLHZZXLHLZ＝低到高轉(zhuǎn)換3.2.3直流特性名稱 特性A=0CA=25CA=85C單位條件最小最大最小最大最小最大VIH輸入高電平2.02.02.0VVIL輸入低電壓平VVIK輸入鉗電壓平–1.2–1.2–1.2VIIN=–18mAIIH輸入高電流201002010020100VVIN=2.7VVIN=7.0VIIL輸入低電流–0.6–0.6–0.6mAVIN=0.5V表3-3TTL直流特性(VCCT=VCCE=5.0V5%)表3-4PECL直流特性(VCCT=VCCE=5.0V5%)名稱 特性A=0CA=25CA=85C單位條件最小最大最小最大最小最大IINH輸入高電流255145145AIINL輸入低電流AVIH輸入高電平383041603870419039304280mVVCCT=5.0VVIL輸入低電平305035203050352030503555mVVCCT=5.0VVOH輸出高電平398041604020419040804270mVVCCT=5.0VVOL輸出低電平305033703050337030503400mVVCCT=5.0VVBB輸出偏壓360037103630373036703790mVVCCT=5.0V3.3主要單元電路工作原理測量系統(tǒng)中,常要進行信號電平轉(zhuǎn)換以滿足儀器的需要。在我們的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中,外輸入控制信號常常是TTL信號,而被控制設(shè)備需要PECL信號,因此必須進行電平轉(zhuǎn)換。根據(jù)這個要求,設(shè)計了TTL-PECL電平轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器可以把標準TTL電平轉(zhuǎn)換為標準PECL電平,并實現(xiàn)差分互補輸出，可以滿足實際工作的需要。在設(shè)計轉(zhuǎn)換電路的同時還要注意以下幾個問題：（1）電平兼容電平轉(zhuǎn)換問題，最根本的就是要解決邏輯器件接口的電平兼容問題。而電平兼容原則就兩條：VOH>VIHVOL<VIL再簡單不過了！當然，考慮抗干擾能力，還必須有一定的噪聲容限：|VOH-VIH|>VN+|VOL-VIL|>VN-其中，VN+和VN-表示正負噪聲容限（2）速度/頻率某些轉(zhuǎn)換方式影響工作速度，所以必須注意。由于電阻的存在，通過電阻給負載電容充電，必然會影響信號跳沿速度。為了提高速度，就必須減小電阻，這又會造成功耗上升。（3）輸出驅(qū)動能力如果需要一定的電流驅(qū)動能力，那么就要更加注意。因為速度問題的關(guān)鍵就是對負載電容的充電能力。在解決上述幾個問題之后，我們就可以著手設(shè)計電路。電路的主要功能是將TTL信號轉(zhuǎn)換為PECL信號,除指示電路外,采用的轉(zhuǎn)換芯MC10H606。它具有速度快、邏輯功能強、扇出能力大等突出優(yōu)點。該電路主要由信號放大、電平移動、輸出指示組成。3.3.1信號放大電路由于輸入信號為頻率為1GHz，幅值為0.2v的高頻已調(diào)制小信號，而要求輸出電壓幅值為2v。這就需要通過放大電路來實現(xiàn)。2v2v－2v－0.2v0.2v－2v－0.2v0.2v圖3-6方波轉(zhuǎn)換對于該方波信號，可以采用MAR-8A+型號的單片集成放大器進行放大。MAR-8A是提供高動態(tài)范圍的寬頻放大器。它具有多次可重復(fù)使用的良好性能。MAR-8A+采用達林頓放大結(jié)構(gòu)并使用HBT技術(shù)制作。該放大器具有較高的增益。當工作頻率f=0.1GHz時，電壓增益可達31.5dB；當工作頻率f=1GHz時，電壓增益可達25dB。由于要求輸入信號為1GHz，則Av=20Log(Vo/Vi)=25Vo/Vi≈10滿足放大要求，可以使用。MAR-8A+輸出功率很高，功率增益可以達到+12.5dBm。另外，MAR-8A+還具有低噪聲，高穩(wěn)定性，有效防止瞬時電壓擊穿等諸多特點。65K25K18K65K25K18K2.7K圖3-7內(nèi)部電路模型表3-5引腳功能概述引腳符號作用RF-IN1射頻輸入引腳。該引腳要求使用外部直流電容進行選頻。RF-OUTandDC-IN3射頻輸出和偏壓引腳。直流電壓由該引腳接入；因此要選擇合適的直流電容。GND2,4接地從MAR-8A+內(nèi)部簡易結(jié)構(gòu)可以看到，該放大器主要有兩個三極晶體管構(gòu)成。兩個三極管采用直接耦合的方式。在這種耦合方式中，信號直接從前級傳送到后級。第一級放大器采用分壓式偏置電路。分壓式偏置電路是一種高穩(wěn)定性的偏置電路，它廣泛的應(yīng)用于分立元件放大器。與簡單偏置電路比較，分壓式偏置電路能夠有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點，從而提高放大性能。由引腳功能表可知，RF-IN端要選擇合適的電容C1進行選頻。電容具有通高頻阻低頻的作用，電容值越大，則通過的頻率越高。因為輸入的信號為1GHz，所以采用大小為1000uF的電容，對輸入信號進行選頻濾波。在RF-OUTandDC-IN端，同時接入直流電源，并且有高頻信號輸出。在電源輸入旁需要并接一個去耦電容C2，電容的大小選擇0.1uF。MAR-8A+對VCC端外界電阻有固定的要求。見下表表3-6電阻率列表RVcc偏壓電阻率788.781189143101741120012226因為采用不同的Vcc，其所加的電阻值也不同,這就要求在設(shè)計放大電路的時候考慮到外接電源對電阻的影響。在該電路中使用12v的輸入直流電壓，那么相應(yīng)的選擇阻值為220Ω的電阻。在放大器的信號輸出端同樣需要外接一電容，此電容的作用是將信號中的直流成分隔離開，因此稱為隔直流電容或耦合電容。將該電容為100uF。圖3-8應(yīng)用電路3.3.2電平移動電路差分互補輸出輸出指示差分互補輸出輸出指示電平移動小信號輸入小信號輸入3.2主要單元電路工作3.2主要單元電路工作原理 圖3-9電平轉(zhuǎn)換器電路框圖首先，設(shè)計該轉(zhuǎn)換電路需要著重考慮了以下幾點。1.電平關(guān)系，必須保證在各自的電平范圍內(nèi)工作，否則，不能滿足正常邏輯功能，嚴重時會燒毀芯片。2.驅(qū)動能力，必須根據(jù)器件的特性參數(shù)仔細考慮，計算和試驗，否則很可能造成隱患，在電源波動，受到干擾時系統(tǒng)就會崩潰。3.時延特性，在高速信號進行邏輯電平轉(zhuǎn)換時，會帶來較大的延時，設(shè)計時一定要充分考慮其容限。TTL－PECL轉(zhuǎn)換電路可將輸入的TTL電平直接轉(zhuǎn)換成標準PECL電平,在這里我們使用MC10H606邏輯轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。在使用邏輯器件的時候有許多需要注意的問題，前面已經(jīng)提到過了，那么在具體使用MC10H606進行電平轉(zhuǎn)換器設(shè)計的時候,則需要具體考慮。D：通過引腳功能表可以知道，經(jīng)過高頻放大電路放大之后的高頻TTL信號通過該端口輸入。因為由TTL門電路的輸入端負載特性可知,只有在輸入端接的串聯(lián)電阻<910Ω[5]時,它輸入來的低電平信號才能被門電路識別出來,串聯(lián)電阻再大的話輸入端就一直呈現(xiàn)高電平。所以再該電路中串接一個阻值為510Ω的電阻。MR：根據(jù)芯片各個引腳的真值表，當MR端輸入高電平時，將無法觸發(fā)Q端輸出信號，所以MR端為低電平有效。TCLK/CLK：接入定時信號發(fā)生器，從而觸發(fā)D輸入端。需要注意的是，當使用PECL作為輸入端時，TCLK端必須接地；當僅使用一端PECL輸入時，則另一個PECL輸入端必須接到VBB上，同時TCLK端必須接地；當使用TCLK端作為輸入端時，PECL端必須接地該電平移動電路選擇TCLK端觸發(fā)，這樣，根據(jù)MC10H606的要求，CLK端必須接地。為了抑制過沖、保護器件，還需要對器件進行相應(yīng)的電阻匹配。匹配的原則是在不影響速度的情況下與器件的接口盡量串阻。由于MC10H606所要求的輸入高電平為2V，那么可以選擇串接一個阻值大約為510Ω的電阻，這樣就可以保證在驅(qū)動能力和速度較高的情況下，邏輯器件不至于被損壞。在邏輯器件的電源和地間要并接0.1uF的去耦電容，去耦電容盡量靠近電源引腳，并與地形成盡可能小的環(huán)路。另外，為了防止信號畸變和地彈反射，應(yīng)考慮對傳輸線進行匹配，一般采用的方式有始端匹配、終端匹配等。始端匹配是在芯片的輸出端串接電阻，內(nèi)部帶串聯(lián)阻尼電阻的器件相當于始端匹配，由于其阻值固定，無法根據(jù)實際情況進行調(diào)整，在多數(shù)場合對于改善信號質(zhì)量收效不大，故此不建議推薦使用。這里可以使用兩個阻值為510Ω并聯(lián)電阻。根據(jù)上述要求，所設(shè)計的電平轉(zhuǎn)換電路如下圖所示。10k0.10k0.01uF圖3-10TTL-PECL轉(zhuǎn)換電路3.3.3指示電路其功能是指示有無信號輸入以及輸入信號頻率的快慢。每路輸出設(shè)有一個指示電路,其接法和原理基本一樣。這部分主要由一個集成單穩(wěn)態(tài)和一個采用分立元件組成的電平移動級構(gòu)成。單穩(wěn)態(tài)選用MAX9381（差分數(shù)據(jù)和時鐘D觸發(fā)器）。MAX9381是一款差分數(shù)據(jù)、差分時鐘D觸發(fā)器，引腳兼容于ONSemiconductor的MC100EP52，增加以下優(yōu)點：2.25V至5.5V的更寬電源電壓范圍和25%A的更低電源電流。當時鐘信號是低電平時，數(shù)據(jù)進入觸發(fā)器控制部分，一旦時鐘信號發(fā)生正跳變，數(shù)據(jù)就被傳送到輸出端?；Q時鐘輸入端，此器件可作為下降沿觸發(fā)器件使用。當輸入端懸空或接到VEE時，MAX9381利用輸入箝位電路來保證輸出的穩(wěn)定性。關(guān)鍵特性保證3.0GHz工作時鐘頻率●0.2ps加性隨機抖動328ps的典型傳輸延遲PECL電源電壓Vcc=2.25v至5.5v（VEE=0v）ECL電源電壓VEE=-2.25v至-5.5v(Vcc=0v）當輸入開路或接到VEE時，輸入保護嵌位保證輸出穩(wěn)定性2kvESD保護在介紹完MAX9381的基本參數(shù)功能之后，我們就可以開始著手設(shè)計指示電路。首先，我們要選取2n3904型號的三極管，并且將三極管接成共基極電路。MAX9381有兩個輸入端，在圖中可以看到分別被標為1、2。其中2綁成+5V,為高電平，在這之間最好還需要串接一個電阻。電阻值推薦為1～10K，在這里可以選擇一個阻值為4.7k的電阻。在圖中我們可以看到，我們要在c、d之間，也就是VCC和反向輸入端Q端之間連接一只發(fā)光二極管，我們就是通過這個發(fā)光二極管來觀察信號的輸入情況的。MAX9381的反相輸出端Q端電平的變化就取決于輸入端1端的輸入電平。當沒有電平信號過來時,a點的電位(圖3-11)是-0.8V,由于采用的2n3904型號三級管是NPN型，則基極和發(fā)射極之間的電壓不足以導(dǎo)通三極管,則b點的電位是+5V,所以根據(jù)MAX9381的功能可以知道，反相輸出端Q端將輸出高電平(約3.3V)。由于發(fā)光二極管是正向?qū)ㄇ覍?dǎo)通電壓大于1V,而這時候c、d之間的電壓不足夠使發(fā)光二極管導(dǎo)通。當有信號來時,a點的電位是-1.6V,該電平的幅值可以使三極管導(dǎo)通,在經(jīng)過5kΩ電阻的壓降,則b點大約是0V,這時候,MAX9381被觸發(fā),其反相輸出端Q端輸出電平大約0.3V。這是c出的電壓大于d處的電壓，且兩點之間的的壓降足夠使發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光。根據(jù)這個二極管的發(fā)光情況就可以來監(jiān)視輸入的情況。ΩΩΩΩΩΩ ΩΩΩΩΩΩ圖3-11信號監(jiān)視電路3.3.4PECL差分輸出電平電路PECL是有ECL標準發(fā)展而來，在PECL電路中省去了負電源，較ECL電路更方便使用。PECL信號的擺幅相對ECL要小，這使得該邏輯更適合于高速數(shù)據(jù)的串性或并行連接。PECL電路的輸出結(jié)構(gòu)如圖3-12所示，包含一個差分對和一對射隨器。輸出射隨器工作在正電源范圍內(nèi)，其電流始終存在，這樣有利于提高開關(guān)速度。標準的輸出負載是接50Ω至VCC-2V的電平上，如圖3-12中所示，在這種負載條件下，OUT+與OUT-的靜態(tài)電平典型值為VCC-1.3V，OUT+與OUT-輸出電流為14mA。PECL結(jié)構(gòu)的輸出阻抗很低，典型值為4~5Ω，這表明它有很強的驅(qū)動能力，但當負載與PECL的輸出端之間有一段傳輸線時，低的阻抗造成的失配將導(dǎo)致信號時域波形的振鈴現(xiàn)象。IN-IN+5Ω5Ω50IN-IN+5Ω5Ω50Ω50Ω圖3-12PECL輸出電路差分對的作用是讓兩個相互關(guān)聯(lián)且互補部分間所收到的的信號之間存在差值，因此其通訊環(huán)境的影響將能被降低到最小程度。相反地，單端信號所獲得的是接收到的信號和電源或接地之間的信號差值，因此，信號上或電源系統(tǒng)上的在噪音不能被抵消掉。這就是差分信號對高速信號如此有效的原因，也是它用于快速串列回流排和雙倍數(shù)據(jù)記憶的原因。在差分對中，正負兩端都必須始終透過相同的環(huán)境并沿著傳輸路徑發(fā)送。正負兩端必須在一起，以便使這些在相同對應(yīng)點上通過電磁場的正負信號能能夠彼此耦合。由于差分對是對稱的，因此它們的環(huán)境也必然對稱。射極跟隨器又叫射極輸出器，是一種典型的負反饋放大器。從晶體管的連接方法而言，它實際上是共集電極放大器。射極跟隨器雖然沒有電壓放大能力，但由于電路深度負反饋的作用，具有工作穩(wěn)定、頻響寬、輸入電阻大和輸出電阻小等突出優(yōu)點。射極限隨器的輸入電阻比一般共發(fā)射極電路的輸入電阻大很多。根據(jù)理論分析，它的輸入電阻Rsr≈βRe。如果晶休管的β＝100，Re=1千歐，則輸入電阻入，Rsr≈l00千歐。輸入電阻大，消耗信號源的電流就小。在多級放大器中，射極限隨器對信號源或前級只是很輕的負載。同時，射極限隨器的輸出電阻是很小的，根據(jù)理論分析，Rsr≈Rbe/β（式中的Rbe．是晶休管的輸入電阻）。一般射極限隨器的輸出電阻在幾十到幾百歐之內(nèi)，比共發(fā)射極電路小得多。輸出電阻小，帶負栽的能力就強，可以帶阻抗比較小的負載。利用射極限隨器輸入電阻大、輸出電阻小的特點，還可以進行阻抗匹配。多級放大器中有時在兩級之間加入一級射極限隨器，使它的高輸入阻抗與前級的高輸出阻抗匹配；低輸出阻抗與后級的低輸入阻抗相匹配，起到緩沖作用，減少了前后級之間的影響。由于射極跟隨器的負反饋作用，輸出電壓隨頻串的變化也減小到最小程度，相對改善了放大器的頻串響應(yīng)。3.3.5接口互聯(lián)PECL到PECL的連接分直流耦合和交流耦合兩種形式，這里采用直流耦合的方式。直流耦合情況：PECL輸出設(shè)計成驅(qū)動50Ω負載至(VCC-2V)。由于一般情況下無法向終端網(wǎng)絡(luò)提供(VCC-2V)電源，經(jīng)常會用并聯(lián)電阻，得到一個等效電路。50Ω負載至(VCC-2V)的終端匹配要求滿足：(VCC－2V)=VCC()and(R1//R2)=50Ω解出R1,R2，可得R1=andR2=25·VCC在+5v供電時，電阻按5％的精度選取，R1為82Ω，R2為130Ω，下圖為等效終端網(wǎng)絡(luò)。[11]圖3-13PECL與PECL之間的直流耦合3.3.6整體電路圖3-14TTL-PECL電平轉(zhuǎn)換器總體電路第四章反射和串擾的處理系統(tǒng)中由直流和交流兩種噪聲。前者主要是電源變化造成的和輸出端并聯(lián)帶來的直流噪聲；后者主要是傳輸線上的串擾噪聲,信號傳輸由于傳輸線的失配帶來的反射噪聲,地線上的尖峰和電源線上的尖峰等。在設(shè)計時對各種噪聲進行了充分的考慮,其中最主要的噪聲是反射,傳輸線的串擾、電源和地線的尖峰。4.1信號傳輸中的反射在各種數(shù)字電路應(yīng)用系統(tǒng)中，由于信號傳輸?shù)男枰８鱾€單元電路問要按照一定的邏輯要求進行連接。這些連接有的比較短，如在同一塊插件板上，從某一點到另外的某一點。有的卻很長，如從一個機箱到相隔較遠的另一個機箱。當信號的頻率較高時，如果連線的長度和它上面?zhèn)鬏數(shù)男盘柕牟ㄩL很接近，則當高速變化的信號在長線中傳輸時，由于阻抗不匹配，會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，使信號波形嚴重畸變，并引起有害的干擾脈沖，影響系統(tǒng)的正常工作。因此，抑制信號傳輸中的反射，提高信號傳輸?shù)目煽啃允谴祟愲娐吩O(shè)計中必須解決的一個重要問題。4.1.1傳輸信號反射現(xiàn)象分析在以下分析中作如下假設(shè)，所有信號采用負邏輯。輸入信號為負階躍，V＝-5V。傳輸線采用雙絞線，長L＝10m，波阻抗R＝150Ω，信號傳輸速度為0.2m／ns。始端信號源電阻Ri=20，終端負載電阻R=1000終端反射系數(shù)：始端反射系數(shù)：Ke==≈0.74Ks==0.76信號傳輸時間：t=10/0.2=50(ns)始端入射波幅值：Vr=·V=·(-5)≈4.4(V)經(jīng)時間t后，入射波到達終端，產(chǎn)生第一次反射，反射波的幅值為:Vi1＝Ke·Vr＝0.74×（－4.4）≈－3.3(V)經(jīng)時間2t后，反射波到達始端，產(chǎn)生第二次反射，反射波幅值為：Vi2＝Ke·Vr1＝-0.76×(-3.3)≈2.5(V)同理有:Vi3＝Ke·Vr2=0.74×2.5≈2.83(V)…Vi12≈-0.14(V)…由于R，K的絕對值均小于1，故反射波的幅值將不斷衰減，經(jīng)足夠長的時間(如600ns)后，反射渡的幅值(-0.14V)與信號(-5V)相比已微不足道，此時即可認為已達到了穩(wěn)態(tài)。理論上穩(wěn)態(tài)時傳輸線始端和終端的電壓均為：V=·V=·(-5)=-4.9(V)[9]對于TTL與非門，其輸出阻抗在高電平時約為100，在低電平時約為20，其輸入阻抗在高電平時可達數(shù)百k，在低電平時只有1k，采用雙絞線(其渡阻抗約為150)傳輸信號時，由于阻抗不匹配，必然產(chǎn)生反射現(xiàn)象，使始端和終端的信號渡形出現(xiàn)小振蕩，在邊沿上形成若干個小臺階，造成信波形的嚴重畸變，影響系統(tǒng)的正常工作。為此，必須采取適當?shù)拇胧?，抑制或消除反射引起的信號畸變?.1.2信號反射的抑制由反射系數(shù)的定義：K=可知，若阻抗匹配，即R=RF，則反射系數(shù)K=0，不會發(fā)生反射現(xiàn)象。為此，我們設(shè)計了下圖所示信號傳輸/接收電路。 +5v80Ω80Ω80Ω80ΩOUT+INOUT+IN5Ω5Ω--圖4-1信號傳輸/接收電路該電路有以下特點：1．通過選擇適當?shù)碾娮鑂，使R=RF,可實現(xiàn)終端負載匹配，有效地防止信號在終端的反射，從而減小信號波形的畸變。2．傳輸線采用雙絞線，由于雙絞線之間的串擾性較小，外界對它的干擾信號一般為共模信號，該共模信號可以很容易地被電壓比較器消除。3.電路能構(gòu)成20MA電流環(huán)，從而提高了其抗干擾性能。4.2串擾串擾是指一條線上的信號到臨近線上的不希望的耦合,在電路中平行線到處存在,這就帶來了嚴重的串擾。在數(shù)字電路設(shè)計領(lǐng)域,串擾是廣為存在的,如PCB板、器件封裝(Package)、連接器(Connector)和連接電纜(Cable)。而且隨著信號速率的提高和產(chǎn)品外形尺寸越來越小，數(shù)字系統(tǒng)總的串擾也急劇增加。過大的串擾會影響到系統(tǒng)的性能,甚至可能引起電路的誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。4.2.1串擾的起因及類型一個信號在傳輸通道上傳輸時,因電磁耦合而對相鄰的傳輸線產(chǎn)生影響,在被干擾信號表現(xiàn)為被注入了一定的耦合電壓和耦合電流,這就是串擾。一般來說串擾是通過三種途徑產(chǎn)生的：電容耦合、電感耦合和輻射耦合。輻射耦合是屬于電磁干擾(EMI)的范疇,在此不作討論,這里主要關(guān)注電容耦合和電感耦合引起的串擾。產(chǎn)生這兩種耦合串擾的源是互容和互感。在電場的作用下，兩個導(dǎo)體互相耦合，這種由電場引起的耦合在電路模型中就用互容來表示。任何相鄰導(dǎo)體之間都存在互容，導(dǎo)體之間的間距越近，耦合就會越緊密，互感也是如此。如圖4－2所示，互容Cm將在被干擾線(VictimLine)上的串擾點注入一定的電流i，這個電流也可稱為噪聲電流，它與干擾線(AggressorLine)的電壓Vs變化斜率和互容Cm的大小成正比。這個噪聲電流分成兩個部分，從串擾的位置開始分別向相反的方向傳輸,引起的串擾電壓如圖2中的前向串擾電壓Vf(沿著原來的方向傳輸)和反向串擾電壓Vb(沿著反方向傳輸)。由上面的分析知道,噪聲與信號電壓Vs的變化斜率成正比。在高速電路中，信號的上升沿或下降沿都非常短,信號電壓的變化斜率很大,因此互容引起的串擾是不可忽視的。同樣在磁場的作用下，兩個導(dǎo)體互相耦合，這種由磁場引起的耦合在電路模型中就用互感來表示。如圖4-3所示,互感Lm將在被干擾線上的串擾點注入一定的噪聲電壓V。圖4-2電容耦合串擾示意圖圖4-2電容耦合串擾示意圖圖4-3電感耦合串擾示意圖它與干擾線的電流Is變化斜率和互感Lm的大小成正比。這個噪聲電壓分成兩個部分：前向串擾電壓Vf和反向串擾電壓Vb，從串擾的位置開始分別向相反的方向傳輸。同樣,由互感引起的噪聲與信號電流Is的變化斜率成正比,在高速電路設(shè)計中,互感引起的串擾也是不可忽視的。圖4-3電感耦合串擾示意圖4.2.2如何減少串擾要控制串擾，先要確定影響串擾的因素。下列幾項是與串擾相關(guān)的主要因素：●信號源頻率與邊緣翻轉(zhuǎn)速率干擾源信號頻率越高,被干擾對象上的串擾幅值越大。對于高速信號的串擾,容性耦合已經(jīng)超過感性耦合而成為主要的干擾因素,因此不但要關(guān)注遠端串擾,而且需要謹慎處理容易被忽略的近端串擾。另外,在數(shù)字電路中,除了信號頻率對串擾的影響外,信號的邊緣翻轉(zhuǎn)速率對串擾的影響更大,邊沿變化越快,串擾越大。圖4-4為某一被干擾線的遠端仿真波形圖，干擾線和被干擾線并行長度為1m，干擾源信號電壓幅度為1V，被干擾線上電平為0。圖4-4遠端串擾電壓波形圖4-4遠端串擾電壓波形●電流的流向串擾是與方向有關(guān)的,其波形是電流流動方向的函數(shù),電流流向為反向時的遠端串擾要大于電流流向為同向時的串擾。●線間距離與平行線長度串擾電壓的大小與兩線的間距成反比,而與兩線的平行長度成正比。但隨著平行長度的增加,串擾是會飽和的,飽和長度由Tr和Tpd決定。(Tr為脈沖信號上升時間,Tpd為單位長度傳輸時延)?！竦仄矫鎸Υ當_的影響傳輸線與地平面的距離,即傳輸線與地平面之間的電介質(zhì)厚度對串擾的影響很大。介質(zhì)厚度越大，串擾越大；反之，介質(zhì)厚度減小時，串擾明顯減小?！褙撦d串擾隨電路中負載的變化而變化,對于相同的拓撲結(jié)構(gòu)和布線情況,負載越大,串擾越大。要消除串擾是不可能的,我們只能將串擾控制在可以容忍的范圍內(nèi)。因此我們在進行PCB設(shè)計時可以采取下列辦法：●如果布線空間允許的話，增加線與線之間的間距；●設(shè)計疊層時,在滿足阻抗要求的條件下，減少信號層與地層之間的高度；●把關(guān)鍵的高速信號設(shè)計成差分線對,如高速系統(tǒng)時鐘；;●如果兩個信號層是鄰近的，布線時按正交方向進行布線，以減少層與層之間的耦合；●將高速信號線設(shè)計成帶狀線或嵌入式微帶線；●走線時,減少并行線長度,可以以jog方式布線(如圖4-5)；圖4-5圖4-5減小串擾的jog走線方式[10]4.3實際設(shè)計中對反射和串擾的處理由于本次設(shè)計中的輸入信號是頻率為1GHz的高頻信號，根據(jù)信號反射產(chǎn)生的原因，應(yīng)盡量避免連線的長度和它上面?zhèn)鬏斝盘柕牟ㄩL相近，因為這樣會使阻抗不匹配，從而產(chǎn)生反射。在實際應(yīng)用中，可以考慮采用圖4-1所示的信號傳輸電路，以降低信號反射的發(fā)生。了解了串擾產(chǎn)生的原因和解決的各種方法后，可以考慮在電平轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中，選擇對于該問題的處理辦法。對于高速信號來說，主要干擾因素為容性耦合，因此對近端串擾的影響也不能忽略。地面對串擾的影響同樣要加以重視，要盡可能的減小信號線與地面之間的距離。由于該轉(zhuǎn)換器中使用集成模塊較多，布線較為密集——這是產(chǎn)生串擾的一大因素，所以在電平轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中要尤為注意。相應(yīng)的，在布線時為了減少串擾的發(fā)生，應(yīng)該盡量增加線與線之間的距離；可以把電路中的定時信號發(fā)生器設(shè)計成差分線對；走線時，可根據(jù)圖4-5的走線方式，以減少并行線長度，從而達到減少串擾的目的?？偨Y(jié)畢業(yè)設(shè)計是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，通過這次比較完整的電平轉(zhuǎn)換器設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設(shè)計的目的所在。本次設(shè)計是針對TTL電平到PECL電平的轉(zhuǎn)換。這種電平轉(zhuǎn)換器具有很廣泛的實際應(yīng)用價值。本設(shè)計主要包括三部分。第一部分是信號放大器的設(shè)計。由于輸入信號為高頻小信號，所以選擇的放大器需要具有良好的放大增益和抗噪聲性能，否則放大的信號會出現(xiàn)失真等現(xiàn)象，在本次設(shè)計中采用MAR-8A+高頻放大器，它完全符合設(shè)計要求中信號放大的標準。第二部分是將TTL電平進行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的PECL電平有效輸出。該電平轉(zhuǎn)換通過MC10H606來實現(xiàn)。MC10H606是專用的TTL-PECL轉(zhuǎn)換芯片，邏輯功能強，轉(zhuǎn)換速度快。在使用邏輯器件時需要注意諸多問題，在這里也一并進行了討論。第三部分是監(jiān)測PECL電平信號，以確保轉(zhuǎn)換電平成功實現(xiàn)。最后，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性和抗干擾能力出發(fā)，分析了信號的反射和串擾現(xiàn)象，并對這種現(xiàn)象的抑制和排除提出了抑制和排除的若干途徑。在設(shè)計的過程中需要解決的問題很多，比如信號放大電路的具體設(shè)計，電平之間的兼容標準，芯片的接口互聯(lián)等。最后，這些問題都得到了有效的解決。雖然畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種設(shè)備的選用標準，我都是隨著設(shè)計的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會應(yīng)用的。在設(shè)計過程中一些具體的電路設(shè)計讓我很頭痛，原因是由于本身設(shè)計受到課題本身的框定，而又必須考慮本專業(yè)的一些要求規(guī)范，從而形成了一些矛盾點，這些矛盾在處理上讓人很難斟酌，正是基于這種考慮我意識到：要向更完美的進行一次設(shè)計，與其他專業(yè)人才的交流溝通是很有必要的。提高是有限的，提高也是全面的，正是這一次設(shè)計讓我積累了不少實際經(jīng)驗，使我的頭腦更好的被知識武裝了起來，也必然會讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強的溝通力和理解力。致謝作為大學(xué)階段的一個總結(jié)，這次畢業(yè)設(shè)計的完成得到了很多老師和同學(xué)的幫助。首先，我要感謝李洪祚老師對我悉心的幫助和教導(dǎo)。在我完成論文的過程中，李老師為我的論文提出了許多寶貴的建議，使我受益匪淺。李老師平時的工作非常繁忙，但還是在百忙之中抽出時間來幫助我查資料，修改論文，解決問題，也因此才使得我的論文進展的非常順利，在此，再次向李老師表示誠摯的謝意。另外，特別感謝我的室友寧剛等同學(xué)。在和他們共處的四年當中給與了我許多幫助，使我的大學(xué)生活充實而快樂，非常懷念與他們一起共度的大學(xué)生活。大學(xué)生活即將結(jié)束了。在這段難忘的學(xué)習(xí)和生活過程中，我接受了許多老師的悉心教育和同學(xué)的極大幫助。我所取得的成績都與老師的教誨和同學(xué)們的幫助是分不開的，在此對所有曾經(jīng)給予我關(guān)心和幫助的老師和同學(xué)們以及參考文獻的作者表示感謝。最后，衷心地感謝各位專家在百忙之中參加我論文的評審上作。參考文獻[1]謝嘉奎.電子線路[M].北京：高等教育出版社，1979.[2]吳忠.PECL/CML到TTL電平轉(zhuǎn)換器[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2003,9:86-86.[3]宋濤.電平轉(zhuǎn)換器在混合電壓邏輯系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].寧夏工業(yè)技術(shù),2005,4(3):247-250.[4]李健科，崔智勇，曾文獻.一種采用ECL電平電路設(shè)計射頻計數(shù)器的方法[J].河北工業(yè)科技，2006，23（4）:36-38.[5]李勇，蘇弘，李小剛，周波，馬小麗，董成富.NIM-ECL/TTL-ECL電平適配器[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2004，24（5）:539-541.[6]吳興華.現(xiàn)代電子系統(tǒng)關(guān)于數(shù)據(jù)傳送中的電平轉(zhuǎn)換新技術(shù)[J].電信技術(shù)，2006.[7]白恩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