CMOS限幅放大器与PECL接口的连接

摘要：本文主要讨论CMOS工艺限幅放大器LA（Limiting Amplifier）的输出接口与其他芯片间的互连问题。 首先简单介绍了PECL（Positive Emitter-Coupled Logic）的输出结构以及PECL-PECL之间的典型连接电路，而后对比介绍了CMOS限幅放大器实现相应功能的不同接口电路以及节省功耗等优点。文中CMOS限幅放大器以优迅公司的UX2105为例，负载芯片则以KENDIN公司的KS8993和ICPlus公司的IP113A为例。文中给出了几种常用的接口电路及实际电平数据。

关键词：CMOS，PECL，接口电平。

1 输出接口

1.1 PECL接口输出结构

PECL 电路的输出结构如图1 所示，包含一个差分对和一对射随器。标准的输出负载是接50Ω负载至VCC-2V的电源上，在这种负载条件下，OUT+与OUT-的共模电压典型值为VCC-1.3V，+5V供电时（以下均以VCC＝+5V为例），OUT+与OUT-输出电流为14mA。

1.2 CMOS接口输出结构

UX2105是厦门优迅公司推出的业界第一款CMOS限幅放大器，它采用先进的、成熟的深亚微米CMOS工艺。在5V供电时，提供70dB以上的增益和400μV的输入灵敏度（BER=10-10）。

UX2105 的CMOS输出结构如图2所示。区别于PECL输出之处在于：CMOS输出外部电路无需50Ω 到（VCC-2V）端接；输出共模电压约为VCC的1/2；确定共模电压的电流源集成在输出缓冲电路里，该电流类似于其他同类产品流经ECL负载的电流，而且每支电流只有7~8mA，仅为PECL接口14mA电流的一半。

2 CMOS到PECL的连接

2.1 直流耦合

在标准的PECL-PECL连接中，PECL 负载要通过50Ω接到VCC-2V的电源上，由于该电源一般是不存在的，因此通常的做法是利用Thevenin等效电路来实现，如图3中所示。

5V供电时，参数R1为82Ω，R2为130Ω，如图4所示。

UX2105采用图2的输出结构，其输出幅度与PECL的一样，但输出的共模电压要比PECL低1V左右，所以输出信号的高低电平也不一致。目前尚无法实现CMOS输出接口与PECL输入接口之间的直接直流耦合。

2.2 交流耦合

2.2.1 标准的PECL-PECL连接

PECL在交流耦合输出到50Ω的终端负载时，要考虑PECL的输出端加一直流偏置电阻，如图5(b)所示。

在实际应用中，R1可以从270Ω到350Ω之间选取，原则是让输出波形达到最佳。

在图5（a）中，R2和R3的选择最常用的组合如下：R2=68Ω与R3=180Ω。这种接法的缺点就是功耗较大，当对功耗有要求时，可以采用图5（b）所示的结构：R2=2.7KΩ与R3=7.8KΩ。

2.2.2 CMOS-PECL连接

在UX2105中，CMOS输出缓冲器的OUTP和OUTN直接通过外部电容耦合到下一级电路，如图6所示。

以笔者所了解的情况，目前多数百兆收发器厂家在PECL的输出端并不是采用偏置电阻到地，而是采用图5（a）所示的Thevenin等效电路，这样就有：（VCC-1.3V）/130Ω=3.7/130=28.5mA。

如果使用UX2105，由于OUTN/OUTP采用交流耦合时无需这组电阻网络，代之以CMOS输出结构的内置8mA电流源，因此，一对差分输出共可节省大约40mA的电流。

针对国内厂家在1×9光纤收发模块中采用直流耦合的实际情况，如果把光纤收发模块中的输出直流耦合改为交流耦合，则对于使用UX2105芯片的模块，收发器厂家无需作任何修改也可以使用。

3 UX2105 LOSN与收发器交换芯片SD的连接方式

.1 UX2105 LOSN输出的三种逻辑电平

在UX2105 中，LOSN 提供标准的CMOS电平，且兼容TTL（Transistor-Transistor Logic）电平。LOSN 端接一个上拉电阻（4.7～10KΩ），工作于TTL电平，参见图7。

由于目前大部分百兆收发器厂家所用的光纤收发模块提供的是PECL 告警电平，因此为了满足此要求，UX2105 芯片内部LOSN 输出电路采用了专有技术，可以兼容PECL电平。LOSN端接50Ω到（VCC-2V），工作于PECL电平，参见图8。LOSN 的三种逻辑状态列于表2。

3.2 UX2105 LOSN用在PECL接法时的输出电平

LOSN 的PECL端接示意图如图9~10，其中图9 网络形式由ICPlus公司推荐，也是目前大部分收发器厂家采用的典型电路，也有部分厂家采用图10 所示的电路。

如图9所示，LOSN接PECL的标准负载网络82Ω/130Ω后，其高低电平分别为3.9V/2.8V，这与标准的PECL电平一致。经82Ω/50Ω电阻分压后SD的高/低电平分别为1.5V/1.1V，满足KS8993/IP113A 1.25V判决电平的要求，但与PECL一样，其判决余量较小。

如果按图10的接法，SD的高/低电平分别为1.4V/0，该低电平无法满足SD管脚作为光口时电压大于0.6V 的要求，因此就UX2105 芯片来说，该接法需做适当的改进。就是在LOSN管脚增加上拉电阻170Ω，如图12 所示。SD 的高/低电平为1.4V/0.9V，所需上拉电阻可以在光模块或收发器上增加。

3.3 UX2105 LOSN的改进接法

由于UX2105 LOSN 是标准的CMOS 电平，可以通过适当增大其负载电阻值，以图11的方式实现同样的功能，同时可以节省20mA左右的电流，改进后SD 的高/低电平为3.2V/0.9V，判决余量放大，与图9 相比较，此告警更稳定可靠。

通过对表3的分析比较，建议采用图11 的接法。

4 结论

CMOS 限幅放大器可以替代目前市场上Bipolar/BiCMOS 工艺的限幅放大器。CMOS 工艺具有以下几方面的优势：工艺成熟、成品率高、成本低、功耗小、性价比高。与CMOS工艺的跨阻放大器TIA一样，CMOS限幅放大器也将成为主流产品。

参考文献：
1， UX2105 DATASHEET。
2， IP113A外部应用典型电路。
3， KS8993 外部应用电路。
4， MAXIM HFAN-1.0 Introduction to LVDS, PECL, and CML。