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CMOS/TTL/ECL混合电路系统及其信号传输

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25
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TN
计算机工 程与科学
1
999年第 21卷第 2期
CMOS/TTL/ECL混 合 电路 系统
及其 信号 传输
CMOS/TTL/ECL Hybri
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彭 心炯
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(国 防 科 技 大 学 计 算 机学 院 )
(SchoolofCom put
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摘
要
本文 说 明 j某 些 高速 计 算 机 糸统 中 采 用 CMOS/
TTL/
ECL混 合 电路 系统
的 原 因 。研 究表 日
月, 其 中 的信 号 传 输 比 单 一 电路 类 型 电路 系统 的 困难 。 为 了减 少功 耗 和
电源 电压 的种 类 , 系统 中可 以 采取 一 系列 特 殊 措 施 。
ABSTRACT
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关键词 龟苎对算机机,电电路路系
系统
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关键词
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目前需 要 多种 电 路混 合使 用
由 于 ECL 电路 的 速 度 很 高 ,传统 的流 水 线 超 级 计 算 机 几 乎 都 用 它来 构 成 主 机 。当 用
微 处 理 器 来构 成大 规模 并行 超级 计 算 机 时 ,情 况 就 有 了变 化 。
构 成 高速 计 算 机 系 统 的 微 处 理 器 采用 CMOS工 艺 。由于 工 艺 水 平 不 断 提高 ,内 部 工
作 频 率 一般 都超 过 了 100MHz,最 高 已达 到 600MHz,甚 至 要 突 破 1
000MHz大 关 。采用
同 样 的 工艺 , 系统 的 外 围 配 套 电 路 原 则 上 也 可 以在 同样 的工 作 频 率 下 工 作 。但 是 ,由 于
常 规 CMOS电 路 有较 大 的逻 辑摆 幅 ,上 升下 降 时 间 较 大 ,根 本 无 法直 接 在 这 样 的 频 率 下
进 行 通 信 。即 使 采 用 3
V 低 电压 CMOS,在这 样 的频 率下 工 作 也 是 很 困 难 的 。只有 当采 用
号传输t
彭心炯,教授.主要研究方向为高逮计
辜算
星机工程实
翁现的
理论与
臻技术 … … … … 信
通 讯 地址 :410073胡南 长沙市 国 防科拄 大学 计算机 学 院
Address: School0f Com put
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下 的 逻 辑 摆 幅 和 严 格 的 终 端 并 联 匹配 ,芯 片外
的信 号 传 输 才 可顺 利进 行 为 了 绕 过 这 个 技 术屏 障 ,
芯
片外 传 输 采 用 片 内 的 1/2、】/3、… … ,甚 至 更 低 的频
率 。 目前 系 统 局 部 (处 理 机 总 线 )可 达 75M Hz,极 个
别 的宣 称可 达 83MHz,系 统 其 它 部 分 则 在 比这 低 得 多
的 频 率 下工 作 。要 想 全 局 都 在 比 7SM Hz还 高 的 频 率
图 1 混合 电路系统 e
e ̄
,
j信号连接
下 工 作 ,采 用 混 合 电路 系 统 是 解决 这 一 问题 的重 要方 法 之 一 。也 就 是 根 据 不 同 的 需 要 ,分
别 用 CMOS、LVQ、TTL 和 ECL。此 时 系统 可 能 的 信号 连 接 组 合 如 图 1所 示 。
这 些 电路 有 不 同 的输 出 电平 、 阈值 电平 和 驱 动 能 力 ,使 它 们 之 间 的信 号 传 输 变 得复
杂起 来 。下 面 简 要地 予 以说 明 。
2 CMOS电路 及其 信 号传 输特 点
由于微 处 理 器 均 为 CM OS 电路 ,系 统 中与 之 配 套 而 自行 设 计 的 ASI
C当 然应 该 也 是
CMOS,所
这 样 的混 合 系 统 的主 体 是 CM OS。
常 规 CMOS电 路 有 较 大 的逻 辑摆 幅 ,当 采 用 驱 动 阻抗 低 的 传输 线 时 ,如果 终端 并联
匹配 ,则 会有 很 大 的 匹 配 功 耗 。所 以 ,一 般 CMOS电路 都不 用终 端 匹 配 ,而 使 传输 线终
端 开 路 。即 使 如 此 ,当 电路 状 态 改 变 时 ,驱 动 传 输 线 也 有 较 大 的动 态 功 耗 “],这 是 驱 动器
对 传输 线 充放 电所 引 起 的 。为 减 小 这 一 部 分 功 耗 ,要 选 用 尽 量 高 的特 性 阻 抗 。
由于 印制 板 介 质 材 料 的 介 电常 数 、线 宽 和 板 厚 等 的 限制 , 内层 印 制 线 的 特性 阻抗 最
高 也 只能 做 到 501
1左 右 ,表 面 层 可 以 稍 微 高 一 些 。所 以 ,驱 动 印制 传输 线 时 ,始 端 将 有
缓 慢 的上 升时 间 ,终 端 虽 然 好 一
,上 升 时 间仍 较 大 ,并 使 延 迟 增 加 ,如 图 2(
a)所 示 ]。
显然 ,
CMOS驱 动 传 输 线 时 ,沿 传 输 线 是 不 宜 接 负 载 的 ,只 有 在 终 端 才 有 较 好 的 波 形 。 特
别 是 当 cMOs驱 动 长 的 低 阻 抗 底 板 印 制 线 时 ,由 于 终 端 的 台 阶 又 低 又 宽 ,所 增 加 的 延 迟
十 分 突 出 ,会达 到 无 法 忍受 的 程 度 。所
底 板 线 最 好 采 用 阻 抗适 中 ,
与 驱 动 电路 能 较 好 地
匹配 的 传输 线 。对 于大 多 数 CMOS 电路 ,
选 用特 性 阻 抗 60 ̄ 801
1的三 扭 线 比较 合 适 ,
终端
反射后可得到接近正 常的高 、
低 电平 ,图 2(
b)
表 示 了 理 想 的情 况 。
—
—
—
—
一
—
一
、
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蛄 端蛀 形
/ \ 端
蛀
形
(a)
‘b)
图 2 不 同特性 阻抗 传输 线 的波形
三 扭 线 需 有 两 根 地 线 ,成 本 较 高 ,施 工较 麻 烦 。 因此 ,底 板 线 常 采 用 只 有一 根 地线
的双扭 线 。对于 驱动能力较强 的 CMOS电路来说 .它的特性阻抗显得高 了一些 。在传输
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线 的 终 端 反 射 后 .会 产 生 过 冲 。 长 传输 线 引起 的过 冲 的 持 续 时 间可 以大 于 信号 的持 续 时
间 ,甚 至 影 响 下 一个 时 钟 周 期 的信 号 电平 ,使信 号 幅 度 随 信 号 序 列 的 组 合 状 态 大 幅 度变
化 ,无 法 控 制 。 另外 .过 高 的 过 冲 ,对 终 端 电路 的安 全和 减 小 线 问 串扰 也 是 不 利 的 。所
以 ,此 时 在 驱 动 电路 的输 出端 ,即 传 输 线 的 始 端 可 串接 一 个 阻 值适 当 的 小 电阻 .以控 制
过 冲 的产 生 。严 格 地 说 ,对 不 同的 驱 动 电路 所接 的 电 阻阻 值 应 不 同 .并 对 正 、负 跃 变 的
要 求 也不 相 同 。但 工 程 实 现 时 很难 严 格 做到 ,只 能大 体 上 予 以控 制 。
为 了 减 小 信 号 幅度 以利 于 传 输 ,同 时也 为 进 一 步 减 少 功耗 ,改进 的 CMOS电路 采 用
了 较 低 的 电源 电压 ,目前 多为 3.3V,还 可 以进 一 步 降 低
所 以 常 规 的 5V—
CM OS常 与 低
电 压 CMOS同 时使 用于 同 一 系 统 中 。逻 辑 摆 幅 大 的常 规 CMOS电 路 驱 动 低 电 压 CMOS
时 ,除 了始 端 加 串联 电阻 外 ,终 端还 可 加 一个 下拉 电阻 .使 5V—
CMOS输 出 逻 辑摆 幅 与
3V—
CMOS要 求 的 输 入 电平 相 匹配 。
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低 电 压 LVQ 之 间 的 信 号 传 输 ,虽 然 仍 有 与 常 规 CMOS类 似 的特 点 ,但 由于 信 号 幅
度小 ,情 况 要 好 得 多 。进 一 步 减 少 信号 幅 度 是高 速 CMOS电路 系 统 的 发 展方 向 。
3 时钟 分 配 系统 的 正 电源 ECL
在 高 速 电路 系 统 中 ,一 般 都 要 采用 等延 迟 设 计 来 防止 逻 辑 电路 的竞 争 冒 险 , 每一 时
钟 周 期 中 数据 和 控 制 信 号 最 多变 化 一次 。所 以 ,在 全 系统 中 ,时 钟 信 号 具 有最 高 的翻 转
频率 ;并 且 还 要求 时 钟 脉 冲按 设 计 准时 到 达 各 寄 存 器 ,否 则将 会 减 少 某 些 寄 存 器 之 间 的
工 作 时 间 ,甚 至 可 能 出 现 寄 存 器 的穿 透 现 象 ]。这 也 就 是 说 ,系统 对 其 时钟 分 配 系统 有更
严 格 的要 求 ,一 般 允 许 的时 钟 偏 差应 小于 时钟 周 期 的 5 ,最 多 也不 能超 过 lO ,例 如
时 钟 周 期 为 1Ons,最 大 偏 差 应 小 于 lns。CMOS信 号 有太 的 上升 、下 降 时 间 ,离 散 也 大 ;
传 输线 终端 不 匹配 ,反 射 波 形 难 以控 制 ;负载 电路 输 入 电容 大 ,对 波 形 影 响 也 大 。因 此 .
CMOS时 钟 树 经 过 几级 扩 展 后 ,同 级 各路 的渡形 及 延 迟 可 以相 差 很 多 ,根 本 无 法 保 证 做
到 对 时 钟 的 定 时 要 求 。所 以 ,对 于 定 时 要 求 严 格 的时 钟 分 配 系 统需 要采 用 ECL。最 后 一
级 连 接 CMOS寄 存 器 ,还 要 求有 ECL 至 CMOS或 TTL 的 转换 电 路 。
通 常 的 ECL 是 采 用 负 电 源 ,将 电源 正 端 连 接 系 统 中 电位 最稳 定 的 “地 ”,目的 是使 输
出高 、 低 电 平 尽 可 能 地 稳 定 。另外 ,ECL还 需 要 一2
V 的 匹 配 电源 ,以 减 少 匹 配 功 耗 。但
是 ,CMOS用 的 是 正 电源 ,由于 ECL的 使 用 ,增 加 了 系 统供 电的 复 杂 程 度 ,印制 板 设 计
和 加 工 也 复 杂 了 。为 了 简 化 供 电 ,混 合 系统 中 ECL采 用 与 CMOS同样 的 电源 ,成 为正 电
源 的 ECL,即 PECL,并 可通 过 电阻 网络提 供 + 3V 的 匹 配 电源 ,减少 电源 种 类 。但 须 注
意 ,这 个 + 3V 的 匹 配 电源 必 须 具 有 受 流 能 力 。PECI的 信 号 传输 特
大 体 上 与 ECL相
同 ,但 由于 参 考 电平 (
O电平 )不 是 电源 正 端 ,输 出端 射 投 跟 随器 的输 出 电平 强 烈 地 依 赖
于 电 源 ,故 对 电源 的稳 定性 要 求 比 负 电源 ECL 系统 高 得 多 。
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4 TTL电 路 及 信号
系 统 中主 要 的 、重 复 陡好 的 大 块 逻 辑 ,可 以 设 计 成 专 用 集 成 电路 (ASI
C)。但 是 还 有
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一
些 零 散 的 逻 辑 . 由于规 则性 、重 复 性 差等 原 因 不 能 制 成 专 用 集 成 电路 .这 时 需 要 选 用
常 规 的快 速 TTL。 另外 ,时 钟 树 的 最 后 一 级 是 ECL—TTL转 换 器 ,它 要 去 驱 动 CMOS
电路 。所 以 ,混 合 系统 中 还 会 存 在 TTL信 号
TTL 与 5V—
CMOS的 输入 、输 出 电平 兼 容 ,一 般 可 以相 互 直 接 驱 动 。但 TTL驱 动 低
电 压 3.3V—
CMOS时 ,输 出 高 电 平 偏 高 ,可 在信 号 线 始 端 串接 22n 电 阻 ,并 在 终端 接
330n 电阻 到 地 ,这 样 可 将 稳 定 后 的 高 电平 降 低 至 3.3V 以 下 ,由于 TTL驱 动 的传 输 线 不
进 行 匹配 ,在 时 间要 求 苛 刻 的 系统 中 只 能 一 对 一 传输 .始端 与 终 端 波 形 差 别 很大 。并 且 ,
对 于 输 出阻 抗 不 同 的 电路 波 形 也 不 同 ,延 迟 时 间 很 难 控 制 。使 用 时 .如 果 将 电路 输 出 阻
抗 测 试 分 档 ,在始 端 分 别 串接 不 同 阻 抗 的 电 阻 ,可 使 终 端 反 射 后 都 能接 受 正 常 的 电平 。
5 关 于 CMOS电 路 总 线
总 线 是 信 号 传 输 中最 难 处 理 的 。 对 于 ECL 总 线 ,传 输 线 两 端 用 电 阻 并 联 匹配 , 各
ECL驱 动 器 和 接 收 器 (负 载 ) 沿 线 分 布 ,并 要 求 每 个 负 载
形成的分支都 很短。
CMOS电路 的 总 线 在 系 统 中 用 得 很 多 。 与 ECL 总 线 不 同 ,线 的 两端 不 进 行 并 联 匹
配 , 不需 明确 哪 儿 是 始 端 ,哪 儿 是 终 端 。因 此 在 实 际 布线 时 ,常 有 人 为 了方 便 ,将 各 驱
动 器 、接 收 器 (负 载 )连 接 到 印制 板 的 同一个 金 属 化 孔 ,即 “星 形 连 接 ”。表 面 上 看 ,这
样 最 大 线 长 可 能 最 短 ,所 用 金属 化孔 也 最 少 ,似 乎 延 迟 时 间也 最 短 ,但 是 ,实际 上 的 延
迟 时 间会 远大 于 线 的 延迟 时 间 。这 是 由于 信 号 传 至 汇 集点 后 ,接 着 在 汇 集点 、驱 动 点 和
各 负 载 点 之 间要 发 生 一 系 列 复 杂 的反 射 。这 了讨 论 方 便 ,设 汇 集
于一点的各传输线等长,
延迟时间均为T。由于各个负载段反射情
—
况 相 同 ,可 把 它 们共 同看 成 是 一 条 由 N 个 负载 段并 联 而 成 的 传输
线 ,总 的特 性 阻 抗 降 低 到 原 来 的 1/N。当 信 号 自源 端 发 出到 达 汇
集
时 ,入 射 信 号 的 反 射 系 数 应 为 一 (
N一 1)/(
N+ 1),各 负 载段
的反 射 信 号 在 汇 集 点 的 反 射 系数 则 为 (
N一 1)
/(
N+ 1),反射 过 程
可 用作 图 方 法 求 得 n]。在 图 3中 ,驱 动 段 数 为 1,负 载 段 数 为 5,在
交 汇 处 ,驱 动 段 到 负载 段 的反 射 系 数 为 一0.67,并 联 的 负载 段 到
驱 动 段 总 的 等 效 反 射 系数 为 +0.67。根 据 cM0s电路 器 件 的 输 入
特 性 和 输 出 特 性 , 当信 号 幅 度较 小 时 ,端 点 的 反 射 系 数 都 近 似 地 图 3 星形连接的梯格图
为 + 1。 由图 3容 易求 出 ,在 各 负 载 点 将 产 生 具 有 持 续 时 间 为 4T 的很 低 的 台 阶 (高 度 约
为 正 常 幅 度 的 30 ),此 后 还 有 持 续 时 间 为 4T,幅 度 为 正 常 幅 度 60 的第 二 台 阶 。驱 动
信 号 总 共 要 经 过 10T 时 间后 ,负 载 端 才 能 有 正 常 幅 度 9o 的 信 号 。此 段 延迟 时 间 是驱 动
器 到 负 载 的线 延迟 的 5倍 (10T/2T),大 大 增加 了 信 号 的 延迟 时 间 ,出现 了 线 长 度 较 短 的
总 线 延 迟 时 间 反 而 更 长 的现 象 。所 以 ,CMOS总 线 仍 应 以 相 距 最 远 的两 个 负 载 作 为传 输
线 的 两 端 ,其 它 的 负 载 沿 线 分 布 ,并 只形 成 尽可 能 短 的 分 支 。由 于分 支和 负 载 的 影 响 ,总
线 的 等 效 特 性 阻抗 会 下 降 ,并且 增加 延 迟 ]。为 保证 总 线 的 延迟 满 足要 求 ,总 线 长 度 必 须
有 严 格 的 限 制 .并 采 用 特 性 阻 抗 适 当 的传 输 线 。 如 果 线 长 不 能 满 足 要 求 ,则 需要 调 整 布
局 。 对 更 高 频 率 的 总 线 ,需 要 设 计 专 门 的 电路 器 件 。
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6 关 于电 源
由 于 CM OS和 FTL在 状 态 转 换 时 ,电路 对 传 输 线 和 电容 负 载 充 电 ,电源 需 提 供 很 大
的 短 暂 的 瞬 态 电流 ,会 产 生 大 的 电源 电 压波 动
而 CMOS、TTL 输 出 电平 对 电源 电 压又
比较敏 感 ,特 别 是 采 用 正 电 源 的 PECL,电 源 的 波 动 几 乎 会 全 部反 映在 输 出 电平 上
电源
的 波 动 也 影 响 延 迟 时 间 ,对 定 时 精 度 要 求 很 高 的 PECL, 电源 稳定 性 极 其重 要 。
所 以 ,在 这 样 的 混合 系 统 中 ,对 电源 稳 定 性 和 瞬态 负载 特性 有 高 的 要 求 。大 电容 的
去 耦 元 件是 不 可 少 的 ,它 们 距 离 器 件 电源 引脚 要 尽 可能 地 近 。
为 了 减 小 脉 动 电 流 因 电 源 馈 线 而 引起 的 电 压波 动 ,可 以 采 用 分 布 式 电源 或 分 布 馈 电
方 式 ,例 如 每 块 插 件 由单 独 的 电源 供 电 。
7 结束语
由前 面 的 讨 论 可 见 :
(1)超 高 速 计 算 机 中 ,目前 尚需 要 混 合 使 用 CMOS、TTL和 ECL 电路 器 件 ,它 们形
成 了 CMOS/TTL/ECL混 合 电路 系统 ;
(2) 混 合 电路 系 统 中 的 信 号 传 输 要 比单 一 系列 电路 的 系 统复 杂 得 多 ;
(
3) 混 合 电路 系 统对 电源 供 电的 要 求 高 , 电源 种 类 多 ,电路 板设 计 也 更复 杂 ;
(4)降低 电源 电 压 、减 小 逻 辑 摆 幅 并减 少 电源种 类 ,是 超 高 速 电路 系统 的发 展 方 向 ,
也 是解决其信号传输 的重要途径 。
参
1 彭 心炯 胡军
考
文
献
高 速 CMOS电 路 系 统 中 的 动 态 功 耗 及 冷 却 要 求
见 :中 国 计 算 机 学 台 第 四 届 计 算 机 工 程 与 工 艺 学
术 年 会 论 文 集 1995
2 彭 心 炯 .关 于 伯 格 地 图 解 法 的 讨 论 .计 算 机 工 程 与 科 学 t1
982,(1)
3 彭 心 炯 ,胡 军 .超 高 速 时 序 电 路 的 ‘
穿 连 问题
见:
中 国 计算机 学 台 第四 届计 算机 工 程与 工 艺学术 年 会论 文集 t
1995
4 彭 心 炯 .用 多 重 梯 格 图 ”研 究 不 同 特 性 阻 抗 传 输 线 的 连 接
5 彭 心 炯 .传 输 线 分 支 的 电 容 负 载 效 应
计 算 机 工 程 与 科学 ,19
8o,(
3)
计 算 机 工 程 与 科 学 ,1983 (2)
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