---我们知道,0和1是数字世界的两个基本元素,在数字电路中它们由特定范围的高低电平来表示。数字电路发展的早期,绝大多数数字器件都采用TTL和CMOS数字逻辑标准。近几年,在功耗低、体积小的便携式设备（蜂窝电话、ＰＤＡ、笔记本电脑、数码相机等）和高速通信设备应用需求驱动下,产生了许多针对不同应用的低压、高速的数字逻辑标准,例如LVTTL、LVCMOS、HSTL、SSTL、LVPECL等。 在现代数字电路设计中,往往需要在同一系统中采用许多不同逻辑标准的器件,许多优秀的硬件工程师可以设计出非常复杂的数字电路,却经常在不同逻辑标准信号的互连上被搞得焦头烂额。然而,业界相关的介绍相对较少,本文借此加以归纳,以便广大硬件工程师对复杂繁多的逻辑信号标准有一个整体的认识。
---实际应用中共有二三十种数字逻辑信号标准,根据其物理连接特性不同,可以划分为单端逻辑信号、单端差分逻辑信号和差分逻辑信号三大类。在对它们详细介绍之前,我们首先了解一下数字逻辑信号的几个重要专业术语。
---a. 门限电压（VTH ）
---顾名思义,VTH为逻辑状态高或低转换的门限电压,在逻辑器件中,当信号电压高于VTH 为逻辑高,反之则为逻辑低,通常VTH为电源电压的1/2。
---b. 输出高电平（VOH）和输出低电平（VOL）
---确切地说VOH应该为逻辑器件输出高电平的下限,VOL为输出低电平的上限。通常在VOH和VOL之间有一个电压缓冲区,这样在实际电路中输出逻辑信号迭加噪声后,就不会导致对逻辑状态的错误判断。
---c. 输入高电平（VIH）和输入低电平（VIL）
---VIH为输入高电平的下限,VIL为输入低电平的上限。在许多数字系统中,前一个逻辑器件的输出就是后一个逻辑器件的输入,所以必须满足VOH>VIH、VOL< VIL,否则就会出现逻辑状态判断错误。另外,它们之间的差值称为噪声容限,外部叠加的噪声应小于噪声容限,否则也会出现逻辑状态判断错误。

单端数字逻辑信号
---单端信号是两个逻辑器件互连最基本的方法,它只需要一条连线来实现逻辑信号传输。另外,它也可以实现单端发送、差分接收的连接方式,这时差分接收器的另外一个输入端提供参考接地电平,即图4中的VREF接地。
---单端信号连接的数字逻辑标准主要有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、PCI等,它们的主要性能参数如表1所示。
---(1) 注意：信号的传输带宽是一个粗略的估算值,因为器件工艺、连线长度、PCB走线方式和应用环境都会对实际传输带宽造成影响。

单端差分逻辑信号
---单端差分信号指的是信号单端发送、差分接收的一种信号传输方式。差分接收器的两个输入端,一个接收信号,另一个提供参考电平VREF。VREF是用来设置接收器的门限电压,其大小通常为单端驱动器输出电压VDDO的1/2。相对单端信号,单端差分信号是通过降低传输信号的电平幅度,来加快晶体管的转换速度,从而提高传输带宽。
---图6为HSTL-I单端差分信号的实际参数和信号波形图,其中单端驱动器输出电压VDDO=1.5V;门限电压VTH = VREF=1/2 VDDO=0.75V;VIL= VREF - 0.1V 、VIH= VREF + 0.1V。
---除了HSTL-I单端差分逻辑标准外,另外一个常见的标准是美国Cypress的1.8V HSTL,也称eHSTL,其性能参数如表2所示。

差分逻辑信号
---如图7所示,差分信号是通过一对单端信号线进行传输,两条线上的信号相同,但相位相差为180°。
---从信号传输原理看,差分信号的电平幅度比单端差分信号更低;此外,如图8,差分信号接收端VDIFF=VOH-VOL,这样可以抵消实际传输过程中迭加在两个单端信号上的共模噪声,更好地保持了信号的完整性,降低了信号整体噪声, 从而实现更高的带宽。
---常见的差分逻辑信号标准有LVDS、SSTL、ECL、PECL等,它们的具体性能参数如表3所示。

应用
---可以说,任何一种新的数字逻辑信号标准的产生,都是实际应用需要驱动的结果,每一种标准都有各自的特点及应用环境。
---a. TTL、CMOS系列是应用最广泛的数字逻辑标准,被数字逻辑器件厂商普遍采用;
---b. 时钟驱动器件、SRAM、DDR SRAM 等存储器件基本都采用HSTL标准;
---d. SSTL系列是由IBM、Hitachi等公司发起的,主要用于PC内存模快上;
---e. PECL系列是Motorola 公司发明的,广泛应用于精度较高的时钟器件;
---f. LVDS广泛应用于中距离传输的一些高速串行或平行接口器件。

接口技术
---在数字系统的设计和调试中,会经常遇到不同数字逻辑标准的接口问题。只要深入理解各种逻辑标准的接口电平特性;遵循VOH>VIH 、VOL< VIL,实际噪声小于容限噪声等原则;同时注意一些影响信号完整性的参数,例如驱动电流、匹配阻抗、转换速率等,许多问题都能迎刃而解。
---另外,也可以选用专用逻辑电平转换器件、接口转换器件、可编程逻辑器件来解决数字逻辑标准的接口问题,提高传输的稳定性。例如,IDT、TI公司都推出了多款逻辑电平转换和接口转换器件;Xilinx公司的CoolRunnerII系列CPLD可以支持LVTTL、LVCOMS、SSTL2-I、HSTL-I等多种接口标准,Spartan-3系列FPGA支持的标准多达23种。

参考文献
1 [美] Bernard Sklar. 数据通信. 电子工业出版社
2 李广军、孟宪元. 可编程ASIC设计及应用,2000,电子科技大学出版社
3 XILINX. The Programmable Logic Data Book.2003
4 IDT,Digital Logic Data Book,2003
5 EIA/JEDEC,EIA/JESDSA、JESD8,2002