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文檔簡介
1、ECL電路是射極耦合邏輯(Emitter Couple Logic)集成電路的簡稱與TTL電路不同,ECL電路的最大特點(diǎn)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(diǎn)是具有相當(dāng)高的速度 這種電路的平均延遲時(shí)間可達(dá)幾個(gè)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(dāng)無以匹敵的角色。ECL 電路的邏輯擺幅較?。▋H約 0.8V ,而 TTL 的邏輯擺幅約為 2.0V ),當(dāng) 電路從一種狀態(tài)過渡到另一種狀 態(tài)時(shí),對寄生電容的充放電時(shí)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(gè)電路來講
2、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(bǔ)的輸出,這意味著同時(shí)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(jì)。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(shí)還具有對邏 輯信號的緩沖作用。在通用的電子器件設(shè)備中,TTL和CMOS!路的應(yīng)用非常廣泛。但是面對現(xiàn)在系統(tǒng)日益復(fù)雜,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大,實(shí)時(shí)性要求越來越高,傳輸距離越來越長的發(fā)展趨勢,掌握高速數(shù) 據(jù)傳輸?shù)倪壿嬰娖街R和設(shè)計(jì)能力就顯得更加迫切了。1 幾種常用高速邏輯電平1.1LVDS 電平L
3、VDS (Low Voltage Differe ntial Sig nal)即低電壓差分信號,LVDS 接口又稱 RS644總線接口,是 20世紀(jì) 90年代才出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)。LVDS的典型工作原理如圖 1所示。最基本的LVDS器件就是LVDS驅(qū)動(dòng)器和接收器。LVDS 的驅(qū)動(dòng)器由驅(qū)動(dòng)差分線對的電流源組成,電流通常為3.5 mA LVDS接收器具有很高的輸入阻抗,因此驅(qū)動(dòng)器輸出的大部分電流都流過100 Q的匹配電阻,并在接收器的輸入端產(chǎn)生大約350 mV 的電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器翻轉(zhuǎn)時(shí),它改變流經(jīng)電阻的電流方向,因此產(chǎn)生有效的邏輯“1”和邏輯“ 0”狀態(tài)。LVDS 技術(shù)在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中被定義:
4、ANSI/TIA/EIA644 (1995年11月通過)和IEEE P1596.3(1996年3月通過)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都著重定義了LVDS的電特性,包括: 低擺幅(約為 350 mV)。低電流驅(qū)動(dòng)模式意味著可實(shí)現(xiàn)高速傳輸。ANSI/TIA/EIA644建議了 655 Mb/s 的最大速率和 1.923 Gb/s 的無失真通道上的理論極限速率。 低壓擺幅。恒流源電流驅(qū)動(dòng),把輸出電流限制到約為3.5 mA左右,使跳變期間的尖峰干擾最小,因而產(chǎn)生的功耗非常小。這允許集成電路密度的進(jìn)一步提高,即提高了PCB板的效能,減少了成本。 具有相對較慢的邊緣速率( dV/dt 約為 0.300 V/0.3 ns
5、, 即為 1 V/ns ) ,同時(shí)采用差 分傳輸形式,使其信號噪聲和 EMI 都大為減少,同時(shí)也具有較強(qiáng)的抗干擾能力。所以,LVDS具有高速、超低功耗、低噪聲和低成本的優(yōu)良特性。LVDS的應(yīng)用模式可以有四種形式: 單向點(diǎn)對點(diǎn)( point to point ),這是典型的應(yīng)用模式。 雙向點(diǎn)對點(diǎn) (point to point ),能通過一對雙絞線實(shí)現(xiàn)雙向的半雙工通信。 可以 由標(biāo)準(zhǔn)的LVDS的驅(qū)動(dòng)器和接收器構(gòu)成;但更好的辦法是采用總線 LVDS驅(qū)動(dòng)器,即BLVDS這 是為總線兩端都接負(fù)載而設(shè)計(jì)的。 多分支形式 (multidrop) ,即一個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接多個(gè)接收器。當(dāng)有相同的數(shù)據(jù)要傳給多 個(gè)負(fù)載
6、時(shí), 可以采用這種應(yīng)用形式。 多點(diǎn)結(jié)構(gòu) ( multipoint )。此時(shí)多點(diǎn)總線支持多個(gè)驅(qū) 動(dòng)器,也可以采用 BLVDS驅(qū)動(dòng)器。它可以提供雙向的半雙工通信,但是在任一時(shí)刻,只能有 一個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作。因而發(fā)送的優(yōu)先權(quán)和總線的仲裁協(xié)議都需要依據(jù)不同的應(yīng)用場合,選用不 同的軟件協(xié)議和硬件方案。為了支持LVDS的多點(diǎn)應(yīng)用,即多分支結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)結(jié)構(gòu),2001年新推出的多點(diǎn)低壓差分信號(MLVDS國際標(biāo)準(zhǔn)ANSI/TIA/EIA 8992001,規(guī)定了用于多分支結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的MLVDS器件的標(biāo)準(zhǔn),目前已有一些MLVDS器件面世。LVDS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也日漸普遍。在高速系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)背板互連和電纜傳輸應(yīng)用中
7、, 驅(qū)動(dòng)器、接收器、收發(fā)器、并串轉(zhuǎn)換器/串并轉(zhuǎn)換器以及其他 LVDS器件的應(yīng)用正日益廣泛。接口芯片供應(yīng)商正推進(jìn) LVDS乍為下一代基礎(chǔ)設(shè)施的基本構(gòu)造模塊,以支持手機(jī)基站、中心局交換設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)主機(jī)和計(jì)算機(jī)、工作站之間的互連。1.2ECL 電平ECL(EmitterCoupled Logic) 即射極耦合邏輯, 是帶有射隨輸出結(jié)構(gòu)的典型輸入輸出接口 電路,如圖 2 所示。ECL電路的最大特點(diǎn)是其基本門電路工作在非飽和狀態(tài),因此ECL又稱為非飽和性邏輯。也正因?yàn)槿绱?,ECL電路的最大優(yōu)點(diǎn)是具有相當(dāng)高的速度。這種電路的平均延遲時(shí)間可達(dá)幾個(gè)ns數(shù)量級甚至更少。傳統(tǒng)的ECL以VCC為零電壓,VEE為-5
8、.2 V電源,VOH=VCC-0.9V=-0.9 V, VOL=VCC-1.7 V=-1.7 V,所以ECL電路的邏輯擺幅較小(僅約 0.8 V )。當(dāng)電路從一種狀 態(tài)過渡到另一種狀態(tài)時(shí),對寄生電容的充放電時(shí)間將減少,這也是ECL電路具有高開關(guān)速度的重要原因。另外,ECL電路是由一個(gè)差分對管和一對射隨器組成的,所以輸入阻抗大,輸 出阻抗小,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),信號檢測能力高,差分輸出,抗共模干擾能力強(qiáng);但是由于單元門 的開關(guān)管對是輪流導(dǎo)通的,對整個(gè)電路來講沒有“截止”狀態(tài),所以電路的功耗較大。如果省掉ECL電路中的負(fù)電源,采用正電源的系統(tǒng)(+5 V),可將VCC接到正電源而 VEE接到零點(diǎn)。這樣的電平
9、通常被稱為PECL(Positive Emitter Coupled Logic )。如果采用 +3.3V供電,則稱為LVPECL當(dāng)然,此時(shí)高低電平的定義也是不同的。它的電路如圖3、4所示。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(biāo)準(zhǔn)的輸出負(fù)載是接 50Q至VCC-2 V的電平上。在使用 PECL 電路時(shí)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(fù)載網(wǎng)絡(luò)的形式將會(huì)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(yuǎn)距離傳送
10、的情況,采用接收端通過電阻對提供截止電平VTT和50 Q的匹配負(fù)載的模式。以上都有標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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50 Q的匹配負(fù)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(jì)算 機(jī)、高速計(jì)數(shù)器、數(shù)字通信系統(tǒng)、雷達(dá)、測量儀器和頻率合成器等方面。 1.3CML 電平CML電平是所有高速數(shù)據(jù)接口中最簡單的一種。其輸入和輸出是匹配好的,減少了外圍 器件,適合于更高頻段工作。它的輸出結(jié)構(gòu)如圖5 所示。CML接口典型的輸
11、出電路是一個(gè)差分對形式。該差分對的集電極電阻為50 Q,輸出信號的高低電平切換是靠共發(fā)射極差分對的開關(guān)控制的。差分對的發(fā)射極到地的恒流源典型值 為16 mA。假定 CML的輸出負(fù)載為一個(gè) 50 Q上拉電阻,則單端 CML輸出信號的擺幅為 VCCVCC-0.4 乂在這種情況下,差分輸出信號擺幅為800 mV。信號擺幅較小,所以功耗很低,CML接口電平功耗低于 ECL的1/2,而且它的差分信號接口和 ECL、LVDS電平具有類似 的特點(diǎn)。CML到CML之間的連接分兩種情況:當(dāng)收發(fā)兩端的器件使用相同的電源時(shí),CML到CML可以采用直流耦合方式,不用加任何器件;當(dāng)收發(fā)兩端器件采用不同電源時(shí),一般要考慮
12、交 流耦合, 中間加耦合電容 (注意這時(shí)選用的耦合電容要足夠大, 以避免在較長連 0 或連 1 情 況出現(xiàn)時(shí),接收端差分電壓變小) 。但它也有些不足,即由于自身驅(qū)動(dòng)能力有限,CML更適于芯片間較短距離的連接,而且CML接口實(shí)現(xiàn)方式不同用戶間差異較大,所以現(xiàn)有器件提供CML接口的數(shù)目還不是非常多。2 各種邏輯電平之間的比較和互連轉(zhuǎn)化2.1 各種邏輯電平之間的比較 這幾種高速邏輯電平在目前都有應(yīng)用,但它們在總線結(jié)構(gòu)、功率消耗、傳輸速率、耦合 方式等方面都各有特點(diǎn)。為了便于應(yīng)用比較,現(xiàn)歸納以上三類電平各方面的特點(diǎn),如表1 所列。2.2 各種邏輯電平之間的互連 這三類電平在互連時(shí),首先要考慮的就是它們
13、的電平大小和電平擺幅各不一樣,必須使 輸出電平經(jīng)過中間的電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)后落在輸入電平的有效范圍內(nèi)。各種電平的擺幅比較如圖 6 所示。其次,電阻網(wǎng)絡(luò)要考慮到匹配問題。例如我們知道,當(dāng)負(fù)載是50 Q接到VCC-2V時(shí),LVPECL的輸出性能是最優(yōu)的,因此考慮的電阻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該與最優(yōu)負(fù)載等效;LVDS 的輸入差分阻抗為100 Q,或者每個(gè)單端到虛擬地為 50 Q,該阻抗不提供直流通路,這里意味著LVDS輸入交流阻抗與直流阻抗不等, 電阻值的選取還必須根據(jù)直流或交流耦合的不同情況作不同的選取。 另外,電阻網(wǎng)絡(luò)還必須與傳輸線匹配。另一個(gè)問題是電阻網(wǎng)絡(luò)需要在功耗和速度方面折中考慮:既允許電路在較高的速度下工 作
14、,又盡量不出現(xiàn)功耗過大。F面以圖7所示的LVPECL到LVDS的直流耦合連接為例,來說明以上所討論的原則。傳輸線阻抗匹配原則:Z R1/(R2+R3)根據(jù)LVPCEL輸出最優(yōu)性能:降低LVPECL罷幅以適應(yīng)LVDS的輸入范圍:Gain=R3/(R2+R3)根據(jù)實(shí)際情況,選擇滿足以上約束條件的電阻值,例如當(dāng)傳輸線特征阻抗為50 Q時(shí),可取R仁120 Q , R2=58 Q , R3=20 Q即能完成互連。由于LVDS通常用作并聯(lián)數(shù)據(jù)的傳輸,數(shù)據(jù)速率為155 Mbps、622 Mbps或1.25 Gbps ;而CML常用來做串行數(shù)據(jù)的傳輸,數(shù)據(jù)速率為2.5 Gbps或10 Gbps。一般情況下,在
15、傳輸系統(tǒng)中沒有CML和LVDS的互連問題。結(jié)語 本文粗淺地討論了幾種目前應(yīng)用較多的高速電平技術(shù)。復(fù)雜高速的通信系統(tǒng)背板,大屏 幕平板顯示系統(tǒng),海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)鹊榷夹枰捎眯赂咚匐娖郊夹g(shù)。隨著社會(huì)的發(fā)展, 新高速電平技術(shù)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用5V TTL和5V CMOS邏輯電平是通用的邏輯電平。 3.3V及以下的邏輯電平被稱為低電壓邏輯電平,常用的為 LVTTL電平。低電壓的邏輯電平還有 2.5V和1.8V兩種。 ECL/PECL 和LVDS是差分輸入輸出。 RS-422/485和RS-232是串口的接口標(biāo)準(zhǔn), RS-422/485是差分輸入常用電平標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在常用的電平標(biāo)準(zhǔn)有 TTL、 CM
16、O、SLVTTL、 LVCMO、SECL、 PECL、 LVPECL、 RS232、 RS485 等, 還有一些速度比較高的LVDS GTL、PGTL CML HSTL SSTL等。下面簡單介紹一下各自的供電電源 電平標(biāo)準(zhǔn)以及使用注意事項(xiàng)。TTL: Transistor-Transistor Logic三極管結(jié)構(gòu)。Vcc : 5V; VOH>=2.4V; VOL<=0.5V; VIH>=2V; VIL<=0.8V 。因?yàn)?2.4V 與 5V 之間還有很大空閑, 對改善噪聲容限并沒什么好處, 又會(huì)白白增大 系統(tǒng)功耗,還會(huì)影響速度。所以后來就把一部分“砍”掉了。也就是后面的
17、LVTTL。LVTTL又分 3.3V、2.5V 以及更低電壓的 LVTTL(Low Voltage TTL)。3.3V LVTTL:Vcc: 3.3V; VOH>=2.4V; VOL<=0.4V; VIH>=2V; VIL<=0.8V 。2.5V LVTTL :Vcc: 2.5V ; VOH>=2.0V; VOL<=0.2V; VIH>=1.7V ; VIL& lt;=0.7V 。更低的LVTTL不常用。多用在處理器等高速芯片,使用時(shí)查看芯片手冊就0K了。TTL使用注意:TTL電平一般過沖都會(huì)比較嚴(yán)重,可能在始端串22歐或33歐電阻;TTL電平
18、輸入腳懸空時(shí)是內(nèi)部認(rèn)為是高電平。要下拉的話應(yīng)用1k以下電阻下拉。TTL輸出不能驅(qū)動(dòng)CMO輸入。CM0:S Complementary Metal 0xide Semiconductor PM0S+NM0S。Vcc : 5V; VOH>=4.45V; VOL<=0.5V; VIH>=3.5V; VIL<=1.5V 。相對TTL有了更大的噪聲容限,輸入阻抗遠(yuǎn)大于TTL輸入阻抗。對應(yīng) 3.3V LVTTL,出現(xiàn)了 LVCMO,S可以與3.3V的LVTTL直接相互驅(qū)動(dòng)。3.3V LVCMOS:Vcc: 3.3V; VOH>=3.2V; VOL<=0.1V; VIH&
19、amp; gt;=2.0V ; VIL<=0.7V。2.5V LVCMOS:Vcc: 2.5V; VOH>=2V; VOL<=0.1V; VIH>=1 .7V ; VIL<=0.7V。CMOS使用注意:CMOS吉構(gòu)內(nèi)部寄生有可控硅結(jié)構(gòu),當(dāng)輸入或輸入管腳高于VCC定值(比如一些芯片是 0.7V) 時(shí),電流足夠大的話,可能引起閂鎖效應(yīng),導(dǎo)致芯片的燒毀。ECL: Emitter Coupled Logic 發(fā)射極耦合邏輯電路 ( 差分結(jié)構(gòu) )Vcc=0V; Vee: -5.2V; VOH=-0.88V; VOL=-1.72V; VIH=-1.24V ; VIL=-1.3
20、6V 。 速度快,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),噪聲小,很容易達(dá)到幾百M(fèi)的應(yīng)用。但是功耗大,需要負(fù)電源。為簡化電源,出現(xiàn)了PECL(ECL結(jié)構(gòu),改用正電壓供電)和LVPECL。PECL: Pseudo/Positive ECLVcc=5V ; VOH=4.12V; VOL=3.28V; VIH=3.78V ; VIL=3.64VLVPELC: Low Voltage PECLVcc=3.3V ; VOH=2.42V; VOL=1.58V; VIH=2.06V ; VIL=1.94VECL PECL LVPECL使用注意:不同電平不能直接驅(qū)動(dòng)。中間可用交流耦合、電阻 網(wǎng)絡(luò)或?qū)S眯酒M(jìn)行轉(zhuǎn)換。 以上三種均為射隨輸出
21、結(jié)構(gòu), 必須有電阻拉到一個(gè)直流偏置電壓。 (如多用于時(shí)鐘的 LVPECL直流匹配時(shí)用 130歐上拉,同時(shí)用 82歐下拉;交流匹配時(shí)用82歐上拉,同時(shí)用130歐下拉。但兩種方式工作后直流電平都在1.95V左右。)前面的電平標(biāo)準(zhǔn)擺幅都比較大,為降低電磁輻射,同時(shí)提高開關(guān)速度又推出LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)。LVDS: Low Voltage Differential Signaling差分對輸入輸出,內(nèi)部有一個(gè)恒流源 3.5-4mA,在差分線上改變方向來表示0和1。通過外部的100歐匹配電阻(并在差分線上靠近接收端)轉(zhuǎn)換為土 350mV的差分電平。LVDS使用注意:可以達(dá)到600M以上,PCB要求較高,差分
22、線要求嚴(yán)格等長, 差最好不超 過 10mil(0.25mm) 。100 歐電阻離接收端距離不能超過 500mil ,最好控制在 300mil 以內(nèi)。其他的一些:CML是內(nèi)部做好匹配的一種電路,不需再進(jìn)行匹配。三極管結(jié)構(gòu),也是差分線,速度能達(dá)到3G以上。只能點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。GTL:類似CMOS勺一種結(jié)構(gòu),輸入為比較器結(jié)構(gòu),比較器一端接參考電平,另一端接輸入信號。 1.2V 電源供電。Vcc=1.2V ;VOH>=1.1V;VOL<=0.4V; VIH>=0.85V;VIL<=0.75VPGTL/GTL+:Vcc=1.5V;VOH>=1.4V;VOL<=0.46V;
23、 VIH>=1.2V;VIL<=0.8VHSTL是主要用于QDR存儲(chǔ)器的一種電平標(biāo)準(zhǔn):一般有V¬CCIO=1.8V 和V¬¬ CCIO=1.5V。和上面的GTL相似,輸入為輸入為比較器結(jié)構(gòu),比較器一端接參考電平(VCCIO/2),另一端接輸入信號。對參考電平要求比較高(1%精度)。SSTL主要用于DDF存儲(chǔ)器。和HSTL基本相同。V¬¬CCIO=2.5V ,輸入為輸入為比較器結(jié)構(gòu),比較器一端接參考電平1.25V,另一端接輸入信號。對參考電平要求比較高(1%精度)。HSTL和 SSTL大多用在300M以下
24、。RS232采用土 12-15V供電,我們電腦后面的串口即為RS232標(biāo)準(zhǔn)。+12V表示0, -12V表示1??梢杂肕AX3232等專用芯片轉(zhuǎn)換,也可以用兩個(gè)三極管加一些外圍電路進(jìn)行反相和 電壓匹配。RS485是一種差分結(jié)構(gòu),相對RS232有更高的抗干擾能力。傳輸距離可以達(dá)到上千米。差分信號 LVDS1 差分信號差分信號用一個(gè)數(shù)值來表示兩個(gè)物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上講,所有電壓信號都 是差分的,因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能相對于另一個(gè)電壓而言。在某些系統(tǒng)里,系統(tǒng)地'被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)?shù)?#39;作為電壓測量基準(zhǔn)時(shí),這種信號規(guī)劃被稱為單端的。使用該術(shù)語是因信 號采用單個(gè)導(dǎo)體上的電壓來表示的;另
25、一方面,一個(gè)差分信號作用在兩個(gè)導(dǎo)體上。信號值是 兩個(gè)導(dǎo)體間的電壓差。盡管不是非常必要,這兩個(gè)電壓的平均值還是會(huì)經(jīng)常保持一致。差分信號具有如下優(yōu)點(diǎn):(1 )因?yàn)榭梢钥刂啤盎鶞?zhǔn)”電壓,所以很容易識別小信號。從差分信號恢復(fù)的信號值在很大 程度上與地'的精確值無關(guān),而在某一范圍內(nèi)。(2) 它對外部電磁干擾(EMI)是高度免疫的。一個(gè)干擾源幾乎相同程度地影響差分信號對 的每一端。既然電壓差異決定信號值,這樣將忽視在兩個(gè)導(dǎo)體上出現(xiàn)的任何同樣干擾。( 3)在一個(gè)單電源系統(tǒng),能夠從容精確地處理雙極'信號。為了處理單端、單電源系統(tǒng)的 雙極信號,必須在地與電源干線之間任意電壓處(通常是中點(diǎn))建立一個(gè)虛地。用高于虛地 的電壓表示正極信號,低于虛地的電壓表示負(fù)極信號。必須把虛地正確分布到整個(gè)系統(tǒng)里。 而對于差分信號,不需要這樣一個(gè)虛地,這就使處理和傳播雙極信號有一個(gè)高逼真度,而無 須依賴虛地的穩(wěn)定性。LVDS PECL、RS-422等標(biāo)準(zhǔn)都采取差分傳輸方式。2 LVDS 總線LVDS(Low Voltage Differe ntial Sig nalin g)是一種小振幅差分信號技術(shù)。LVDS在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中定義: 1996年
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