|
對于速度的渴求始終在增長，傳輸速率每隔幾年就會加倍。這一趨勢在諸如計算、SAS和SATA存儲方面的PCIe以及云計算中的千兆以太網(wǎng)等很多現(xiàn)代通信系統(tǒng)中很普遍。信息革命對通過傳輸介質(zhì)傳送數(shù)據(jù)提出了巨大挑戰(zhàn)。目前的傳輸介質(zhì)仍然依賴于銅線，數(shù)據(jù)鏈路中的信號速率可以達到大于25Gbps，并且端口吞吐量可以大于100Gbps。 這些串行數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計使用差分信號的方式，通過被稱為差分對的一對銅線來傳送數(shù)據(jù)。A線路和B線路內(nèi)的信號是等振幅、反相位高速脈沖。差分信號在很多電路上有使用，比如LVDS，CML和PECL等等。 傳送一個理想的串行比特流 串行比特流是通過一個差分對傳播的差分信號。如圖1所示，差分信號的預(yù)計到達時間是一樣的，這樣的話，它們在接收端上保持差分信號的屬性（等振幅、反相位）。一個接收器被用來恢復(fù)信號，然后正確地采樣和恢復(fù)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)無誤差數(shù)據(jù)傳輸。 圖1：理想差分對的電氣屬性 對于差分對的要求 一個良好設(shè)計差分對是成功進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。根據(jù)應(yīng)用的不同，差分對可以是一對印刷電路板 (PCB) 走線，一對雙絞線或一對共用絕緣和屏蔽的并行線（通常稱為Twin-axial電纜）。在這一系列中，我將討論差分對的特點，以及針對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計問題和解決方案。 讓我們研究一下差分對的主要要求： ·A線路和B線路都需要保持相當(dāng)恒定和相等的特性阻抗，通常稱為奇模阻抗，此時兩條線路均差分激勵。 ·差分信號應(yīng)該在到達目的端時保持差分信號的屬性：幾乎相等的振幅和相反的相位。 ·每條線路的插入損耗應(yīng)該大致相等。 ·每條線路的傳播延遲應(yīng)該大致相等。 總之，我們應(yīng)該尋求相等并且相當(dāng)恒定的奇模阻抗，從而最大限度地減少從源端到目的端整條差分對長度上的阻抗波動。我們也應(yīng)當(dāng)使A線路與B線路之間的延遲匹配和插入損耗匹配。此外，我們需要確保插入損耗不會太多，這樣的話，接收器能夠正確地恢復(fù)數(shù)據(jù)。 為了滿足上述要求，A線路和B線路應(yīng)該在它們的物理布局布線中保持高對稱。發(fā)射器和接收器也應(yīng)該在它們的A和B線路電路中保持高對稱，這樣的話，它們在A線路和B線路上的電氣負載相等。 在理想情況下，差分對是完全對稱的，此時具有無限帶寬并且鄰近信號之間完全隔離。在現(xiàn)實情況下，差分信號通過集成電路 (IC) 封裝、外部器件、不同的PCB結(jié)構(gòu)、連接器和電纜連接子系統(tǒng)進行傳播。實現(xiàn)完全對稱的差分對是件不太容易的事情。前文談?wù)摿藢τ诓罘謱Φ囊蟆Ｔ诂F(xiàn)實應(yīng)用中，我們用印刷電路板（PCB）內(nèi)的銅走線或線纜組裝件內(nèi)的銅質(zhì)導(dǎo)線來實現(xiàn)差分對。較長的PCB走線或線纜會出現(xiàn)較高的傳輸損耗，該損耗會劣化信號質(zhì)量。下面將說明插入損耗如何能影響差分對的信號質(zhì)量，并解釋均衡器如何能消除這種影響。 什么是插入損耗？ 傳輸損耗包含兩部分：低頻率下的趨膚效應(yīng)損耗（skin loss）和高頻率下的介電損耗。趨膚效應(yīng)損耗取決于互連部分的截面面積；例如，PCB走線的寬度和金屬厚度，或線纜的導(dǎo)線直徑。當(dāng)頻率在幾百兆赫以下時，趨膚效應(yīng)損耗是主要傳輸損耗，并與頻率的平方根成比例。當(dāng)頻率較高時，介電損耗則成為主要傳輸損耗。介電損耗的量取決于電介質(zhì)的材料屬性，且與頻率成正比。 插入損耗是一個常見術(shù)語，用來描述互連部分的傳輸損耗。它是只有和沒有互連部分的兩種情況下負載處電壓的比值。網(wǎng)絡(luò)分析儀能按振幅和相位測量插入損耗。圖2展示了FR4板材上兩條PCB走線的典型插入損耗：一條走線長5英寸（藍色），另一條走線長10英寸（紅色），但兩者具有相等的走線寬度（5 mil）。正如您可從圖2中看到的，插入損耗特性與低通濾波器表現(xiàn)出的特性一樣，當(dāng)頻率增加時信號衰減量增大。損耗隨著PCB走線的長度呈線性增加。 圖2：FR4 PCB走線的插入損耗 為什么插入損耗會使信號劣化 數(shù)據(jù)傳輸串行比特流中包含不同持續(xù)時間的邏輯1和0。在圖3中，您可看到發(fā)射器波形由較長持續(xù)時間（較低頻率脈沖）和較短持續(xù)時間（較高頻率脈沖）的數(shù)據(jù)位構(gòu)成。它們的振幅大致相等而且翻轉(zhuǎn)路徑幾乎相同，因而能產(chǎn)生干凈而全開的數(shù)據(jù)眼。 當(dāng)信號通過PCB走線傳送時，低通濾波器效應(yīng)會減慢脈沖的翻轉(zhuǎn)時間，持續(xù)時間短的脈沖沒有足夠的時間達到其滿振幅。此外，高頻率脈沖的衰減量還比低頻率脈沖的衰減量大：當(dāng)?shù)竭_目的端時，它們的振幅有很大的不同。因為持續(xù)時間較長的脈沖和持續(xù)時間較短的脈沖具有不同的振幅，所以翻轉(zhuǎn)路徑會發(fā)生變化，并產(chǎn)生時域抖動。這類抖動具體取決于數(shù)據(jù)碼型，通常被稱為碼間串?dāng)_（ISI）。圖3展示了接收器波形和相應(yīng)眼圖，差分對的插入損耗引起的抖動非常顯著。 圖3：由插入損耗引起的信號劣化 如何能解決這種信號劣化問題 上述信號劣化的根本問題是由不等振幅的脈沖（這些脈沖振幅是低通濾波器產(chǎn)生的）導(dǎo)致的。該問題的解決方案是對信號衰減進行抵消，其目標是實現(xiàn)相等的脈沖振幅。均衡器是一種經(jīng)過專門設(shè)計的高通濾波器，其傳遞函數(shù)等于互連部分低通濾波器傳遞函數(shù)的倒數(shù)。有許多常見的均衡器實施方案。您可使用高增益的連續(xù)時間線性均衡器（CTLE）, 高頻率下可提供的增益較多，在低頻率下可提供的增益較少。或者，您也可使用在低頻率下產(chǎn)生衰減的高通濾波器，這種濾波器在許多去加重驅(qū)動器設(shè)計中通常用作發(fā)射端均衡器。另外，還有很多數(shù)字實現(xiàn)方案，如重定時器中使用的有限脈沖響應(yīng)濾波器（FIR）或判決反饋均衡器（DFE）。 圖4展示了具有CTLE的DS125BR800A，可消除由互連部分引起的ISI抖動。通過選擇與互連部分的插入損耗特性相匹配的適當(dāng)均衡量，該Repeater可清除ISI抖動并在接收信息的目的端提供干凈的數(shù)據(jù)眼圖。 圖4：CTLE Repeater中繼器可消除ISI |
