T.K. Chin在他的博客文章《差分对:你真正需要了解的内容》里谈论了对于差分对的要求。在现实应用中,我们用印刷威廉希尔官方网站 板(PCB)内的铜走线或线缆组装件内的铜质导线来实现差分对。较长的PCB走线或线缆会出现较高的传输损耗,该损耗会劣化信号质量。在本文中,笔者将说明插入损耗如何能影响差分对的信号质量,并解释均衡器如何能消除这种影响。
什么是插入损耗?
传输损耗包含两部分:低频率下的趋肤效应损耗(skin loss)和高频率下的介电损耗。趋肤效应损耗取决于互连部分的截面面积;例如,PCB走线的宽度和金属厚度,或线缆的导线直径。当频率在几百兆赫以下时,趋肤效应损耗是主要传输损耗,并与频率的平方根成比例。当频率较高时,介电损耗则成为主要传输损耗。介电损耗的量取决于电介质的材料属性,且与频率成正比。
插入损耗是一个常见术语,用来描述互连部分的传输损耗。它是只有和没有互连部分的两种情况下负载处电压的比值。网络分析仪能按振幅和相位测量插入损耗。图1展示了FR4板材上两条PCB走线的典型插入损耗:一条走线长5英寸(蓝色),另一条走线长10英寸(红色),但两者具有相等的走线宽度(5 mil)。正如您可从图1中看到的,插入损耗特性与低通滤波器表现出的特性一样,当频率增加时信号衰减量增大。损耗随着PCB走线的长度呈线性增加。
图1:FR4 PCB走线的插入损耗
为什么插入损耗会使信号劣化
数据传输串行比特流中包含不同持续时间的逻辑1和0。在图2中,您可看到发射器波形由较长持续时间(较低频率脉冲)和较短持续时间(较高频率脉冲)的数据位构成。它们的振幅大致相等而且翻转路径几乎相同,因而能产生干净而全开的数据眼。
当信号通过PCB走线传送时,低通滤波器效应会减慢脉冲的翻转时间,持续时间短的脉冲没有足够的时间达到其满振幅。此外,高频率脉冲的衰减量还比低频率脉冲的衰减量大:当到达目的端时,它们的振幅有很大的不同。因为持续时间较长的脉冲和持续时间较短的脉冲具有不同的振幅,所以翻转路径会发生变化,并产生时域抖动。这类抖动具体取决于数据码型,通常被称为码间串扰(ISI)。图2展示了接收器波形和相应眼图,差分对的插入损耗引起的抖动非常显著。
图2:由插入损耗引起的信号劣化
TI均衡器如何能解决这种信号劣化问题
上述信号劣化的根本问题是由不等振幅的脉冲(这些脉冲振幅是低通滤波器产生的)导致的。该问题的解决方案是对信号衰减进行抵消,其目标是实现相等的脉冲振幅。均衡器是一种经过专门设计的高通滤波器,其传递函数等于互连部分低通滤波器传递函数的倒数。有许多常见的均衡器实施方案。您可使用高增益的连续时间线性均衡器(CTLE), 高频率下可提供的增益较多,在低频率下可提供的增益较少。或者,您也可使用在低频率下产生衰减的高通滤波器,这种滤波器在许多去加重驱动器设计中通常用作发射端均衡器。另外,还有很多数字实现方案,如重定时器中使用的有限脉冲响应滤波器(FIR)或判决反馈均衡器(DFE)。
图3展示了具有CTLE的TI DS125BR800A,可消除由互连部分引起的ISI抖动。通过选择与互连部分的插入损耗特性相匹配的适当均衡量,该Repeater可清除ISI抖动并在接收信息的目的端提供干净的数据眼图。
图3:CTLE Repeater中继器可消除ISI
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