外置預加重均衡器在高速背板互聯(lián)中的應用

劉亮

(美國美信集成產(chǎn)品公司)

高速串行接口由于連接簡單、數(shù)據(jù)吞吐量大和先天的共模干擾抑制優(yōu)勢，成為背板互聯(lián)的首選接口。然而由于傳輸線、連接器以及過孔對高頻信號的衰減，對于這些背板互聯(lián)應用，如何保證信號的衰減被完全補償，以及如何保證設計時留有足夠的余量來補償其他合理的額外衰減，是系統(tǒng)設計時需要考慮的問題。

1 背板鏈路對信號的衰減

背板傳輸線是整個高速背板鏈路對信號衰減貢獻最大的因素。圖1是傳輸線模型，這個模型將傳輸分成若干級聯(lián)單元。每級包含串行電抗Z和并行電納Y。

圖1中，R為串聯(lián)電阻(Ω/英寸)；L為串聯(lián)電感(H/英寸)；C為并聯(lián)電容(F/英寸)；G為并聯(lián)電導(S/英寸)。

對于理想傳輸線，假定R=G=0；而對于實際有損傳輸線，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電導均不為零。受趨膚效應的影響，有損傳輸線串聯(lián)電阻隨著信號頻率的增加而增大，趨膚效應造成的衰減與頻率的平方根成正比。并聯(lián)電導引入的損耗稱為介質損耗。

圖2所示為有損傳輸線(40英寸FR4差分微帶線)的插損圖，該差分微帶線的線寬為0.006英寸，線距0.006英寸，F(xiàn)R4介電常數(shù)4.3，損耗角正切值0.02。其中曲線1是由于趨膚效應造成的衰減，曲線2是由于介質損耗造成的衰減，曲線3是二者的疊加，即傳輸線總的插損。由圖2可知，微帶線對信號的低頻成分衰減較小，對高頻成分衰減較大，對信號頻譜呈現(xiàn)為低通濾波特性。從時域看，信號幅度有所降低、抖動加劇。傳輸線衰減引入的抖動稱為ISI抖動。圖3所示為Agilent N4906 BERT發(fā)出的3.75 Gb/s差分信號眼圖，使用的測量示波器是DSA8200。輸出差分信號擺幅為1 000 mV，碼型為PRBS7-1。經(jīng)過上述40英寸FR4微帶線后，得到圖4所示眼圖，信號幅度只有800 mV左右，眼圖開度不足50 mV。時域抖動為0.8 UI左右。

除以上趨膚效應和介質損耗所引入的插損外，加工后的傳輸線表面光滑度、介質溫度和濕度也是影響傳輸線衰減變化的因素。對于這些額外的衰減，系統(tǒng)設計時需要考慮保留足夠的補償裕量；作為整個背板鏈路的一部分，背板高速連接器以及過孔也會引入插損。

2 預加重和均衡補償鏈路衰減

由于背板鏈路對信號頻譜有低通濾波衰減特性，可以采用預加重和均衡技術補償信號的高頻衰減。從頻域分析，預加重和均衡器相當于高通濾波器，可以補償背板鏈路的低通特性，使信號的高頻成分和低頻成分具有相同衰減，補償后的信號經(jīng)過限幅放大器處理后成為標準的接口電平，輸出到下級電路。

圖5為預加重和均衡器的頻響曲線，其中曲線1為背板鏈路的頻響，曲線2為預加重均衡器的等效頻響，由圖可以看出，與傳輸線的衰減特性恰好相反。圖中的曲線3為背板鏈路頻率響應和預加重均衡器疊加后的頻響效果。圖6是圖4所示信號經(jīng)過Maxim均衡器補償后得到的眼圖，可以看出，經(jīng)過均衡器后，ISI抖動被消除，信號得到完整恢復。

3 外置預加重均衡器在背板互聯(lián)中的應用

ASIC Serdes接口通常也支持預加重和均衡功能。對于近距離背板鏈路并且ASIC回損性能較好的系統(tǒng)，通?？紤]利用ASIC內(nèi)部的預加重和均衡功能補償鏈路衰減。而在長線傳輸中，由于ASIC內(nèi)部海量數(shù)字邏輯翻轉造成較大的電源噪聲和地噪聲，以及ASIC內(nèi)部多個Serdes接口之間存在的串擾，都使會ASIC內(nèi)部的預加重均衡性能大打折扣。另外，由于ASIC內(nèi)部均衡器的效果通常只能通過系統(tǒng)誤碼率測試，沒有辦法通過眼圖測量直接評估其性能，也很難評價ASIC內(nèi)置均衡器的工作效果。即使在一個背板鏈路通道的誤碼測試中沒有發(fā)現(xiàn)問題，也無法保證系統(tǒng)留有足夠裕量來補償背板插損變化以及溫度、濕度變化所引入的插損。

Maxim的預加重均衡器采用雙極型SiGe工藝，與ASIC內(nèi)置CMOS數(shù)字預加重均衡器相比，具有補償能力強、輸出擺幅大、通道間串擾低等特點，有助于改善回損指標。以Maxim最新推出的MAX3987為例，MAX3987是四通道1 Gb/s～8.5 Gb/s預加重均衡器芯片，接收均衡鏈路可以補償30英寸FR4引線衰減，發(fā)送鏈路的預加重可以補償30英寸FR4引線的衰減，輸出擺幅可以達到1 050 mV，SDD11和SDD22可達15 dB。這些優(yōu)異性能為系統(tǒng)保留了足夠的補償裕量，使長距離背板傳輸成為可能。

基于上述外置均衡器的優(yōu)勢，外置預加重均衡器能夠補償長距離傳輸背板鏈路的衰減，有助于抑制鏈路的不連續(xù)或ASIC較差的回損性能所造成的信號反射。實際應用中，配合ASIC芯片的內(nèi)部預加重和均衡，在FR4背板可以輕松實現(xiàn)50英寸以上的高速鏈路互聯(lián)，同時又保證鏈路保留足夠的補償裕量。