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對于速度的渴求始終在增長(cháng)，傳輸速率每隔幾年就會(huì )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)等很多現代通信系統中很普遍。信息革命對通過(guò)傳輸介質(zhì)傳送數據提出了巨大挑戰。目前的傳輸介質(zhì)仍然依賴(lài)于銅線(xiàn)，數據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。 這些串行數據傳輸設計使用差分信號的方式，通過(guò)被稱(chēng)為差分對的一對銅線(xiàn)來(lái)傳送數據。A線(xiàn)路和B線(xiàn)路內的信號是等振幅、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(gè)理想的串行比特流 串行比特流是通過(guò)一個(gè)差分對傳播的差分信號。如圖1所示，差分信號的預計到達時(shí)間是一樣的，這樣的話(huà)，它們在接收端上保持差分信號的屬性（等振幅、反相位）。一個(gè)接收器被用來(lái)恢復信號，然后正確地采樣和恢復數據，從而實(shí)現無(wú)誤差數據傳輸。 圖1：理想差分對的電氣屬性 對于差分對的要求 一個(gè)良好設計差分對是成功進(jìn)行高速數據傳輸的關(guān)鍵因素。根據應用的不同，差分對可以是一對印刷電路板 (PCB) 走線(xiàn)，一對雙絞線(xiàn)或一對共用絕緣和屏蔽的并行線(xiàn)（通常稱(chēng)為T(mén)win-axial電纜）。在這一系列中，我將討論差分對的特點(diǎn)，以及針對高速數據傳輸的設計問(wèn)題和解決方案。 讓我們研究一下差分對的主要要求： ·A線(xiàn)路和B線(xiàn)路都需要保持相當恒定和相等的特性阻抗，通常稱(chēng)為奇模阻抗，此時(shí)兩條線(xiàn)路均差分激勵。 ·差分信號應該在到達目的端時(shí)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(xiàn)路的插入損耗應該大致相等。 ·每條線(xiàn)路的傳播延遲應該大致相等。 總之，我們應該尋求相等并且相當恒定的奇模阻抗，從而最大限度地減少從源端到目的端整條差分對長(cháng)度上的阻抗波動(dòng)。我們也應當使A線(xiàn)路與B線(xiàn)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(huì )太多，這樣的話(huà)，接收器能夠正確地恢復數據。 為了滿(mǎn)足上述要求，A線(xiàn)路和B線(xiàn)路應該在它們的物理布局布線(xiàn)中保持高對稱(chēng)。發(fā)射器和接收器也應該在它們的A和B線(xiàn)路電路中保持高對稱(chēng)，這樣的話(huà)，它們在A(yíng)線(xiàn)路和B線(xiàn)路上的電氣負載相等。 在理想情況下，差分對是完全對稱(chēng)的，此時(shí)具有無(wú)限帶寬并且鄰近信號之間完全隔離。在現實(shí)情況下，差分信號通過(guò)集成電路 (IC) 封裝、外部器件、不同的PCB結構、連接器和電纜連接子系統進(jìn)行傳播。實(shí)現完全對稱(chēng)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�。在現實(shí)應用中，我們用印刷電路板（PCB）內的銅走線(xiàn)或線(xiàn)纜組裝件內的銅質(zhì)導線(xiàn)來(lái)實(shí)現差分對。較長(cháng)的PCB走線(xiàn)或線(xiàn)纜會(huì )出現較高的傳輸損耗，該損耗會(huì )劣化信號質(zhì)量。下面將說(shuō)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損耗（skin loss）和高頻率下的介電損耗。趨膚效應損耗取決于互連部分的截面面積；例如，PCB走線(xiàn)的寬度和金屬厚度，或線(xiàn)纜的導線(xiàn)直徑。當頻率在幾百兆赫以下時(shí)，趨膚效應損耗是主要傳輸損耗，并與頻率的平方根成比例。當頻率較高時(shí)，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(gè)常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述互連部分的傳輸損耗。它是只有和沒(méi)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(xiàn)的典型插入損耗：一條走線(xiàn)長(cháng)5英寸（藍色），另一條走線(xiàn)長(cháng)10英寸（紅色），但兩者具有相等的走線(xiàn)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出的特性一樣，當頻率增加時(shí)信號衰減量增大。損耗隨著(zhù)PCB走線(xiàn)的長(cháng)度呈線(xiàn)性增加。 圖2：FR4 PCB走線(xiàn)的插入損耗 為什么插入損耗會(huì )使信號劣化 數據傳輸串行比特流中包含不同持續時(shí)間的邏輯1和0。在圖3中，您可看到發(fā)射器波形由較長(cháng)持續時(shí)間（較低頻率脈沖）和較短持續時(shí)間（較高頻率脈沖）的數據位構成。它們的振幅大致相等而且翻轉路徑幾乎相同，因而能產(chǎn)生干凈而全開(kāi)的數據眼。 當信號通過(guò)PCB走線(xiàn)傳送時(shí)，低通濾波器效應會(huì )減慢脈沖的翻轉時(shí)間，持續時(shí)間短的脈沖沒(méi)有足夠的時(shí)間達到其滿(mǎn)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：當到達目的端時(shí)，它們的振幅有很大的不同。因為持續時(shí)間較長(cháng)的脈沖和持續時(shí)間較短的脈沖具有不同的振幅，所以翻轉路徑會(huì )發(fā)生變化，并產(chǎn)生時(shí)域抖動(dòng)。這類(lèi)抖動(dòng)具體取決于數據碼型，通常被稱(chēng)為碼間串擾（ISI）。圖3展示了接收器波形和相應眼圖，差分對的插入損耗引起的抖動(dòng)非常顯著(zhù)。 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(wèn)題 上述信號劣化的根本問(wèn)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）導致的。該問(wèn)題的解決方案是對信號衰減進(jìn)行抵消，其目標是實(shí)現相等的脈沖振幅。均衡器是一種經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計的高通濾波器，其傳遞函數等于互連部分低通濾波器傳遞函數的倒數。有許多常見(jiàn)的均衡器實(shí)施方案。您可使用高增益的連續時(shí)間線(xiàn)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�；蛘�，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動(dòng)器設計中通常用作發(fā)射端均衡器。另外，還有很多數字實(shí)現方案，如重定時(shí)器中使用的有限脈沖響應濾波器（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(dòng)。通過(guò)選擇與互連部分的插入損耗特性相匹配的適當均衡量，該Repeater可清除ISI抖動(dòng)并在接收信息的目的端提供干凈的數據眼圖。 圖4：CTLE Repeater中繼器可消除ISI |
