差分對(duì)：均衡器如何能解決插入損耗所帶來(lái)的問(wèn)題

T.K. Chin在他的博客文章《差分對(duì)：你真正需要了解的內(nèi)容》里談?wù)摿藢?duì)于差分對(duì)的要求。在現(xiàn)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)差分對(duì)。較長(zhǎng)的PCB走線或線纜會(huì)出現(xiàn)較高的傳輸損耗，該損耗會(huì)劣化信號(hào)質(zhì)量。在本文中，筆者將說(shuō)明插入損耗如何能影響差分對(duì)的信號(hào)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(shí)，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(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(fù)載處電壓的比值。網(wǎng)絡(luò)分析儀能按振幅和相位測(cè)量插入損耗。圖1展示了FR4板材上兩條PCB走線的典型插入損耗：一條走線長(zhǎng)5英寸（藍(lán)色），另一條走線長(zhǎng)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1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(shí)信號(hào)衰減量增大。損耗隨著PCB走線的長(zhǎng)度呈線性增加。

圖1：FR4 PCB走線的插入損耗

為什么插入損耗會(huì)使信號(hào)劣化

數(shù)據(jù)傳輸串行比特流中包含不同持續(xù)時(shí)間的邏輯1和0。在圖2中，您可看到發(fā)射器波形由較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間（較低頻率脈沖）和較短持續(xù)時(shí)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(kāi)的數(shù)據(jù)眼。

當(dāng)信號(hào)通過(guò)PCB走線傳送時(shí)，低通濾波器效應(yīng)會(huì)減慢脈沖的翻轉(zhuǎn)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間短的脈沖沒(méi)有足夠的時(shí)間達(dá)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_(dá)目的端時(shí)，它們的振幅有很大的不同。因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的脈沖和持續(xù)時(shí)間較短的脈沖具有不同的振幅，所以翻轉(zhuǎn)路徑會(huì)發(fā)生變化，并產(chǎn)生時(shí)域抖動(dòng)。這類抖動(dòng)具體取決于數(shù)據(jù)碼型，通常被稱為碼間串?dāng)_（ISI）。圖2展示了接收器波形和相應(yīng)眼圖，差分對(duì)的插入損耗引起的抖動(dòng)非常顯著。

圖2：由插入損耗引起的信號(hào)劣化

TI均衡器如何能解決這種信號(hào)劣化問(wèn)題

上述信號(hào)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(dǎo)致的。該問(wèn)題的解決方案是對(duì)信號(hào)衰減進(jìn)行抵消，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)相等的脈沖振幅。均衡器是一種經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)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(jiàn)的均衡器實(shí)施方案。您可使用高增益的連續(xù)時(shí)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(dòng)器設(shè)計(jì)中通常用作發(fā)射端均衡器。另外，還有很多數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案，如重定時(shí)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3展示了具有CTLE的TI 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(dāng)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(shù)據(jù)眼圖。

圖3：CTLE Repeater中繼器可消除ISI

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