可調(diào)電纜均衡器將寬帶差分接收器與模擬開關相結合

5類（Cat-5）非屏蔽雙絞線（UTP）電纜最初用于傳輸LAN流量，由于其可觀的性能和低成本，已成為許多其他信號傳輸應用中的經(jīng)濟解決方案。例如，一個流行的應用是鍵盤-視頻-鼠標（KVM）網(wǎng)絡，其中四個雙絞線中的三個承載紅色，綠色和藍色（RGB）視頻信號。

與任何傳輸介質(zhì)一樣，Cat-5對其攜帶的信號施加傳輸損耗，表現(xiàn)為信號分散和高頻成分損失。除非采取措施來補償這些損失，否則它們會使電纜在合理的距離上傳輸高分辨率視頻信號時毫無用處。這里介紹的是一種實用技術，通過在電纜的接收端引入均衡器 （EQ） 來補償 Cat-5 損耗，均衡器具有十一 （11） 個可切換的電纜范圍設置。由于EQ的每個設置都提供適當?shù)念l率相關增益來彌補電纜損耗，因此EQ-電纜組合適用于高分辨率視頻傳輸。

EQ 設計的第一步是推導出 Cat-5 頻率響應的模型。眾所周知，金屬電纜的頻率響應遵循低通特性，其指數(shù)滾降取決于頻率的平方根。圖 1 描述了 Cat-5 從 100 英尺（30.48 米）到 1000 英尺（304.8 米）的長度的這種關系，增量為 100 英尺。在此圖中，應該很明顯，給定頻率下的功率損耗由恒定的衰減率（以dB/ft表示）為特征。

表I顯示了Cat-5等效電壓衰減幅度與相同電纜長度的頻率的函數(shù)關系，如圖1所示。

表一 Cat-5電纜的電壓衰減幅度比。例如，500 英尺長的電纜將 10MHz、1V 信號衰減到 0.32 V，相當于大約 –9.90 dB（圖 1）。

圖1.各種長度的 Cat-5 電纜的頻率響應。

使用表I中的數(shù)據(jù)，每個電纜長度的頻率響應可以通過基于負實軸極零傳遞函數(shù)的數(shù)學模型近似。具有最小二乘多項式曲線擬合功能的眾多可用數(shù)學軟件包中的任何一個都可用于執(zhí)行近似。圖1表明，對于高頻下的長電纜（由于斜率陡峭，超過20 dB/十倍頻程），需要連續(xù)的負實軸極點以獲得緊密配合，而在低頻下（為了擬合近線性斜率），需要交替的極點和零點。舉一個極端的例子，1000 MHz 的 100 英尺電纜的頻率響應大約為 1/f4，這只能通過具有多個連續(xù)極點的模型來實現(xiàn)。

均衡是通過通過均衡器傳遞通過電纜接收的信號來實現(xiàn)的，均衡器的傳遞函數(shù)是電纜極零模型傳遞函數(shù)的倒數(shù)。為了中和電纜的頻率依賴性，EQ 具有與電纜模型的零點重合的極點和與電纜模型的極點重合的零點。

無源RC網(wǎng)絡的特性之一是其驅(qū)動點阻抗的交替極點和零點僅限于負實軸。該特性也適用于那些具有傳遞函數(shù)的操作放大器電路，該傳遞函數(shù)由反饋阻抗與增益阻抗（Zf/Zg），其中這些阻抗是 RC 網(wǎng)絡。（該屬性不適用于其他情況，例如合成共軛極點對的有源 RC 濾波器部分。

對于實用的均衡器設計，我們更傾向于基于單個放大器級的均衡器，以保持其可調(diào)性可控性，并最大限度地降低成本和復雜性。這里要討論的均衡器使用Budak描述的前一種類型的RC網(wǎng)絡，具有交替的極點和零點;但這種設計排除了使用單個放大器級來實現(xiàn)在所有頻率下補償電纜模型中連續(xù)極點所需的連續(xù)零點。作為為高頻長電纜以外的所有電纜提供良好均衡的折衷方案，所選設計使用單個放大器來實現(xiàn)兩個零點和兩個極點，在負實軸上交替。

由于均衡需要增加頻帶高端的增益，因此需要低噪聲放大器。為了避免由于放大器動態(tài)特性而引入顯著誤差，需要大增益帶寬乘積。對于此應用的特定設計要求，放大器必須能夠執(zhí)行具有電壓增益的頻率相關差分至單端變換。ADI公司的AD8129就是這樣一款放大器，是EQ中基本頻率相關增益級的核心。 圖2顯示了AD8129的雙差分輸入架構，以及適用于需要電壓增益的應用的標準閉環(huán)配置。

圖2.AD8129采用標準閉環(huán)增益配置。

可以看出，AD8129的電路和工作原理與傳統(tǒng)運算放大器不同;主要情況下，它為設計人員提供了差分輸入和反饋網(wǎng)絡之間的電路分離。兩個輸入級是高阻抗、高共模抑制（CMR）、寬帶、高增益跨導放大器，具有緊密匹配gm.兩個跨導放大器的輸出電流相加（高阻抗），求和節(jié)點處的電壓緩沖以提供低阻抗輸出。放大器A的輸出電流等于放大器B輸出電流的負數(shù)，并且它們的跨導緊密匹配，因此施加在放大器B周圍的負反饋驅(qū)動v外達到迫使放大器B的輸入電壓等于放大器A輸入電壓的負數(shù)的水平。從上面的討論中，理想情況下的閉環(huán)電壓增益可以表示為：

均衡器是使用該增益公式設計的，RC網(wǎng)絡用于Zf和Zg.其規(guī)范電路如圖3所示，表示設計用于補償給定長度電纜的均衡器。

圖3.均衡器的規(guī)范電路。

在圖3中，上部跨導放大器的高差分輸入阻抗有助于為通過Cat-5電纜接收的信號提供良好的阻抗匹配;下部放大器提供負反饋電路，實現(xiàn)頻率相關增益。電路的波特圖具有高通特性，如圖4所示。Zn和Pn是均衡器的相應零點和極點。

圖4.典型均衡器電路的波特圖。

在下面的分析中，圖4中的極點-零點對充分分離，電容可以近似為短路或開路。極點和零點頻率以弧度/秒表示。在低頻時，所有電容器都是開路的，增益很簡單

該增益設置為補償平坦（即直流）損耗，包括由于匹配和電纜的低頻平坦損耗引起的任何損耗。它還提供均衡短電纜時穩(wěn)定AD8129所需的平坦增益（下文將詳細介紹）。

頻率上移，最低頻率極點零EQ部分，包括串聯(lián)R情 商和C情 商，開始生效，生產(chǎn)Z1和P1.通過近似 Cf和 CS作為開路，可以寫出以下等式：

(3)

頻率響應的大小漸近接近

如C情 商接近短路。

隨著頻率的增加，CS開始生效，引入另一個零，Z2.的主要功能Cf是通過補償來保持放大器穩(wěn)定CS.通過初步近似Cf作為開路（Cf <

最后P2可以表示為：

(5)

在 P 之間2和 P3，頻率響應的大小漸近于由Cf和CS,

這是導致P3所以P3，這是由于放大器的主極點滾降，可以近似為：

哪里一個O是放大器的直流開環(huán)增益，Ωp是放大器的主極點。該結果直接來自標準運算放大器增益帶寬分析。P3由放大器的增益帶寬積施加，并設置均衡器的近似頻率上限。利用上述結果以及電纜的極零點模型，可以為任何實際長度的電纜設計均衡器，該電纜可以通過兩個交替的極零對進行建模，前提是放大器具有足夠高的增益帶寬積。

為了使均衡器在很寬的電纜長度范圍內(nèi)發(fā)揮作用，它必須是可調(diào)節(jié)的。增加可調(diào)性的簡單方法是在AD8129的反饋引腳和地之間切換不同的RC網(wǎng)絡。此方案如圖 5 所示。

圖5.帶可切換部分的均衡器。

圖 5 中的每個 EQ 部分都適用于各種電纜長度。部分 EQ0 覆蓋 0 到 50 英尺，部分 EQ10 覆蓋 950 到 1000 英尺。其他部分以 100 英尺、200 英尺等為中心，從其中心覆蓋 ±50 英尺。此分辨率足以滿足大多數(shù) RGB 應用的需求。

實際問題

AD8129在增益大于10 V/V時保持穩(wěn)定，標稱相位裕量為56°，但如果注意布局和寄生電容，它可以在增益為8的情況下成功工作，其中相位裕量約為45°。在高頻時需要這種增益。對于較長的電纜長度，均衡器的高通特性提供了足夠的高頻增益。但是，對于0至300英尺之間的電纜長度，為了保持AD8129的穩(wěn)定，需要額外的平坦增益。由于超額增益是平坦的，因此可以通過調(diào)整Rf/Rg比，并通過在均衡器中通過相同量的平坦衰減進行切換。

AD8129的輸入級線性動態(tài)范圍有限（±0.5 V工作范圍）。為獲得最佳性能，最好先將700 mV RGB視頻信號衰減四倍，然后再將其應用于AD8129輸入。有時，視頻信號在通過電纜傳輸之前已經(jīng)衰減了兩倍。（這不是匹配損耗，通常通過使用增益為2的電纜驅(qū)動器來計算。在這種情況下，可以在AD8129的輸入端插入一個額外的8001倍衰減，以產(chǎn)生<>的端到端平坦衰減因子。平坦增益為<>的緩沖器放置在均衡器之后，用于補償這種衰減（AD<>是該級的絕佳選擇）。緩沖器還簡化了均衡器輸出端的開關衰減器，可以是簡單的L型焊盤。

用于選擇均衡器部分的ADG704模擬多路復用器中每個關斷通道的寄生電容為9 pF。因此，所有未選擇的EQ部分的總和的寄生電容相當大;它增加了CS所選 EQ 部分的值。對于400至1000英尺的EQ部分，這種寄生電容通?？梢晕盏紺S中。對于較短的部分，上述多余的閉環(huán)增益用于補償寄生電容引起的峰值。作為一般規(guī)則，最好以最大化電容值的方式縮放EQ部分中使用的阻抗，從而允許吸收盡可能多的寄生電容CS盡可能。然而，這不能走得太遠，因為它減少了相關的阻力。縮放還受到連接均衡器部分的走線中的寄生電感的限制。小電阻提供的小阻尼;如果電阻電平太小，則由寄生走線電感和開關電容引起的中等Q值諧振電路會導致AD8129不穩(wěn)定。

優(yōu)化均衡器 PCB 布局至關重要.所有電源層和接地層銅的主要部分必須從連接到AD8129求和節(jié)點的走線下的所有層中移除?？梢愿鶕?jù)需要在這些區(qū)域戰(zhàn)略性地放置小型接地層條，以提供低阻態(tài)返回電流路徑，同時最大限度地減少求和節(jié)點處的雜散電容。AD8129和ADG704應采用μSOIC封裝，AD8001應采用SOT-5封裝。EQ部分的走線電感必須保持在絕對最小值，以避免AD8129不穩(wěn)定，因此電阻和電容應采用0402封裝，EQ部分的布局應盡可能小。

在確定基于電纜模型的RC值并考慮寄生效應后，RGB視頻應用需要在時域中進行最終調(diào)諧過程。這是因為RGB視頻電路最重要的性能指標之一是階躍響應;電纜和EQ組合的階躍響應必須經(jīng)過調(diào)諧，以表現(xiàn)出快速上升時間，最小過沖和振鈴以及較短的建立時間。CS對過沖和振鈴的影響最大，串聯(lián)R情 商和C情 商對長期穩(wěn)定時間的影響最大。極點的位置和串聯(lián)連接產(chǎn)生的零點R情 商和C情 商可以在不大量改變頻率響應的情況下進行一些更改，因為它們放置在電纜的頻率響應相當緩慢的滾降位置。這意味著均衡頻率響應看起來相當不錯，而從階躍響應的角度來看，極點和零點的位置可能不是最佳的。因此，最好微調(diào)CS,R情 商和C情 商在時域中，通過調(diào)整它們的值以產(chǎn)生具有最短建立時間的階躍響應。

由于均衡器必須與沒有接地參考的長差分電纜接口，因此接收信號可能包含相對于接收器電源電壓的大共模電壓擺幅。因此，最好使用至少±5 V的雙電源。這也允許輸出信號擺動至0 V，這是視頻信號通常需要的。

結論

這里介紹的均衡器可以穩(wěn)定補償 Cat-5 電纜的長度，頻率從 0 到 1000 英尺，頻率大于 100 MHz 在短電纜長度下補償?shù)?25 MHz，使其適用于 KVM 網(wǎng)絡和其他高分辨率視頻傳輸應用。

審核編輯：郭婷