電子工程師的SN75LVPE3101設(shè)計指南

在現(xiàn)代電子設(shè)計領(lǐng)域，高速數(shù)據(jù)傳輸對于設(shè)備的性能至關(guān)重要。PCI Express 3.0、SATA Express和SATA Gen3等接口的廣泛應(yīng)用，對信號的完整性和傳輸距離提出了更高的要求。今天，我們就來深入探討一下SN75LVPE3101這款雙通道PCI Express 3.0線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，看看它如何在實(shí)際設(shè)計中發(fā)揮作用。

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一、SN75LVPE3101簡介

SN75LVPE3101是一款專為解決高速信號傳輸問題而設(shè)計的器件。它支持PCI Express 3.0、SATA Express和SATA Gen3等接口標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效補(bǔ)償信號在傳輸過程中的衰減，確保信號的完整性。其超低功耗架構(gòu)，在有效狀態(tài)下功耗小于330mW，關(guān)斷狀態(tài)下功耗小于700μW，非常適合對功耗敏感的應(yīng)用場景。

特性亮點(diǎn)

1. 多標(biāo)準(zhǔn)支持：兼容PCIe 1.0、2.0和3.0數(shù)據(jù)速率，以及SATA Express和SATA Gen3，具有廣泛的適用性。
2. 低功耗設(shè)計：有效降低系統(tǒng)功耗，延長設(shè)備的續(xù)航時間。
3. 豐富的均衡設(shè)置：提供16種線性均衡設(shè)置，高達(dá)14dB（4GHz時），可根據(jù)不同的通道損耗進(jìn)行靈活調(diào)整。
4. 熱插拔功能：支持熱插拔，方便設(shè)備的維護(hù)和升級。
5. 寬溫度范圍：工業(yè)級溫度范圍為 -40°C至85°C，適用于各種惡劣環(huán)境。
6. ESD保護(hù)：ESD HBM額定電壓為±5kV，增強(qiáng)了器件的可靠性。
7. 小封裝：采用4mm × 4mm VQFN封裝，節(jié)省了電路板空間。

應(yīng)用場景

SN75LVPE3101適用于多種設(shè)備，包括臺式計算機(jī)、筆記本電腦、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備以及工業(yè)模塊化計算機(jī)等。在這些設(shè)備中，它可以有效解決信號傳輸過程中的衰減問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

二、引腳配置與功能

了解器件的引腳配置和功能是進(jìn)行設(shè)計的基礎(chǔ)。SN75LVPE3101采用24引腳4mm × 4mm VQFN封裝，其引腳功能如下：

配置引腳

• CH1_EQ1、CH1_EQ2、CH2_EQ1、CH2_EQ2：用于控制RX1P/N和RX2P/N的RX EQ等級，可提供多達(dá)16種均衡設(shè)置。
• EN：使能引腳，低電平時將器件置于關(guān)斷模式，高電平時正常運(yùn)行。
• MODE：模式配置引腳，在EN的上升沿之后對此引腳的狀態(tài)進(jìn)行采樣。

  輸入輸出引腳

• RX1N、RX1P、RX2N、RX2P：通道1和通道2的反相和同相差分高速輸入。
• TX1N、TX1P、TX2N、TX2P：通道1和通道2的反相和同相差分高速輸出。

  電源與接地引腳

• VCC：3.3V（±10%）電源引腳。
• GND：地引腳。

在實(shí)際設(shè)計中，我們需要根據(jù)這些引腳的功能進(jìn)行合理的連接和配置，以實(shí)現(xiàn)器件的最佳性能。例如，對于配置引腳，我們需要根據(jù)通道損耗的情況選擇合適的均衡設(shè)置；對于電源引腳，我們需要確保供電的穩(wěn)定性。這里大家可以思考一下，在不同的應(yīng)用場景下，應(yīng)該如何選擇合適的均衡設(shè)置呢？

三、規(guī)格參數(shù)

絕對最大額定值

為了確保器件的安全運(yùn)行，我們需要了解其絕對最大額定值。例如，電源電壓范圍為 -0.3V至4V，貯存溫度范圍為 -65°C至150°C。超出這些范圍可能會對器件造成永久損壞，因此在設(shè)計和使用過程中必須嚴(yán)格遵守。

ESD等級

SN75LVPE3101的ESD等級較高，人體放電模型（HBM）為±5000V，充電器件模型（CDM）為+1500V。這表明器件具有較好的抗靜電能力，但在實(shí)際操作中，我們?nèi)匀恍枰扇∵m當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)措施，以避免靜電對器件造成損壞。

建議運(yùn)行條件

在自然通風(fēng)條件下，建議的電源電壓為3V至3.6V，環(huán)境溫度為 -40°C至85°C，結(jié)溫為 -40°C至105°C。在這些條件下運(yùn)行，器件能夠保證正常的性能和可靠性。

熱性能信息

熱性能對于高速器件來說至關(guān)重要。SN75LVPE3101的結(jié)至環(huán)境熱阻為38.5°C/W，結(jié)至外殼（頂部）熱阻為41.6°C/W，結(jié)至電路板熱阻為16.3°C/W。在設(shè)計電路板時，我們需要考慮如何有效地散熱，以保證器件在合適的溫度下工作。比如，可以采用散熱片、導(dǎo)熱膠等方式來提高散熱效率。

電氣特性

• 電源功耗：當(dāng)所有通道都處于活動狀態(tài)時，器件功耗小于330mW；關(guān)斷功率小于0.7mW。
• 輸入輸出特性：包括閾值電壓、輸入電流、回波損耗、差分串?dāng)_、交流均衡增益等參數(shù)，這些參數(shù)決定了器件的信號處理能力和傳輸性能。

  時序要求

• 電源上電時間：當(dāng)Vcc為2.5V時，內(nèi)部電源正常狀態(tài)信號被置為高電平的時間小于5μs。
• 電源斜坡要求：Vcc電源斜坡要求為0.1ms至50ms。

  開關(guān)特性

• 差分傳播延遲：小于150ps。
• 器件激活時間：從EN置為有效到器件激活并執(zhí)行Rx的時間小于8ms。
• 發(fā)送器上升/下降時間：小于27ps。
• 發(fā)送器上升/下降失配：小于0.6ps。
• 發(fā)送器殘余確定性抖動：小于0.05UI。

這些規(guī)格參數(shù)是我們進(jìn)行電路設(shè)計和性能評估的重要依據(jù)。在實(shí)際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，確保器件的工作條件在規(guī)格參數(shù)范圍內(nèi)，以獲得最佳的性能。大家在設(shè)計過程中，有沒有遇到過因?yàn)橐?guī)格參數(shù)不匹配而導(dǎo)致的問題呢？又是如何解決的呢？

四、詳細(xì)說明

概述

當(dāng)信號在FR4布線等通道中傳輸時，會出現(xiàn)振幅衰減的問題，這可能導(dǎo)致PCIe 3.0接收器出現(xiàn)信號完整性問題。SN75LVPE3101通過放置在PCIe 3.0根復(fù)合體和終點(diǎn)之間，可以消除或最大限度減弱通道的衰減效應(yīng)，最終在終點(diǎn)的接收器上產(chǎn)生一個與PCIe 3.0兼容的眼圖。

功能方框圖

通過功能方框圖，我們可以清晰地了解器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號處理流程。它包括高速接收器接口、線性均衡器、發(fā)送器接口等部分，每個部分都協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)信號的補(bǔ)償和傳輸。

特性說明

4電平控制輸入

SN75LVPE3101具有4電平輸入引腳（MODE、CH1_EQ1、CH1_EQ2、CH2_EQ1和CH2_EQ2），用于控制均衡增益和輸出電壓擺幅動態(tài)范圍。這些引腳通過電阻分壓器設(shè)置四個有效電平，為用戶提供更廣泛的控制設(shè)置。在使用時，需要注意在EN引腳的上升沿對4電平引腳的狀態(tài)進(jìn)行采樣后，器件會禁用4電平輸入的內(nèi)部上拉和下拉電阻。

線性均衡

線性均衡是SN75LVPE3101的核心特性之一。借助線性均衡器，器件可以在電氣上縮短特定通道，從而延長有效長度。每個通道的接收器均衡級別由CHx_EQ1和CHx_EQ2引腳的狀態(tài)決定，用戶可以根據(jù)通道損耗的情況選擇合適的均衡設(shè)置。

運(yùn)行PCIe/SATA/SATA Express轉(zhuǎn)接驅(qū)動器

在PCI Express、SATA或SATA Express應(yīng)用中，當(dāng)在TX1和TX2上均檢測到遠(yuǎn)端終端時，SN75LVPE3101會啟用兩條通道（上行和下行）接收器和發(fā)送器路徑。為了在系統(tǒng)S3/S4/S5狀態(tài)期間節(jié)省功耗，建議將EN引腳置為無效。

器件功能模式

關(guān)斷模式

當(dāng)EN引腳為低電平并且VCC激活且穩(wěn)定時，器件進(jìn)入關(guān)斷模式，此時接收器終端被禁用，功耗最低。

斷開模式

除關(guān)斷模式外，斷開模式是下一個最低功耗狀態(tài)。器件退出關(guān)斷模式時進(jìn)入斷開模式，會定期檢查TX1和TX2上的遠(yuǎn)端接收器終端，檢測到后轉(zhuǎn)換到運(yùn)行模式。

運(yùn)行模式

運(yùn)行模式是最高功耗狀態(tài)，只要接收到高速流量，器件就會保持在運(yùn)行模式。僅當(dāng)在RX1和RX2上檢測到電氣空閑時，器件才會退出運(yùn)行模式。

五、應(yīng)用和實(shí)施

應(yīng)用信息

SN75LVPE3101主要用于補(bǔ)償因?yàn)椴季€和電纜等無源介質(zhì)導(dǎo)致的衰減而引起的ISI抖動。它具有兩個獨(dú)立通道，可以通過16種不同的均衡選項(xiàng)來校正上行和下行方向的ISI，使系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

典型SATA、PCIe和SATA Express應(yīng)用

設(shè)計要求

在設(shè)計示例中，需要使用特定的參數(shù)，如VCC電源為3.3V，需要PCle支持、SATA Express支持和SATA支持等。同時，還需要選擇合適的交流耦合電容器和鐵氧體磁珠。

詳細(xì)設(shè)計過程

在設(shè)計過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 交流耦合電容：SATA器件的交流耦合電容范圍與SATA Express和PCI Express不同，需要采取措施解決SN75LVPE3101檢測SATA器件接收器終端的問題，如放置鐵氧體磁珠和49.9Ω電阻器。
• 功耗控制：為了在系統(tǒng)S3/S4/S5狀態(tài)下節(jié)省功耗，建議控制EN引腳。
• 通道損耗補(bǔ)償：根據(jù)通道的插入損耗，配置CH1_EQ[2:1]和CH2_EQ[2:1]引腳，使SN75LVPE3101的均衡設(shè)置與通道損耗匹配。

  應(yīng)用曲線

  通過PCIe第1代和第3代TX眼圖，可以直觀地了解器件在不同應(yīng)用場景下的性能表現(xiàn)。

  電源相關(guān)建議

  為了保證器件的穩(wěn)定運(yùn)行，建議在每個VCC引腳附近放置一個100nF去耦電容器，并在靠近SN75LVPE3101的VCC平面上至少使用一個至少10μF的大容量電容器。

  布局

  布局指南

  在進(jìn)行電路板布局時，需要遵循一些原則，如使用受控差分阻抗布線、遠(yuǎn)離其他高速信號、保持對內(nèi)布線長度匹配、減少彎曲和過孔的使用等。這些原則有助于提高信號的完整性和減少電磁干擾。

  布局示例

  通過示例布局，我們可以看到如何合理地安排器件和布線，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。

六、器件和文檔支持

接收文檔更新通知

要接收文檔更新通知，可導(dǎo)航至ti.com上的器件產(chǎn)品文件夾，點(diǎn)擊通知進(jìn)行注冊，即可每周接收產(chǎn)品信息更改摘要。

支持資源

TI E2E?中文支持論壇是工程師獲取快速、經(jīng)過驗(yàn)證的解答和設(shè)計幫助的重要資源。

商標(biāo)

TI E2E?是德州儀器的商標(biāo)，所有商標(biāo)均為其各自所有者的財產(chǎn)。

靜電放電警告

靜電放電會損壞集成電路，因此在處理和安裝過程中需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

術(shù)語表

TI術(shù)語表列出并解釋了術(shù)語、首字母縮略詞和定義，有助于我們更好地理解文檔和技術(shù)資料。

七、修訂歷史記錄和機(jī)械、封裝信息

了解修訂歷史記錄可以讓我們知道文檔的更新情況。同時，機(jī)械、封裝和可訂購信息為我們選擇合適的封裝和訂購器件提供了參考。

總之，SN75LVPE3101是一款功能強(qiáng)大的雙通道PCI Express 3.0線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過深入了解其特性、規(guī)格和應(yīng)用方法，我們可以更好地利用這款器件進(jìn)行電子設(shè)計，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，大家還可以根據(jù)具體需求進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，讓我們的設(shè)計更加完美。你在使用類似器件時，有沒有什么獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)或技巧呢？歡迎在評論區(qū)分享。