探索DS160PR822：高性能PCIe 4.0線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，PCIe 4.0技術(shù)正逐漸成為主流，為滿足其對信號傳輸質(zhì)量和距離的要求，德州儀器（TI）推出了DS160PR822八通道低功耗高性能線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器。本文將深入剖析DS160PR822的特性、規(guī)格、工作模式及應(yīng)用場景，為電子工程師在設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)時提供全面的參考。

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1. 特性與概述

DS160PR822專為支持速率高達(dá)16Gbps的PCIe 4.0和Ultra Path Interface (UPI) 2.0而設(shè)計，是一款與協(xié)議無關(guān)的線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器。它具有以下顯著特性：

• 多通道支持：八通道線性均衡器，可支持高達(dá)16Gbps的PCIe 4.0，同時提供四個2x2交叉點多路復(fù)用器功能。
• 協(xié)議兼容性：支持多種高速接口，如UPI、DisplayPort、SAS、SATA、XFI等。
• 均衡功能：配備連續(xù)時間線性均衡器（CTLE），可處理高達(dá)42dB的PCIe 4.0通道損耗，在8GHz下可提供最高18dB的增益。
• 低延遲：僅90ps的超低延遲，確保信號的快速傳輸。
• 低功耗：每通道有功功率僅107mW，無需散熱器。
• 靈活配置：支持引腳搭接、SMBus/I2C或EEPROM編程，可根據(jù)不同應(yīng)用場景進行靈活配置。

2. 規(guī)格參數(shù)

2.1 絕對最大額定值

DS160PR822在不同電壓和溫度條件下有明確的絕對最大額定值，如電源電壓（VCC）范圍為 -0.5V至4.0V，不同類型的I/O電壓也有相應(yīng)的限制，以確保器件的安全運行。

2.2 ESD額定值

該器件具有良好的靜電放電（ESD）防護能力，人體模型（HBM）可達(dá)+3000V，帶電設(shè)備模型（CDM）可達(dá)±500V。

2.3 推薦工作條件

在推薦工作條件下，電源電壓（VCC）為3.0V至3.6V，工作結(jié)溫范圍為 -40°C至115°C，環(huán)境溫度范圍為 -40°C至85°C，以保證器件的性能和穩(wěn)定性。

2.4 電氣特性

DS160PR822的電氣特性包括直流和高速電氣特性。在直流特性方面，每通道有功功率典型值為107mW，輸入輸出電壓、電流等參數(shù)也有明確的規(guī)定。在高速特性方面，輸入輸出的回波損耗、隔離度、抖動等指標(biāo)表現(xiàn)出色，如輸入差分回波損耗在50MHz至8.0GHz范圍內(nèi)可達(dá) -16dB至 -25dB，附加隨機抖動僅70fs。

3. 詳細(xì)描述

3.1 功能框圖

DS160PR822的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括信號通道、CTLE、輸出驅(qū)動器、交叉點多路復(fù)用器等部分，各部分協(xié)同工作，實現(xiàn)信號的均衡、放大和路由。

3.2 特性描述

3.2.1 線性均衡

DS160PR822的接收器采用CTLE，可通過EQ控制引腳設(shè)置不同的均衡增益，以補償無源通道的頻率相關(guān)插入損耗。在Pin Control模式下，可根據(jù)表7 - 1設(shè)置不同的EQ INDEX，獲得相應(yīng)的典型EQ增益。

3.2.2 平坦增益

GAIN1和GAIN0引腳可用于設(shè)置DS160PR822的整體數(shù)據(jù)路徑平坦增益（DC和AC），默認(rèn)推薦設(shè)置為GAIN1,0 = L3（浮動）。

3.2.3 接收器檢測狀態(tài)機

該器件部署了RX檢測狀態(tài)機，可根據(jù)PCI Express規(guī)范確定鏈路遠(yuǎn)端是否存在有效的PCI Express終端。RX_DET引腳為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了額外的靈活性，可根據(jù)表7 - 2設(shè)置不同的檢測狀態(tài)。

3.2.4 交叉點功能

DS160PR822提供四個2x2交叉點功能，通過SEL1和SEL0引腳可將8通道信號路徑配置為直通連接或交叉連接。

3.3 設(shè)備功能模式

3.3.1 活動PCIe模式

當(dāng)RX_DET = L1/L2/L3時，設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，PCle狀態(tài)機啟用，可對PCIe RX或TX信號進行重驅(qū)動和均衡，以提高信號完整性。

3.3.2 活動緩沖模式

當(dāng)RX_DET = L0時，PCle狀態(tài)機禁用，設(shè)備作為緩沖器工作，提供線性均衡以改善信號完整性，適用于非PCIe應(yīng)用場景。

3.3.3 待機模式

當(dāng)PD1,0 = H時，設(shè)備進入待機模式，以節(jié)省功耗。

3.4 編程

3.4.1 引腳模式

DS160PR822可通過引腳搭接進行完全配置，其中4級輸入引腳（EQ0_0, EQ1_0, EQ0_1, EQ1_1, GAIN0, GAIN1, MODE, and RX_DET）用于控制設(shè)備的配置，這些引腳在電源上電時采樣。

3.4.2 SMBUS/I2C寄存器控制接口

當(dāng)MODE = L2（SMBus / I2C從控制模式）時，可通過標(biāo)準(zhǔn)I2C或SMBus接口對DS160PR822進行配置，以實現(xiàn)最佳信號完整性。

3.4.3 SMBus/I2C主模式配置（EEPROM自加載）

當(dāng)MODE引腳設(shè)置為L1時，設(shè)備可從EEPROM讀取配置信息。在這種模式下，設(shè)備上電后，當(dāng)READ_EN_N引腳被拉低時，設(shè)備成為SMBus主設(shè)備，嘗試從外部EEPROM讀取設(shè)備設(shè)置。

4. 應(yīng)用與實現(xiàn)

4.1 應(yīng)用信息

DS160PR822是一款高速線性中繼器，可擴展因PCB和電纜等傳輸介質(zhì)損耗而受損的差分通道的傳輸距離，適用于多種不同的系統(tǒng)。

4.2 典型應(yīng)用

該器件可用于多種接口，包括PCI Express 1.0/2.0/3.0/4.0、Ultra Path Interconnect (UPI) 1.0/2.0、DisplayPort 2.0、SAS、SATA、XFI等。在PCI Express應(yīng)用中，其協(xié)議無關(guān)的特性使其可用于PCI Express x4、x8和x16應(yīng)用。

4.3 設(shè)計考慮

4.3.1 設(shè)計要求

在設(shè)計過程中，需要考慮以下關(guān)鍵因素：

• 使用85Ω阻抗跡線與PCIe CEM連接器接口，并對差分對的P和N跡線進行長度匹配。
• 差分對采用均勻的跡線寬度和間距。
• 在每個通道段的接收器端附近放置交流耦合電容器，以減少反射。
• 對連接器過孔和信號過孔進行背鉆，以最小化殘樁長度。
• 使用參考平面過孔，確?；亓麟娏鞯牡碗姼新窂?。

4.3.2 詳細(xì)設(shè)計過程

在PCIe Gen 4.0和Gen 3.0應(yīng)用中，需要進行Rx - Tx鏈路訓(xùn)練，以建立和優(yōu)化信號調(diào)理設(shè)置。DS160PR822的線性數(shù)據(jù)路徑可將Tx預(yù)設(shè)信號傳遞到Rx，以訓(xùn)練和優(yōu)化均衡設(shè)置，幫助擴展PCB跡線的傳輸距離。

4.3.3 應(yīng)用曲線

DS160PR822可將PCIe鏈路的總通道損耗從原來的28dB提高到42dB（8GHz）。通過合理設(shè)置CTLE和TX均衡，可補償通道損耗，打開眼圖，提高信號質(zhì)量。

5. 電源供應(yīng)與布局建議

5.1 電源供應(yīng)建議

設(shè)計電源時，應(yīng)確保提供符合推薦工作條件的直流電壓、交流噪聲和啟動斜坡時間。DS160PR822不需要特殊的電源濾波，僅需標(biāo)準(zhǔn)的電源去耦，包括每個VCC引腳的0.1μF電容器、每個設(shè)備的1.0μF大容量電容器和每個電源總線的10μF大容量電容器。

5.2 布局指南

在布局設(shè)計中，應(yīng)遵循以下原則：

• 去耦電容器應(yīng)盡可能靠近VCC引腳放置。
• 高速差分信號TXnP/TXnN和RXnP/RXnN應(yīng)緊密耦合、偏斜匹配和阻抗控制。
• 盡量避免在高速差分信號上使用過孔，如需使用，應(yīng)盡量減小過孔殘樁。
• 可在高速差分信號焊盤下方使用GND relief，以改善信號完整性。
• 在設(shè)備下方直接放置GND過孔，以提高設(shè)備與電路板之間的熱導(dǎo)率。

6. 總結(jié)

DS160PR822是一款功能強大的PCIe 4.0線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，具有多通道支持、高性能均衡、低延遲、低功耗等優(yōu)點。通過靈活的配置方式和豐富的功能特性，它可廣泛應(yīng)用于各種高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。在設(shè)計過程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用場景，合理選擇配置方式和優(yōu)化布局，以充分發(fā)揮DS160PR822的性能優(yōu)勢。同時，需要注意遵循TI提供的設(shè)計指南和規(guī)格要求，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用DS160PR822或類似器件的過程中，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。