高速數(shù)據(jù)傳輸利器:DS250DF810八通道多速率重定時(shí)器的深度解析
在當(dāng)今高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)代,信號(hào)的完整性和可靠性至關(guān)重要。德州儀器(TI)的DS250DF810作為一款具有集成信號(hào)調(diào)節(jié)功能的八通道多速率重定時(shí)器,為解決長距離高速串行鏈路中的信號(hào)衰減、串?dāng)_和抖動(dòng)等問題提供了強(qiáng)大的解決方案。本文將對(duì)DS250DF810進(jìn)行全面的剖析,包括其特性、應(yīng)用、工作原理、寄存器配置以及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)等方面,幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用這款器件。
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一、DS250DF810特性亮點(diǎn)
1. 多速率支持與獨(dú)立鎖定
DS250DF810的每個(gè)通道都能獨(dú)立鎖定在20.2752至25.8Gbps的連續(xù)范圍內(nèi),同時(shí)支持10.3125Gbps、12.5Gbps等子速率。這種廣泛的速率支持使得該器件能夠適應(yīng)多種不同的高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn),如IEEE802.3bj 100GbE、Infiniband EDR和OIF CEI - 25G - LR/MR/SR/VSR等電氣接口,為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了極大的靈活性。
2. 超低延遲與低功耗設(shè)計(jì)
在25.78125Gbps的數(shù)據(jù)速率下,DS250DF810的典型延遲小于500ps,能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸對(duì)低延遲的嚴(yán)格要求。同時(shí),該器件采用單電源供電,無需低抖動(dòng)參考時(shí)鐘,并集成了交流耦合電容,不僅降低了電路板布線的復(fù)雜程度,還節(jié)省了物料清單(BOM)成本。此外,通過合理配置不同的工作模式,如部分功能的啟用或禁用,可以有效降低功耗,提高系統(tǒng)的能效。
3. 集成均衡與信號(hào)調(diào)節(jié)功能
器件集成了自適應(yīng)連續(xù)時(shí)間線性均衡器(CTLE)、自適應(yīng)判決反饋均衡器(DFE)以及帶有3抽頭有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器的低抖動(dòng)發(fā)射器。CTLE和DFE能夠自適應(yīng)地補(bǔ)償信號(hào)在傳輸過程中的損耗和失真,而FIR濾波器則可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù) - 失真處理,以進(jìn)一步提高信號(hào)的質(zhì)量。這種組合式的均衡技術(shù)使得DS250DF810能夠在高達(dá)35dB的通道損耗下仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸,確保了信號(hào)的可靠性和完整性。
4. 交叉點(diǎn)開關(guān)與診斷功能
DS250DF810在每兩組相鄰的通道之間集成了2×2交叉點(diǎn)開關(guān),可實(shí)現(xiàn)通道的交叉和扇出功能,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性和冗余性。此外,器件還配備了非破壞性片上眼圖張開度監(jiān)視器(EOM)和PRBS模式校驗(yàn)器/發(fā)生器,可用于系統(tǒng)內(nèi)的診斷和測(cè)試,幫助工程師快速定位和解決信號(hào)傳輸過程中出現(xiàn)的問題。
二、主要應(yīng)用場(chǎng)景
1. 背板/中板長度延長
在數(shù)據(jù)中心、通信設(shè)備等大型系統(tǒng)中,背板和中板的信號(hào)傳輸距離較長,容易出現(xiàn)信號(hào)衰減和串?dāng)_等問題。DS250DF810憑借其強(qiáng)大的均衡和重定時(shí)功能,能夠有效延長背板和中板上高速串行鏈路的傳輸距離,提高信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性,確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
2. 前端口光學(xué)模塊抖動(dòng)消除
在光學(xué)通信系統(tǒng)中,前端口光學(xué)模塊的信號(hào)抖動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)的性能和可靠性。DS250DF810可以對(duì)輸入的高速串行數(shù)據(jù)進(jìn)行重定時(shí)和抖動(dòng)消除處理,為后續(xù)的光學(xué)模塊提供干凈、穩(wěn)定的信號(hào),從而提高整個(gè)光學(xué)通信系統(tǒng)的性能。
三、工作原理與關(guān)鍵模塊
1. 數(shù)據(jù)路徑關(guān)鍵模塊
DS250DF810的數(shù)據(jù)路徑主要由AC - 耦合接收器、信號(hào)檢測(cè)電路、CTLE、可變?cè)鲆娣糯笃?/u>(VGA)、交叉點(diǎn)開關(guān)、DFE、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)、校準(zhǔn)時(shí)鐘以及帶有FIR濾波器的差分驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵模塊組成。
AC - 耦合接收器和發(fā)射器集成了220nF的交流耦合電容,確保了信號(hào)的共模電壓兼容性,并消除了系統(tǒng)PCB上對(duì)交流耦合電容的需求。信號(hào)檢測(cè)電路能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)的能量水平,根據(jù)信號(hào)的有無自動(dòng)開啟或關(guān)閉高速數(shù)據(jù)路徑的其余部分,從而實(shí)現(xiàn)功耗的優(yōu)化。
2. 自適應(yīng)均衡器
CTLE是一個(gè)完全自適應(yīng)的均衡器,它在鎖相過程中根據(jù)水平眼圖張開度(HEO)和垂直眼圖張開度(VEO)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。CTLE由4個(gè)階段組成,每個(gè)階段具有2位的增益控制,提供了256種不同的增益組合。在CDR鎖定且CTLE自適應(yīng)完成后,其增益水平將保持不變,直到收到手動(dòng)重新自適應(yīng)命令或CDR重新進(jìn)入鎖相狀態(tài)。
DFE是一個(gè)5抽頭的均衡器,可以手動(dòng)啟用并配置為僅在鎖相過程中自適應(yīng)或連續(xù)自適應(yīng)。通過調(diào)整DFE的抽頭極性和權(quán)重,可以有效減少串?dāng)_、反射和符號(hào)間干擾(ISI)的影響,提高信號(hào)的質(zhì)量。
3. 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)
CDR模塊由鎖相環(huán)(PLL)、PPM計(jì)數(shù)器以及輸入和輸出數(shù)據(jù)復(fù)用器組成,能夠從輸入數(shù)據(jù)中恢復(fù)出干凈的時(shí)鐘信號(hào),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重定時(shí)。CDR的帶寬可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,默認(rèn)情況下,在全速率模式下為5.5MHz(典型值),在子速率模式下為5.3MHz(典型值)。
CDR需要一個(gè)25MHz的校準(zhǔn)時(shí)鐘來運(yùn)行PPM計(jì)數(shù)器,該時(shí)鐘不用于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù),因此對(duì)其抖動(dòng)要求不高。通過編程設(shè)置CDR的數(shù)據(jù)速率,可以使其適應(yīng)不同的輸入數(shù)據(jù)速率。
4. 差分驅(qū)動(dòng)器與FIR濾波器
DS250DF810的輸出驅(qū)動(dòng)器配備了一個(gè)3抽頭的FIR濾波器,可實(shí)現(xiàn)前 - 光標(biāo)和后 - 光標(biāo)均衡,以補(bǔ)償輸出通道的頻率相關(guān)損耗。FIR濾波器的系數(shù)可以通過寄存器進(jìn)行配置,用戶在配置時(shí)需要遵循一定的規(guī)則,如系數(shù)絕對(duì)值之和不超過31,以及前 - 光標(biāo)和后 - 光標(biāo)的符號(hào)與主光標(biāo)的符號(hào)關(guān)系等,以實(shí)現(xiàn)不同的濾波效果。
通過調(diào)整FIR濾波器的主光標(biāo)系數(shù),可以控制輸出驅(qū)動(dòng)器的差分電壓幅值(VOD),同時(shí)結(jié)合前 - 光標(biāo)和后 - 光標(biāo)系數(shù)的調(diào)整,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的進(jìn)一步均衡和優(yōu)化。
四、寄存器配置與編程
1. 寄存器類型與功能
DS250DF810具有三種類型的寄存器:全局寄存器、共享寄存器和通道寄存器。全局寄存器主要用于選擇通道寄存器或共享寄存器,以及讀取設(shè)備的ID和版本信息;共享寄存器用于設(shè)備級(jí)的配置、狀態(tài)讀取和控制;通道寄存器則用于控制和配置每個(gè)獨(dú)立通道的特定功能,所有通道的通道寄存器集相同且可以獨(dú)立配置。
2. 寄存器編程注意事項(xiàng)
在對(duì)寄存器進(jìn)行編程時(shí),由于許多寄存器被劃分為位字段,因此在修改部分位字段時(shí),需要先讀取寄存器的當(dāng)前值,修改所需的位后再寫回寄存器。部分寄存器位具有特定的接口約束,如只讀(R)、讀寫(RW)或讀寫自清除(RWSC)等,在編程時(shí)需要注意遵循這些約束。
五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
1. 電源設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)電源時(shí),需要確保電源能夠提供符合推薦工作條件的直流電壓、交流噪聲和啟動(dòng)斜坡時(shí)間??梢愿鶕?jù)文檔中提供的最大電流值來選擇合適的電源調(diào)節(jié)器,并進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫礊V波和去耦處理,以滿足器件的電源需求。
2. 布局設(shè)計(jì)
布局設(shè)計(jì)對(duì)于器件的性能至關(guān)重要。去耦電容應(yīng)盡可能靠近VDD引腳放置,以減少電源噪聲的影響。高速差分信號(hào)TXnP/TXnN和RXnP/RXnN應(yīng)緊密耦合、 skew匹配和阻抗控制,并盡量避免使用過孔。如果必須使用過孔,應(yīng)采取措施最小化過孔 stub,以提高信號(hào)的完整性。
此外,還應(yīng)在高速差分信號(hào)焊盤下方使用GND relief,以抵消焊盤電容,提高信號(hào)質(zhì)量。同時(shí),在器件下方放置GND過孔,將器件連接的GND平面與其他層的GND平面相連,有助于提高器件的散熱性能。
3. 時(shí)鐘設(shè)計(jì)
DS250DF810需要一個(gè)25MHz(±100 ppm)的單端CMOS時(shí)鐘作為校準(zhǔn)時(shí)鐘。該時(shí)鐘可以通過多個(gè)器件的CAL_CLK_IN和CAL_CLK_OUT引腳進(jìn)行菊花鏈連接,以避免使用多個(gè)振蕩器。在設(shè)計(jì)時(shí)鐘輸入電路時(shí),如果振蕩器的輸出為2.5V CMOS,則無需使用交流耦合電容或電阻梯。
六、總結(jié)
DS250DF810作為一款功能強(qiáng)大的八通道多速率重定時(shí)器,在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其多速率支持、超低延遲、集成均衡和信號(hào)調(diào)節(jié)功能以及豐富的診斷功能,使其成為解決長距離高速串行鏈路信號(hào)傳輸問題的理想選擇。通過合理的寄存器配置和精心的設(shè)計(jì)布局,工程師可以充分發(fā)揮DS250DF810的性能優(yōu)勢(shì),為高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供可靠的保障。
在實(shí)際應(yīng)用中,電子工程師還需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求和設(shè)計(jì)要求,對(duì)DS250DF810進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整。同時(shí),要密切關(guān)注器件的性能指標(biāo)和工作狀態(tài),及時(shí)解決可能出現(xiàn)的問題,以確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。希望本文能夠?yàn)殡娮庸こ處熢谑褂肈S250DF810進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考和指導(dǎo)。
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