深度剖析:自適應均衡器係統電子電路
發布時間:2015-07-23 責任編輯:sherry
【導讀】在設計初期就注重幹擾抑製和工作可靠性要比以後再增加其它措施更具經濟性。在自適應電纜均jun衡heng器qi的de設she計ji早zao期qi采cai用yong了le這zhe些xie設she計ji建jian議yi,就jiu可ke以yi提ti高gao係xi統tong的de性xing能neng,無wu需xu今jin後hou重zhong新xin設she計ji以yi解jie決jue幹gan擾rao與yu性xing能neng的de問wen題ti。使shi用yong哪na些xie簡jian單dan技ji術shu,可ke以yi將jiang幹gan擾rao降jiang低di到dao最zui低di程cheng度du,提ti高gao自zi適shi應ying電dian纜lan均jun衡heng器qi的de性xing能neng。
自適應電纜均衡器是串行數字視頻(SDV)廣guang播bo和he串chuan行xing電dian信xin設she備bei接jie收shou器qi前qian端duan的de基ji本ben組zu成cheng部bu分fen,它ta們men還hai可ke以yi用yong於yu其qi它ta類lei型xing的de有you線xian通tong信xin係xi統tong。均jun衡heng器qi直zhi接jie與yu傳chuan輸shu線xian接jie口kou,恢hui複fu由you電dian纜lan造zao成cheng信xin號hao幅fu度du及ji帶dai寬kuan的de損sun耗hao。由you於yu均jun衡heng器qi直zhi接jie連lian接jie到dao電dian纜lan,因yin此ci它ta很hen容rong易yi受shouESD、EMI/RFI和he器qi件jian所suo產chan生sheng的de噪zao聲sheng影ying響xiang,均jun衡heng器qi的de工gong作zuo特te性xing也ye傾qing向xiang於yu增zeng大da設she計ji中zhong噪zao聲sheng的de影ying響xiang。一yi個ge采cai用yong抗kang幹gan擾rao自zi適shi應ying電dian纜lan均jun衡heng器qi的de魯lu棒bang係xi統tong也ye必bi須xu保bao持chi均jun衡heng器qi的de一yi些xie良liang好hao工gong作zuo特te性xing,如ru寬kuan輸shu入ru動dong態tai範fan圍wei、寬信號帶寬、低殘留輸出噪聲、高輸入回波損耗,以及最大均衡電纜長度等。

ESD、EMI/RFI和器件產生的噪聲是有線通信係統中的三大主要幹擾模式:ESD可以毀壞或摧毀電路內外的有源及無源器件;EMI/RFI會影響係統的信號處理,嚴重時會造成係統基本功能的失效;器件產生的噪聲可以影響電路的工作,降低其性能,亦可導致係統失效。
自適應均衡器設計的技術挑戰
要(yao)設(she)計(ji)一(yi)個(ge)能(neng)應(ying)對(dui)以(yi)上(shang)幹(gan)擾(rao)的(de)魯(lu)棒(bang)係(xi)統(tong)是(shi)一(yi)個(ge)不(bu)小(xiao)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。自(zi)適(shi)應(ying)電(dian)纜(lan)均(jun)衡(heng)器(qi)並(bing)非(fei)簡(jian)單(dan)的(de)數(shu)字(zi)器(qi)件(jian),這(zhe)是(shi)設(she)計(ji)者(zhe)都(dou)必(bi)須(xu)仔(zai)細(xi)考(kao)慮(lv)的(de)基(ji)本(ben)事(shi)實(shi)。美(mei)國(guo)國(guo)家(jia)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)CLC014、CLC012和最新的CLC034自適應均衡器是高性能的模擬器件,它們是高增益、高帶寬、模擬、射頻、AGC放大器濾波器。在正確集成情況下,它們能與其它所有係統元件(包括機箱、無源元件和PCB等)共同抵禦內、外(wai)部(bu)的(de)幹(gan)擾(rao)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia),當(dang)電(dian)纜(lan)長(chang)度(du)為(wei)最(zui)大(da)時(shi),均(jun)衡(heng)器(qi)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)為(wei)最(zui)小(xiao)。所(suo)以(yi),均(jun)衡(heng)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi)與(yu)帶(dai)寬(kuan)要(yao)在(zai)最(zui)大(da)值(zhi)。但(dan)當(dang)輸(shu)入(ru)端(duan)未(wei)連(lian)接(jie),沒(mei)有(you)外(wai)接(jie)信(xin)號(hao)時(shi),增(zeng)益(yi)與(yu)帶(dai)寬(kuan)也(ye)是(shi)最(zui)大(da)。在(zai)最(zui)大(da)增(zeng)益(yi)情(qing)況(kuang)下(xia),即(ji)使(shi)少(shao)量(liang)的(de)有(you)害(hai)EMI或傳導幹擾都會被大大地放大,影響均衡器的正常工作。好的PCB設計可以阻止幹擾,避免一些常見的均衡器應用故障,如:無法在給定數據速率下均衡最大電纜長度;電纜長度小於最大值出現數據錯誤;當輸入端開路時有虛假的或隨機輸出數據;信號檢測錯誤指示。
這些故障是由以下原因引起的:源於係統機箱內部或PCB上的EMI輻射;邏輯器件或電源通過輸入網絡的元器件安裝管腳耦合到輸入端的噪聲;其它附近電路對輸入端及/或自適應均衡器電路(AEC)的串擾;均衡器輸入、輸出電路的耦合。ESD事shi件jian會hui嚴yan重zhong損sun壞huai半ban導dao體ti器qi件jian,特te別bie是shi當dang這zhe些xie器qi件jian沒mei有you導dao電dian包bao裝zhuang材cai料liao保bao護hu時shi,更geng容rong易yi遭zao受shou損sun害hai,即ji使shi半ban導dao體ti器qi件jian安an裝zhuang在zai電dian路lu上shang也ye會hui被bei損sun壞huai。用yong於yu直zhi接jie電dian纜lan接jie口kou的de器qi件jian,如ru線xian路lu驅qu動dong器qi和he電dian纜lan均jun衡heng器qi等deng都dou按an照zhao最zui大daESD額定電壓而設計。即便如此,隻依賴於半導體器件本身來提供所有ESD防護,而無視其額定 ESD防護值的高低,仍是不明智的做法。均衡器輸入電路有通過終結電阻接地的低阻抗路徑優點,提高了對ESD的耐受能力。輸入電路中使用的元器件都應當有足夠的ESD抵禦能力,以應對設計中的最大ESD事件。通過適當的選擇與設計,所有的電路元器件(包括機箱、連接器和PCB等)均可以實現均衡器和其它接口器件的ESD防護。
提高性能的設計方法
以下這些設計措施可以抵禦電子幹擾,提高均衡器整體工作性能:1. 將均衡器輸入網絡及AEC電路與外部、卡上的高電平信號隔離或屏蔽開;2. 采用耐用的輸入電路元器件,抑製ESD事件;3. 采用多層PCB,用獨立的傳輸線和電源-地層,實現隔離、屏蔽和ESD防護;4. 在電源、地層間采用薄的電介質(6mil以下),以提高層間電容和高頻衰減;5. 旁路電容、終結電阻、集電極負載電阻以及VCC和VEE管腳焊盤與層麵連接時采用兩個過孔;6. 不要將多根VCC和VEE管腳連接到一個過孔,因為這可能引起器件中的噪聲

圖1所示是推薦的CLC014均衡器電路,圖2是相應的PCB布局。在PCB板上,采用了一些將均衡器電路與有害信號幹擾隔離開來的措施。在輸入網絡和AEC電容下方的電源層去除了銅箔,消除了電源層噪聲向輸入電路和AEC電路耦合的路徑。所有層都除去了部分銅箔(深色陰影線),以(yi)隔(ge)離(li)均(jun)衡(heng)器(qi)的(de)電(dian)路(lu)。這(zhe)些(xie)隔(ge)離(li)帶(dai)可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)鄰(lin)近(jin)電(dian)路(lu)通(tong)過(guo)中(zhong)間(jian)層(ceng)與(yu)均(jun)衡(heng)器(qi)電(dian)路(lu)的(de)直(zhi)接(jie)接(jie)觸(chu)。這(zhe)樣(yang),幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)要(yao)接(jie)近(jin)輸(shu)入(ru)電(dian)路(lu)就(jiu)必(bi)須(xu)沿(yan)隔(ge)離(li)帶(dai)走(zou)一(yi)個(ge)較(jiao)長(chang)的(de)路(lu)徑(jing)。
這樣的做法增加了低通濾波效果,提高了對有害信號的衰減能力。用於提供信號環路(loop-back)功gong能neng的de電dian纜lan驅qu動dong器qi經jing常chang毗pi鄰lin均jun衡heng器qi放fang置zhi。電dian纜lan驅qu動dong器qi的de輸shu出chu信xin號hao要yao比bi均jun衡heng器qi接jie收shou到dao的de信xin號hao強qiang很hen多duo,隔ge離li帶dai有you助zhu於yu隔ge離li電dian纜lan驅qu動dong器qi信xin號hao,降jiang低di對dui均jun衡heng器qi輸shu入ru信xin號hao的de幹gan擾rao。在zai輸shu入ru電dian路lu周zhou圍wei是shi一yi個ge良liang好hao接jie地di的de保bao護hu(屏蔽)環,用於降低拾取到的RFI,如圖2a所示。也可以用PCB外層的覆銅代替保護環,如圖2b。覆銅必須以約1cm的間距連接所有的地層,以形成一個有效的屏蔽。均衡器差分輸入放大器的共模抑製以及對稱的輸入元件布局也可以增強RFI抑製能力。RFI在同時被兩個輸入端接收時是一種共模信號。具有平衡終結阻抗的對稱輸入電路布局可使RFI信號平均地到達兩個輸入端,這樣輸入差分放大器的共模抑製功能可以消除大部分幹擾信號。
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