高速的信息传输一直是顶尖技术设计人员持续追求的目标。 无论所需数据量的多寡,快速的反应都能带来诸多的优势,这也是高速数据标准机构多年致力推动提高数据传输速率的因素之一。 个人计算机、笔记本电脑、平板计算机、虚拟现实装置、高画质电视机、蓝光播放器、硬盘驱动器、车载信息娱乐系统和数据中心服务器等产品,都包含一个或数千兆位数据和高分辨率影片界面,如 USB、USB Type-C、 DisplayPort 或高画质多媒体接口(HDMI)。

清除插入损耗 / 系统抖动 讯号调节器妙用多
USB Type-C 可让多种规格用于 USB Type-C 接口上;USB Type-C 可支持 USB 2.0、USB 3.0 和高达 10Gbps 的 USB 3.1 Gen 2。 它也可以运用 USB Type-C 接口作为替代模式传递 DisplayPort 和 HDMI。

目前,USB Type-C 可支持高达 8.1Gbps 的 DisplayPort 1.4 和高达 3.4Gbps 的 HDMI 1.4b。

典型的高速传输系统包括传送器和接收器,以及传输信息的走线、连接器和电缆。 保持讯号在传输介质上的完整性并防止讯号失真非常重要,同时也相当具有挑战性。 传输介质会造成插入式耗损,导致讯号功率损耗。 电缆或走线越长,数据速率越高,造成的损失越多,进而也会导致接收器讯号恶化和高误码率。

例如,图 1 显示了 1 公尺到 5 公尺电缆上的 USB 3.1 10Gbps 讯号插入耗损。 如图所见,耗损与电缆长度成正比。 印刷电路板(PCB)走线也存在类似的插入耗损。
 

图 1 10Gbps 讯号的 USB Type-C 电缆耗损概况


图 2 所示为 4-mil FR-4 PCB 走线长度的 USB Type-C 和 DisplayPort 讯号耗损。 采用 10 英寸 PCB 走线时,5Gbps 的 USB 3.0 将损失 5dB;8.1Gbps 的 DisplayPort 1.4 将损失 7.3dB;而 USB 3.1 Gen 2 将会损失 8.7dB。

 

图 2 4-mil-wide FR-4 PCB 走线的 USB Type-C USB / DisplayPort 插入耗损概况


PCB 走线和电缆的系统插入耗损的累积可能会导致讯号不符合 USB、DisplayPort 或 HDMI 规范,与其它设备产生互操作性问题。

在 USB 系统中,为满足电气合规性要求,往往需要预留损失量。 在 USB 3.0 5Gbps 合规环境中,所容许的所有端到端信道耗损约为 20dB。 USB 3.1 Gen 2 10Gbps 合规性环境允许的所有端到端信道耗损为 -23dB。

在 USB Type-C 生态系统中,由于连接器的可翻转性和双角色数据,USB 主机和设备是可互换的;因此可将耗损预算均匀分配给主机和设备。

在 USB 3.0 中,主机和设备的允许信道耗损为 -6.5dB,电缆的允许耗损为 -7dB。 在 USB 3.1 Gen 2 系统中,主机和设备的允许耗损均为 -8.5dB,电缆的允许耗损为 -6dB,可以满足 USB 认证要求。

如果 PCB 走线或电缆很长,会导致 USB 信道耗损超过主机、设备或电缆的分配耗损预算,在数据路径中使用讯号调节器可降低信道插入耗损。

讯号调节器可以清除插入耗损或其它因素引起的系统抖动。 有两种类型的系统抖动,分别为确定性抖动和随机抖动。 信道插入耗损是一种确定性抖动,会产生符号间干扰(ISI),可以透过转接驱动器消除;而随机抖动通常是由热噪声引起,可以透过重定时器消除。

转接驱动器使用均衡技术来补偿信道耗损的高频组件,实现均衡的输出频率响应。 预加重和去加重是经常一起使用的技术。 预加重(也称为前激)在传输之前提升高频讯号。

去加重减少了低频讯号,而预加重和去加重都可以实现相同的频率均衡结果。 由于大部分抖动来自信道的插入耗损,转接驱动器是对于补偿 ISI 抖动和满足标准规格要求,最简单和效益最高的解决方案。

避免信道失真 线性转接驱动器扮要角
读者可将线性转接驱动器视为一个走线缩短器。 它为信道增加相关频率,在补偿插入耗损的同时不会造成任何信道失真。 从电气角度来看,它可以让较长的走线具备与较短走线的同等性能。

图 3 所示为 28 英吋走线和 12 英吋走线的插入耗损。 在 28 英吋走线的末端安装线性转接驱动器,可减少信道插入耗损,信道输出结果相当于缩短了 16 英吋的 PCB 走线。

 

 

 

图 3 线性转接驱动器的优势


只要输入讯号位于线性转接驱动器规定的线性范围内,输入讯号将在保持原始讯号固有的预加重和去加重的条件下直接地输出。

与限制转接驱动器相比,线性转接驱动器有几个明显的优势。 线性转接驱动器保留讯号来源的去加重和预加重,这样便可以在接收端真实地反应原始来源讯号。

即使限制转接驱动器可能产生去加重,也不会产生预加重,这是 10Gbps USB 3.1 Gen 2 的规范性要求之一。 因此,限制转接驱动器可能会导致信道失真。

线性转接驱动器在 DisplayPort 生态系统中具有很大的优势。 它保留了源代码的能力,因此对 DisplayPort 链路训练而言是很清楚的。

为使用线性转接驱动器获得最佳的信道质量,设计人员需要在来源和分支之间建立链路训练。 虽然限制转接驱动器会因产生的信道失真,而中断 DisplayPort 电气连接,但是在限制转接驱动器与来源或接收器之间建立链路训练后,会导致信道质量下降,并在信道中的造成较高的误码率。

由于信道透明清楚的特性,线性转接驱动器还可以让有效的决策回授均衡器(DFE)在接收器中获得更好的系统性能。 线性转接驱动器之前的不连续性对于接收器是显而易见的,并且可以透过 DFE 回路进行补偿,但使用限制转接驱动器,信息则会丢失,而且无法进行补偿。

利用线性转接驱动器,还可以有弹性地在长短接收信道之间提供设备布置和信道均衡(EQ)。 对于线性转接驱动器来说,在一定范围内超出 EQ 是可以接受的,因为它可在长短信道之间进行优化;并有效地将 EQ 转变成为在线性范围内提供的预加重的摆动。

但使用限制转接驱动器时,转变 EQ 将导致无法修正的抖动。 另一方面,如果电源由于电压摆动或去加重和预加重而不符合要求,则限制转接驱动器可以发出具有去加重的大量摆动讯号,满足信道的兼容性。

转接驱动器有效提升 USB Type-C 效能
对于主机和设备,重要的是要确保整体信道耗损在 USB Implementers Forum(USB IF)规定的预算范围内。 透过在系统中添加一个转接驱动器,可确保系统符合要求,并补偿为满足规格要求所需的信道耗损。 为此,USB 组件供货商积极推出相关解决方案。

以半导体业者德州仪器(TI)为例,该公司旗下的 TUSB542 是 USB 3.0 5 Gbps USB Type-C 2 对 1 转接驱动器开关,提供高达 9dB 的均衡和 6dB 的去加重,输出摆幅设置为 900mV 和 1.1V;而 TUSB211 是 USB 2.0 双向转接驱动器。 在不破坏 D+和 D- 走线的前提下,采用先进的仿真边缘增强技术,可以抵消由外部开关、连接器和静电放电(ESD)引起的讯号完整性损伤,确保透过 USB 认证。

根据 IHS 的 USB Type-C 报告,到 2019 年,有潜力的 USB Type-C 装置出货量将达到 20 亿台,因此在这些装置之间建立稳固的连接将成为关键要求。 因应此一趋势,USB 组件供货商针对提供各种应用需求提供 USB Type-C 转接驱动器;线性转接驱动器还可以透过 USB Type-C 提供优良的 DisplayPort 讯号,并且可以给予舒适的用户体验和简化设计,来优化 USB Type-C 系统性能。