外置预加重均衡器在高速背板互联中的应用

刘亮

(美国美信集成产品公司)

高速串行接口由于连接简单、数据吞吐量大和先天的共模干扰抑制优势，成为背板互联的首选接口。然而由于传输线、连接器以及过孔对高频信号的衰减，对于这些背板互联应用，如何保证信号的衰减被完全补偿，以及如何保证设计时留有足够的余量来补偿其他合理的额外衰减，是系统设计时需要考虑的问题。

1 背板链路对信号的衰减

背板传输线是整个高速背板链路对信号衰减贡献最大的因素。图1是传输线模型，这个模型将传输分成若干级联单元。每级包含串行电抗Z和并行电纳Y。

图1中，R为串联电阻(Ω/英寸)；L为串联电感(H/英寸)；C为并联电容(F/英寸)；G为并联电导(S/英寸)。

对于理想传输线，假定R=G=0；而对于实际有损传输线，串联电阻和并联电导均不为零。受趋肤效应的影响，有损传输线串联电阻随着信号频率的增加而增大，趋肤效应造成的衰减与频率的平方根成正比。并联电导引入的损耗称为介质损耗。

图2所示为有损传输线(40英寸FR4差分微带线)的插损图，该差分微带线的线宽为0.006英寸，线距0.006英寸，FR4介电常数4.3，损耗角正切值0.02。其中曲线1是由于趋肤效应造成的衰减，曲线2是由于介质损耗造成的衰减，曲线3是二者的叠加，即传输线总的插损。由图2可知，微带线对信号的低频成分衰减较小，对高频成分衰减较大，对信号频谱呈现为低通滤波特性。从时域看，信号幅度有所降低、抖动加剧。传输线衰减引入的抖动称为ISI抖动。图3所示为Agilent N4906 BERT发出的3.75 Gb/s差分信号眼图，使用的测量示波器是DSA8200。输出差分信号摆幅为1 000 mV，码型为PRBS7-1。经过上述40英寸FR4微带线后，得到图4所示眼图，信号幅度只有800 mV左右，眼图开度不足50 mV。时域抖动为0.8 UI左右。

除以上趋肤效应和介质损耗所引入的插损外，加工后的传输线表面光滑度、介质温度和湿度也是影响传输线衰减变化的因素。对于这些额外的衰减，系统设计时需要考虑保留足够的补偿裕量；作为整个背板链路的一部分，背板高速连接器以及过孔也会引入插损。

2 预加重和均衡补偿链路衰减

由于背板链路对信号频谱有低通滤波衰减特性，可以采用预加重和均衡技术补偿信号的高频衰减。从频域分析，预加重和均衡器相当于高通滤波器，可以补偿背板链路的低通特性，使信号的高频成分和低频成分具有相同衰减，补偿后的信号经过限幅放大器处理后成为标准的接口电平，输出到下级电路。

图5为预加重和均衡器的频响曲线，其中曲线1为背板链路的频响，曲线2为预加重均衡器的等效频响，由图可以看出，与传输线的衰减特性恰好相反。图中的曲线3为背板链路频率响应和预加重均衡器叠加后的频响效果。图6是图4所示信号经过Maxim均衡器补偿后得到的眼图，可以看出，经过均衡器后，ISI抖动被消除，信号得到完整恢复。

3 外置预加重均衡器在背板互联中的应用

ASIC Serdes接口通常也支持预加重和均衡功能。对于近距离背板链路并且ASIC回损性能较好的系统，通常考虑利用ASIC内部的预加重和均衡功能补偿链路衰减。而在长线传输中，由于ASIC内部海量数字逻辑翻转造成较大的电源噪声和地噪声，以及ASIC内部多个Serdes接口之间存在的串扰，都使会ASIC内部的预加重均衡性能大打折扣。另外，由于ASIC内部均衡器的效果通常只能通过系统误码率测试，没有办法通过眼图测量直接评估其性能，也很难评价ASIC内置均衡器的工作效果。即使在一个背板链路通道的误码测试中没有发现问题，也无法保证系统留有足够裕量来补偿背板插损变化以及温度、湿度变化所引入的插损。

Maxim的预加重均衡器采用双极型SiGe工艺，与ASIC内置CMOS数字预加重均衡器相比，具有补偿能力强、输出摆幅大、通道间串扰低等特点，有助于改善回损指标。以Maxim最新推出的MAX3987为例，MAX3987是四通道1 Gb/s～8.5 Gb/s预加重均衡器芯片，接收均衡链路可以补偿30英寸FR4引线衰减，发送链路的预加重可以补偿30英寸FR4引线的衰减，输出摆幅可以达到1 050 mV，SDD11和SDD22可达15 dB。这些优异性能为系统保留了足够的补偿裕量，使长距离背板传输成为可能。

基于上述外置均衡器的优势，外置预加重均衡器能够补偿长距离传输背板链路的衰减，有助于抑制链路的不连续或ASIC较差的回损性能所造成的信号反射。实际应用中，配合ASIC芯片的内部预加重和均衡，在FR4背板可以轻松实现50英寸以上的高速链路互联，同时又保证链路保留足够的补偿裕量。