利用LVDS緩沖器克服高速信號路徑阻抗不連續(xù)之挑戰(zhàn)

對于200Mbps以上速率的信號，如果忽略寄生阻抗和阻抗不連續(xù)性的問題，將會在傳輸線上產(chǎn)生增加性噪音，并出現(xiàn)資料位元誤碼。本文將以基礎(chǔ)型高畫質(zhì)數(shù)字視頻路由器的處理方式為例，詳細(xì)解說上述問題。

當(dāng)資料傳輸速率位于400Mbps至1.5Gbps之間時，信號路徑（signal path）就會形成傳輸線（transmission line）。在這個傳輸速度范圍內(nèi)，信號路徑模型必須包括電纜或底板中的電抗性寄生分量。高速資料傳輸帶來的問題不僅僅是資料傳輸速率本身的問題，快速的信號邊緣變換率包含甚至更高的頻率分量，這些高頻分量在分布式阻抗環(huán)境中的傳輸性能更差。對于200Mbps以上速率的信號，如果忽略寄生阻抗和阻抗不連續(xù)性的問題，將會在傳輸線上產(chǎn)生增加性噪音，并出現(xiàn)資料位元誤碼。

高速信號傳輸實(shí)例分析

面對上述的問題，我們以基礎(chǔ)型高畫質(zhì)（High-Definition，HD）數(shù)字視頻路由器的處理方式為例進(jìn)行解說。HD視頻路由器可管理來自于廣播、工作室或者節(jié)目制作設(shè)備之間的多項(xiàng)HD節(jié)目來源資料串流。HD視頻管道是在270Mbps到高達(dá)1.485Gbps的速率范圍內(nèi)運(yùn)作，它需要被仔細(xì)地設(shè)計并裼靡恢碌納杓品椒ǎ以確保交換路由器系統(tǒng)不會降低視頻資料的完整性。

圖1U高畫質(zhì)視頻路由器圖解。

在圖1的這個系統(tǒng)中，可適應(yīng)均衡器（EQ）直接由BNC連接器接收HD信號。一個公共底板將信號從輸入卡連接到開關(guān)卡，以輸出到目標(biāo)信號管道。信號從EQ經(jīng)過近8英寸的PCB，點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)降装暹B接器，然后透過3到15英寸的底板（長度取決于所使用的插槽類型）傳輸?shù)降诙€連接器，之后再經(jīng)過8英寸的PCB到交叉點(diǎn)開關(guān)元件的輸入。一個重組時脈（re-clocker）/線纜驅(qū)動器直接連接到交叉點(diǎn)開關(guān)的輸出以驅(qū)動信號在電纜上的傳輸。這些HD視頻路由器系統(tǒng)已模組化，可能具有8個到1000個輸入/輸出信號管道。也因?yàn)槿绱?，信號密度可能非常高?/p>

圖2U信號路徑上阻抗TDR圖實(shí)例。

一般的FR4電路板材料是屬于阻抗一致的環(huán)境，但是分散式寄生阻抗對訊號質(zhì)量會產(chǎn)生負(fù)面的影響。影響最大的部份，是因大量工作在高于基本的資料速率的頻率分量產(chǎn)生的快速上下邊緣變換率，所引起的信號損耗和緩慢轉(zhuǎn)換時間。除此之外，在元件間（例如BNC連接器、積體電路、電路板不同層之間的過道孔，或者板子之間的連接器）的互相聯(lián)結(jié)可能導(dǎo)致與特征阻抗（Z0）的阻抗誤配，這也會影響到信號品質(zhì)（如圖2）。密集的底板連接器會為訊號路徑增加感性負(fù)載，而PCB的過道孔增加了信號路徑的容性負(fù)載。

在信號傳輸路徑上，任何存在阻抗改變的地方都可能出現(xiàn)信號反射。這些反射和寄生阻抗將導(dǎo)致信號幅度的損耗、環(huán)狀波、上升時間變長和EMI等問題。在本文的范例系統(tǒng)中，從EQ輸出到交叉點(diǎn)開關(guān)的輸入之間FR4電路板長度預(yù)計長達(dá)31英寸，在這個路徑上H會出現(xiàn)幾個阻抗不連續(xù)的情況。如果沿著這個路徑的入射邊緣（incident edge）速度為175到200 ps/英寸，資料速率為1.485Gbps（半波長 = 343 ps），那么在任何所給予的時間都存在多達(dá)18個傳換邊緣。阻抗不匹配的入射邊緣產(chǎn)生的反射，將影響到信號路徑上出現(xiàn)的所有信號變換邊緣。從信號邊緣1到信號邊緣17的反射在到達(dá)信號路徑終端時，將使第18個信號邊緣嚴(yán)重地失真。結(jié)果得到的眼形圖（圖3）顯示了幅度損耗、額外的抖動以及上升/下降時間變化。

圖3U經(jīng)過長達(dá)31英嫉FR4電路板傳輸后，交叉點(diǎn)開關(guān)輸入處的眼形圖。

提升信號傳輸品質(zhì)的方法

對于這種挑戰(zhàn)的一個解決方案是在子卡和底板之間使用高品質(zhì)的連接器，這將使連接器的不連續(xù)性最小。更好的過道孔設(shè)計將進(jìn)一步使TDR測量圖扁平化，如此一來，將使得這個長度的信號路徑的實(shí)際阻抗將與Z0非常接近。

另外一種更具成本效益的解決方案，是使用一個簡單的LVDS緩沖器來驅(qū)動和接收底板上傳來的信號。它會將信號傳輸路徑再細(xì)分為很短的區(qū)段，以遮蔽阻抗誤配的問題，并減少信號衰減。

在子卡的邊緣放置一個緩沖器以驅(qū)動連接器和底板，再透過交換子卡上的另外一個緩沖器用來接收信號（圖4），并重新驅(qū)動這些信號到交叉點(diǎn)開關(guān)的輸入，以有效地隱藏兩個緩沖器之間的阻抗不連續(xù)（圖5）。正確的阻抗終結(jié)也能確保接收器吸收線路中的所有能量，使這些信號不會反射回來源端。

圖4U利用緩沖器來克服阻抗的不連續(xù)問題。

圖5U采用緩沖器隔離底板連接后在交叉點(diǎn)輸入的信號眼形圖。

除此之外，緩沖器通常還能增強(qiáng)信號品質(zhì)，改善原始信號。舉例而言，具有輸入均衡的緩沖器將在底板上傳輸信號之前消除媒質(zhì)損耗帶來的定量性抖動（deterministic jitter）。輸出已預(yù)先加強(qiáng)信號的功能可增大信號幅度，使得在交叉點(diǎn)輸入或接收器處的眼形圖更為開闊。在緩沖器I/O上，較高的ESD極限可保護(hù)子卡上的其他元件免受底板上其他位置發(fā)生的ESD意外事件而損壞。

LVDS緩沖器的功能

下面將以一種四通道1.5 Gbps LVDS的緩沖器/中繼器為例進(jìn)行說明。該元件的高速資料路徑和直通管腳使元件內(nèi)部產(chǎn)生抖動最小，并簡化電路板設(shè)計。其可配置的預(yù)先加強(qiáng)信號功能，可以克服底板和電纜損耗帶來的ISI抖動效應(yīng)。位差輸入和輸出在內(nèi)部用100Ω的電阻終結(jié)以改善性能，并減小電路板尺寸。增強(qiáng)信號強(qiáng)度的中繼器功能對于在高損耗的電纜和底板上長距離傳輸信號來說，特別有用。