自適應(yīng)均衡器系統(tǒng)電子電路剖析

自適應(yīng)電纜均衡器是串行數(shù)字視頻(SDV)廣播和串行電信設(shè)備接收器前端的基本組成部分，它們還可以用于其它類型的有線通信系統(tǒng)。均衡器直接與傳輸線接口，恢復(fù)由電纜造成信號(hào)幅度及帶寬的損耗。由于均衡器直接連接到電纜，因此它很容易受ESD、EMI/RFI和器件所產(chǎn)生的噪聲影響，均衡器的工作特性也傾向于增大設(shè)計(jì)中噪聲的影響。一個(gè)采用抗干擾自適應(yīng)電纜均衡器的魯棒系統(tǒng)也必須保持均衡器的一些良好工作特性，如寬輸入動(dòng)態(tài)范圍、寬信號(hào)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。

圖1 ：均衡器電路圖

ESD、EMI/RFI和器件產(chǎn)生的噪聲是有線通信系統(tǒng)中的三大主要干擾模式：ESD可以毀壞或摧毀電路內(nèi)外的有源及無源器件;EMI/RFI會(huì)影響系統(tǒng)的信號(hào)處理，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)基本功能的失效;器件產(chǎn)生的噪聲可以影響電路的工作，降低其性能，亦可導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

自適應(yīng)均衡器設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)

要設(shè)計(jì)一個(gè)能應(yīng)對(duì)以上干擾的魯棒系統(tǒng)是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。自適應(yīng)電纜均衡器并非簡單的數(shù)字器件，這是設(shè)計(jì)者都必須仔細(xì)考慮的基本事實(shí)。美國國家半導(dǎo)體的CLC014、CLC012和最新的CLC034自適應(yīng)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，它們能與其它所有系統(tǒng)元件(包括機(jī)箱、無源元件和PCB等)共同抵御內(nèi)、外部的干擾。一般情況下，當(dāng)電纜長度為最大時(shí)，均衡器接收到的信號(hào)為最小。所以，均衡器的增益與帶寬要在最大值。但當(dāng)輸入端未連接，沒有外接信號(hào)時(shí)，增益與帶寬也是最大。在最大增益情況下，即使少量的有害EMI或傳導(dǎo)干擾都會(huì)被大大地放大，影響均衡器的正常工作。好的PCB設(shè)計(jì)可以阻止干擾，避免一些常見的均衡器應(yīng)用故障，如：無法在給定數(shù)據(jù)速率下均衡最大電纜長度;電纜長度小于最大值出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;當(dāng)輸入端開路時(shí)有虛假的或隨機(jī)輸出數(shù)據(jù);信號(hào)檢測(cè)錯(cuò)誤指示。

這些故障是由以下原因引起的：源于系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)部或PCB上的EMI輻射;邏輯器件或電源通過輸入網(wǎng)絡(luò)的元器件安裝管腳耦合到輸入端的噪聲;其它附近電路對(duì)輸入端及/或自適應(yīng)均衡器電路(AEC)的串?dāng)_;均衡器輸入、輸出電路的耦合。ESD事件會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞半導(dǎo)體器件，特別是當(dāng)這些器件沒有導(dǎo)電包裝材料保護(hù)時(shí)，更容易遭受損害，即使半導(dǎo)體器件安裝在電路上也會(huì)被損壞。用于直接電纜接口的器件，如線路驅(qū)動(dòng)器和電纜均衡器等都按照最大ESD額定電壓而設(shè)計(jì)。即便如此，只依賴于半導(dǎo)體器件本身來提供所有ESD防護(hù)，而無視其額定ESD防護(hù)值的高低，仍是不明智的做法。均衡器輸入電路有通過終結(jié)電阻接地的低阻抗路徑優(yōu)點(diǎn)，提高了對(duì)ESD的耐受能力。輸入電路中使用的元器件都應(yīng)當(dāng)有足夠的ESD抵御能力，以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)中的最大ESD事件。通過適當(dāng)?shù)倪x擇與設(shè)計(jì)，所有的電路元器件(包括機(jī)箱、連接器和PCB等)均可以實(shí)現(xiàn)均衡器和其它接口器件的ESD防護(hù)。

提高性能的設(shè)計(jì)方法

以下這些設(shè)計(jì)措施可以抵御電子干擾，提高均衡器整體工作性能：1.將均衡器輸入網(wǎng)絡(luò)及AEC電路與外部、卡上的高電平信號(hào)隔離或屏蔽開;2.采用耐用的輸入電路元器件，抑制ESD事件;3.采用多層PCB，用獨(dú)立的傳輸線和電源-地層，實(shí)現(xiàn)隔離、屏蔽和ESD防護(hù);4.在電源、地層間采用薄的電介質(zhì)(6mil以下)，以提高層間電容和高頻衰減;5.旁路電容、終結(jié)電阻、集電極負(fù)載電阻以及VCC和VEE管腳焊盤與層面連接時(shí)采用兩個(gè)過孔;6.不要將多根VCC和VEE管腳連接到一個(gè)過孔，因?yàn)檫@可能引起器件中的噪聲。

圖2a：輸入電路保護(hù)。2b：用覆銅做屏蔽

圖1所示是推薦的CLC014均衡器電路，圖2是相應(yīng)的PCB布局。在PCB板上，采用了一些將均衡器電路與有害信號(hào)干擾隔離開來的措施。在輸入網(wǎng)絡(luò)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)，以隔離均衡器的電路。這些隔離帶可以防止鄰近電路通過中間層與均衡器電路的直接接觸。這樣，干擾信號(hào)要接近輸入電路就必須沿隔離帶走一個(gè)較長的路徑。

這樣的做法增加了低通濾波效果，提高了對(duì)有害信號(hào)的衰減能力。用于提供信號(hào)環(huán)路(loop-back)功能的電纜驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常毗鄰均衡器放置。電纜驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)要比均衡器接收到的信號(hào)強(qiáng)很多，隔離帶有助于隔離電纜驅(qū)動(dòng)器信號(hào)，降低對(duì)均衡器輸入信號(hào)的干擾。在輸入電路周圍是一個(gè)良好接地的保護(hù)(屏蔽)環(huán)，用于降低拾取到的RFI，如圖2a所示。也可以用PCB外層的覆銅代替保護(hù)環(huán)，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(gè)有效的屏蔽。均衡器差分輸入放大器的共模抑制以及對(duì)稱的輸入元件布局也可以增強(qiáng)RFI抑制能力。RFI在同時(shí)被兩個(gè)輸入端接收時(shí)是一種共模信號(hào)。具有平衡終結(jié)阻抗的對(duì)稱輸入電路布局可使RFI信號(hào)平均地到達(dá)兩個(gè)輸入端，這樣輸入差分放大器的共模抑制功能可以消除大部分干擾信號(hào)。

編輯點(diǎn)評(píng)：使用以上這些簡單技術(shù)，可以將干擾降低到最低程度，提高自適應(yīng)電纜均衡器的性能。在設(shè)計(jì)初期就注重干擾抑制和工作可靠性要比以后再增加其它措施更具經(jīng)濟(jì)性。在自適應(yīng)電纜均衡器的設(shè)計(jì)早期采用了這些設(shè)計(jì)建議，就可以提高系統(tǒng)的性能，無需今后重新設(shè)計(jì)以解決干擾與性能的問題。