插入损耗对差分对的信号质量影响

T.K. Chin在他的博客文章《差分对：你真正需要了解的内容》里谈论了对于差分对的要求。在现实应用中，我们用印刷电路板（PCB）内的铜走线或线缆组装件内的铜质导线来实现差分对。较长的PCB走线或线缆会出现较高的传输损耗，该损耗会劣化信号质量。在本文中，笔者将说明插入损耗如何能影响差分对的信号质量，并解释均衡器如何能消除这种影响。
什么是插入损耗？                                                               
传输损耗包含两部分：低频率下的趋肤效应损耗（skin loss）和高频率下的介电损耗。趋肤效应损耗取决于互连部分的截面面积；例如，PCB走线的宽度和金属厚度，或线缆的导线直径。当频率在几百兆赫以下时，趋肤效应损耗是主要传输损耗，并与频率的平方根成比例。当频率较高时，介电损耗则成为主要传输损耗。介电损耗的量取决于电介质的材料属性，且与频率成正比。
插入损耗是一个常见术语，用来描述互连部分的传输损耗。它是只有和没有互连部分的两种情况下负载处电压的比值。网络分析仪能按振幅和相位测量插入损耗。图1展示了FR4板材上两条PCB走线的典型插入损耗：一条走线长5英寸（蓝色），另一条走线长10英寸（红色），但两者具有相等的走线宽度（5 mil）。正如您可从图1中看到的，插入损耗特性与低通滤波器表现出的特性一样，当频率增加时信号衰减量增大。损耗随着PCB走线的长度呈线性增加。






为什么插入损耗会使信号劣化
数据传输串行比特流中包含不同持续时间的逻辑1和0。在图2中，您可看到发射器波形由较长持续时间（较低频率脉冲）和较短持续时间（较高频率脉冲）的数据位构成。它们的振幅大致相等而且翻转路径几乎相同，因而能产生干净而全开的数据眼。
当信号通过PCB走线传送时，低通滤波器效应会减慢脉冲的翻转时间，持续时间短的脉冲没有足够的时间达到其满振幅。此外，高频率脉冲的衰减量还比低频率脉冲的衰减量大：当到达目的端时，它们的振幅有很大的不同。因为持续时间较长的脉冲和持续时间较短的脉冲具有不同的振幅，所以翻转路径会发生变化，并产生时域抖动。这类抖动具体取决于数据码型，通常被称为码间串扰（ISI）。图2展示了接收器波形和相应眼图，差分对的插入损耗引起的抖动非常显著。




ti均衡器如何能解决这种信号劣化问题
上述信号劣化的根本问题是由不等振幅的脉冲（这些脉冲振幅是低通滤波器产生的）导致的。该问题的解决方案是对信号衰减进行抵消，其目标是实现相等的脉冲振幅。均衡器是一种经过专门设计的高通滤波器，其传递函数等于互连部分低通滤波器传递函数的倒数。有许多常见的均衡器实施方案。您可使用高增益的连续时间线性均衡器（CTLE）, 高频率下可提供的增益较多，在低频率下可提供的增益较少。或者，您也可使用在低频率下产生衰减的高通滤波器，这种滤波器在许多去加重驱动器设计中通常用作发射端均衡器。另外，还有很多数字实现方案，如重定时器中使用的有限脉冲响应滤波器（FIR）或判决反馈均衡器（DFE）。

图3展示了具有CTLE的TI DS125BR800A，可消除由互连部分引起的ISI抖动。通过选择与互连部分的插入损耗特性相匹配的适当均衡量，该Repeater可清除ISI抖动并在接收信息的目的端提供干净的数据眼图。



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