探秘DS160PR1601：16Gbps 16通道線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的卓越性能與應(yīng)用實(shí)踐

在當(dāng)今高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)代，PCIe 4.0和UPI 2.0等接口的廣泛應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎头€(wěn)定性提出了更高的要求。DS160PR1601作為一款專為滿足這些需求而設(shè)計(jì)的16Gbps 16通道線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器，憑借其出色的性能和豐富的特性，成為了眾多工程師在高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)中的首選。

文件下載：ds160pr1601.pdf

特性剖析：高性能與低功耗的完美結(jié)合

多接口支持與高速傳輸

DS160PR1601是一款32通道（每個(gè)方向16通道）x16（16通道）的低功耗高性能線性中繼器或轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器，它支持PCIe 4.0、UPI 2.0和其他接口，最高可支持16Gbps的數(shù)據(jù)速率。這種多接口支持和高速傳輸能力，使得它能夠在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中靈活使用，為系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸提供了有力保障。

關(guān)鍵特性亮點(diǎn)

• 集成交流耦合電容器：封裝內(nèi)TX引腳上有64個(gè)集成交流耦合電容器，大大節(jié)省了布板空間，讓電路板設(shè)計(jì)更加緊湊。
• CTLE均衡器：接收器部署了連續(xù)時(shí)間線性均衡器（CTLE），可提供可編程高頻增強(qiáng)功能，有效打開因PCB布線等互連介質(zhì)引起的碼間串?dāng)_（ISI）而關(guān)閉的輸入眼圖，提高信號(hào)的質(zhì)量。
• 超低延遲與抖動(dòng)：具有130 ps的超低延遲和PRBS數(shù)據(jù)的100 fs低附加隨機(jī)抖動(dòng)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性。
• 低回波損耗：在8GHz時(shí)具有 -13dB的超低RX/TX回波損耗，減少了信號(hào)反射對(duì)傳輸性能的影響。
• 單電源與低功耗：采用3.3V單電源供電，每個(gè)通道的有功功率僅為160mW，實(shí)現(xiàn)了低功耗運(yùn)行。
• 靈活編程與配置：支持I2C/SMBus或EEPROM編程，針對(duì)PCIe用例具有自動(dòng)接收器檢測(cè)功能，無(wú)縫支持PCIe鏈路訓(xùn)練，內(nèi)部穩(wěn)壓器具有抗電源噪聲能力，為系統(tǒng)的配置和運(yùn)行提供了極大的便利。

應(yīng)用領(lǐng)域：廣泛覆蓋，滿足多樣需求

DS160PR1601的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋了多個(gè)高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域：

• 服務(wù)器領(lǐng)域：在機(jī)架式服務(wù)器、微服務(wù)器和塔式服務(wù)器中，可用于提升PCIe鏈路的傳輸性能，確保服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定傳輸。
• 高性能計(jì)算：為硬件加速器提供信號(hào)增強(qiáng)和均衡功能，提高計(jì)算效率。
• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：在網(wǎng)絡(luò)連接存儲(chǔ)、存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）和主機(jī)總線適配器（HBA）卡中，保障數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)和快速讀寫。
• 網(wǎng)絡(luò)通信：適用于網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC），增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸能力。
• 臺(tái)式計(jì)算機(jī)：可用于臺(tái)式計(jì)算機(jī)或主板，提升PCIe接口的性能。

技術(shù)規(guī)格：全面了解性能邊界

絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。DS160PR1601的絕對(duì)最大額定值規(guī)定了其在不同參數(shù)下的極限值，如電源電壓、I/O電壓、結(jié)溫等。超出這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞，因此在設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格遵守。

ESD和閂鎖額定值

該器件具有良好的靜電放電（ESD）和閂鎖保護(hù)能力。在人體模型（HBM）下，其ESD耐壓可達(dá)+2000V；在帶電設(shè)備模型（CDM）下，耐壓為±500V。同時(shí)，信號(hào)引腳的閂鎖免疫水平也符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保了器件在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性。

推薦工作條件

為了使DS160PR1601發(fā)揮最佳性能，需要在推薦的工作條件下使用。這些條件包括電源電壓、電源噪聲容限、數(shù)據(jù)速率等。例如，電源電壓應(yīng)在3.0V至3.6V之間，電源噪聲在不同頻率范圍內(nèi)有相應(yīng)的容限要求。

熱信息

熱性能是高速器件設(shè)計(jì)中不可忽視的因素。DS160PR1601的熱信息給出了其在不同散熱路徑下的熱阻和表征參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境、結(jié)到外殼、結(jié)到電路板的熱阻等。通過合理的散熱設(shè)計(jì)，可以確保器件在工作過程中保持穩(wěn)定的溫度。

電氣特性

DS160PR1601的電氣特性包括直流電氣特性和高速電氣特性。直流電氣特性描述了器件在靜態(tài)條件下的性能，如電源功率、控制IO的電壓和電流等；高速電氣特性則關(guān)注器件在高速信號(hào)傳輸時(shí)的性能，如輸入輸出的回波損耗、抖動(dòng)、增益等。這些特性為工程師在設(shè)計(jì)高速電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

詳細(xì)描述：深入探究工作原理

功能概述

DS160PR1601的信號(hào)通道相互獨(dú)立，每個(gè)通道包含一個(gè)連續(xù)時(shí)間線性均衡器（CTLE）和一個(gè)線性輸出驅(qū)動(dòng)器。CTLE用于補(bǔ)償傳輸通道的損耗，線性輸出驅(qū)動(dòng)器則保持發(fā)射預(yù)設(shè)信號(hào)特性。該器件可以通過SMBus/I2C Primary mode或SMBus/I2C Secondary mode進(jìn)行配置，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活的選擇。

控制與配置接口

引腳配置

器件的16個(gè)數(shù)據(jù)通道通過xADDRx和PDx引腳進(jìn)行分組，用于I2C配置和PCIe狀態(tài)機(jī)分組。這些引腳在設(shè)備上電時(shí)進(jìn)行采樣，設(shè)置SMBus / I2C二次地址和控制設(shè)備的電源狀態(tài)。

五電平控制輸入

5級(jí)輸入引腳通過電阻分壓器設(shè)置5個(gè)有效電平，為設(shè)備的配置提供了更廣泛的控制范圍。外部電阻的公差應(yīng)在10%或更好，以確保控制的準(zhǔn)確性。

SMBUS/I2C寄存器控制接口

通過SMBus / I2C寄存器可以對(duì)DS160PR1601進(jìn)行配置。在不同的模式下，SCL和SDA引腳需要通過上拉電阻連接到3.3V電源。具體的寄存器設(shè)置和控制配置程序可參考《DS160PR1601 Programming Guide》。

SMBus/I2C主模式配置

當(dāng)MODE引腳設(shè)置為L(zhǎng)1時(shí)，器件可以通過讀取EEPROM進(jìn)行配置。在設(shè)備初始上電后，當(dāng)READ_EN_N引腳被拉低時(shí)，器件會(huì)嘗試從外部EEPROM中讀取配置信息。讀取成功后，ALL_DONE_N引腳會(huì)被拉低。在這個(gè)過程中，需要注意EEPROM的大小、地址和操作頻率等參數(shù)。

特性描述

線性均衡

CTLE提供20種可用的均衡增益設(shè)置，可通過SMBus/I2C寄存器進(jìn)行設(shè)置。不同的設(shè)置對(duì)應(yīng)不同的高頻增益，以適應(yīng)不同的傳輸通道損耗。

平坦增益

DS160PR1601的整體數(shù)據(jù)路徑平坦增益（DC和AC）可以通過SMBus/I2C寄存器進(jìn)行編程。有5種可用的平坦增益設(shè)置，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

模擬EyeScan

該特性允許監(jiān)測(cè)每個(gè)數(shù)據(jù)通道在接收器CTLE階段后的內(nèi)部眼圖，通過信號(hào)統(tǒng)計(jì)提供垂直眼圖開口估計(jì)。這對(duì)于調(diào)整CTLE和扁平增益設(shè)置、優(yōu)化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的電氣鏈路非常有用。

接收器檢測(cè)狀態(tài)機(jī)

DS160PR1601部署了RX檢測(cè)狀態(tài)機(jī)，根據(jù)PCI Express規(guī)范確定鏈路遠(yuǎn)端是否存在有效的PCI Express終端。通過SMBus/I2C控制接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以靈活設(shè)置設(shè)備的工作模式。

集成電容器

器件的所有TX引腳集成了64個(gè)交流耦合電容器，每個(gè)電容器的電容值為220 nF，耐壓為2.5V，公差為20%。這些電容器的集成節(jié)省了電路板空間，提高了設(shè)計(jì)的緊湊性。

設(shè)備功能模式

活動(dòng)PCIe模式

在該模式下，PCIe狀態(tài)機(jī)通過SMBus/I2C寄存器啟用，PDx引腳被拉低。DS160PR1601對(duì)PCIe RX或TX信號(hào)進(jìn)行重驅(qū)動(dòng)和均衡，提高信號(hào)完整性。

活動(dòng)緩沖模式

PCIe狀態(tài)機(jī)通過I2C寄存器禁用，適用于非PCIe應(yīng)用。設(shè)備作為緩沖器提供線性均衡，改善信號(hào)質(zhì)量。

待機(jī)模式

通過PDx引腳將設(shè)備置于待機(jī)模式，此時(shí)設(shè)備消耗的功率較低，以節(jié)省能源。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)：指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)

應(yīng)用信息

DS160PR1601作為高速線性中繼器，可擴(kuò)展因PCB和電纜等傳輸介質(zhì)損耗而受損的差分通道的傳輸距離。在不同的應(yīng)用中，需要考慮一些設(shè)計(jì)因素，以確保器件的性能得到充分發(fā)揮。

典型應(yīng)用

PCIe x16通道配置

在服務(wù)器或主板應(yīng)用中，DS160PR1601可用于增強(qiáng)發(fā)射和接收信號(hào)，增加主機(jī)或根復(fù)合體處理器到PCI Express插槽或連接器的傳輸距離。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 阻抗匹配：與PCIe CEM連接器接口時(shí)，使用85Ω阻抗的走線，并對(duì)差分對(duì)的單端段進(jìn)行P和N走線的長(zhǎng)度匹配。
• 走線設(shè)計(jì)：差分對(duì)采用均勻的走線寬度和間距，減少信號(hào)干擾。
• 過孔處理：對(duì)連接器過孔和信號(hào)過孔進(jìn)行背鉆，以最小化過孔Stub長(zhǎng)度；使用參考平面過孔，確?；亓麟娏鞯牡碗姼新窂?。

在PCIe Gen 3.0和4.0應(yīng)用中，需要進(jìn)行Rx-Tx鏈路訓(xùn)練來(lái)優(yōu)化信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)置。DS160PR1601的線性數(shù)據(jù)路徑可以傳遞Tx預(yù)設(shè)信號(hào)，幫助Rx進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)。通過調(diào)整設(shè)備的EQ設(shè)置，可以優(yōu)化接收端的眼圖開口。

應(yīng)用曲線

通過對(duì)比有無(wú)DS160PR1601的PCIe 4.0鏈路實(shí)驗(yàn)，可以看出該器件能夠有效擴(kuò)展通道的傳輸距離。在EQ = 15和flat_gain = 101的設(shè)置下，可實(shí)現(xiàn)約16dB的額外傳輸距離擴(kuò)展。但實(shí)際的擴(kuò)展效果會(huì)受到多種信號(hào)完整性因素的影響，因此建議進(jìn)行信號(hào)完整性仿真。

電源供應(yīng)建議

設(shè)計(jì)電源供應(yīng)時(shí)，應(yīng)確保提供符合推薦工作條件的直流電壓、交流噪聲和啟動(dòng)斜坡時(shí)間。DS160PR1601不需要特殊的電源濾波，只需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的電源去耦。去耦電容應(yīng)靠近VCC引腳放置，以減少電源噪聲對(duì)器件的影響。

布局設(shè)計(jì)

布局指南

• 去耦電容：去耦電容應(yīng)盡可能靠近VCC引腳放置，如果電路板設(shè)計(jì)允許，可將其直接放置在器件下方。
• 高速差分信號(hào)：TXnP/TXnN和RXnP/RXnN高速差分信號(hào)應(yīng)緊密耦合、長(zhǎng)度匹配并進(jìn)行阻抗控制。盡量避免在高速差分信號(hào)上使用過孔，如必須使用，應(yīng)采取措施最小化過孔Stub長(zhǎng)度。
• 接地處理：在高速差分信號(hào)焊盤下方可使用GND relief來(lái)改善信號(hào)完整性，同時(shí)在器件下方放置GND過孔，連接不同層的GND平面，提高熱導(dǎo)率。

布局示例

通過TI PCIe Riser卡的布局示例，可以直觀地看到DS160PR1601在實(shí)際電路板中的布局方式。該示例展示了頂層和底層的布局情況，為工程師提供了參考。

總結(jié)與展望

DS160PR1601作為一款高性能的16Gbps 16通道線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器，憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的性能表現(xiàn)，為高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要深入了解其技術(shù)規(guī)格、工作原理和應(yīng)用要求，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布局，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。隨著高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，相信DS160PR1601將在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，并為推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

你在使用DS160PR1601的過程中遇到過哪些問題？或者你對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)有什么獨(dú)特的見解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。