深入解析DS110DF1610 16通道重定時(shí)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在高速串行鏈路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，重定時(shí)器扮演著至關(guān)重要的角色，它能夠增強(qiáng)信號(hào)的傳輸距離和魯棒性，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）的DS110DF1610 8.5 - 11.3Gbps 16通道重定時(shí)器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和應(yīng)用場(chǎng)景。

文件下載：ds110df1610.pdf

一、DS110DF1610概述

DS110DF1610是一款16通道多速率重定時(shí)器，集成了信號(hào)調(diào)理功能。它包含全自適應(yīng)連續(xù)時(shí)間線性均衡器（CTLE）、判決反饋均衡器（DFE）、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）以及發(fā)射FIR濾波器，能夠在長(zhǎng)距離、有損、串?dāng)_嚴(yán)重的高速串行鏈路上實(shí)現(xiàn) $BER <1 ×10^{-15}$ 的誤碼率，大大提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1. 引腳兼容系列

DS110DF1610屬于引腳兼容系列，不同型號(hào)對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)速率范圍：

• DS150DF1610：12.5 - 15G
• DS125DF1610：9.8 - 12.5G
• DS110DF1610：8.5 - 11.3G

這種引腳兼容的設(shè)計(jì)為工程師在不同速率需求的項(xiàng)目中提供了便利，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇合適的型號(hào)。

2. 每四路的4x4模擬交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)

每個(gè)四路通道都配備了一個(gè)4x4無(wú)阻塞模擬交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)，允許在四路內(nèi)的任何輸入到任何輸出之間進(jìn)行全切換或廣播數(shù)據(jù)。這種模擬實(shí)現(xiàn)方式使得所有通道可以異步運(yùn)行，同時(shí)最小化了設(shè)備引入的延遲。

3. 其他特性

• 全自適應(yīng)CTLE和自調(diào)諧DFE：能夠根據(jù)信號(hào)情況自動(dòng)調(diào)整均衡參數(shù)，提高信號(hào)質(zhì)量。
• 片上AC耦合和可調(diào)發(fā)射 $V_{OD}$：方便與其他設(shè)備連接，同時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)整發(fā)射信號(hào)的幅度。
• 可調(diào)3抽頭發(fā)射FIR濾波器：用于發(fā)射均衡，控制前導(dǎo)、主抽頭和后沿抽頭，進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)傳輸。
• 片上眼圖監(jiān)測(cè)（EOM）、PRBS檢查器和PRBS模式發(fā)生器：可用于調(diào)試和監(jiān)測(cè)信號(hào)質(zhì)量。
• 支持IEEE 1149.1和1149.6：方便進(jìn)行JTAG測(cè)試。
• 可編程輸出極性反轉(zhuǎn)：增加了設(shè)計(jì)的靈活性。
• 輸入信號(hào)檢測(cè)和CDR鎖定檢測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)狀態(tài)。
• 單2.5 - V ±5%電源供電：簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)。
• 基于SMBus的寄存器配置：便于進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和控制。

二、引腳配置與功能

DS110DF1610的引腳配置較為復(fù)雜，包含了高速差分輸入輸出、時(shí)鐘引腳、SMBus接口、JTAG接口等多種類型的引腳。下面我們來(lái)詳細(xì)了解一下一些關(guān)鍵引腳的功能：

1. 高速差分I/O引腳

這些引腳是CML兼容、AC耦合的差分輸入輸出引腳，片上集成了100歐姆的差分終端電阻。例如，RX1AP/RX1AN等輸入引腳用于接收高速串行數(shù)據(jù)，TX1AP/TX1AN等輸出引腳用于發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)。

2. 時(shí)鐘引腳

REF_CLK_P/REF_CLK_N是用于25 MHz、125 MHz或312.5 MHz時(shí)鐘的差分輸入引腳，可配置為單端輸入操作。CLK_MON_P/CLK_MON_N是用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)差分時(shí)鐘的差分輸出引腳，在級(jí)聯(lián)到另一個(gè)重定時(shí)器時(shí)，輸出頻率應(yīng)設(shè)置為25 MHz或125 MHz。

3. SMBus接口

SDA_IO是數(shù)據(jù)輸入/開(kāi)漏輸出引腳，需要外部上拉電阻，支持3.3 V LVCMOS電平。通過(guò)SMBus接口，我們可以對(duì)DS110DF1610進(jìn)行寄存器配置和參數(shù)設(shè)置。

4. JTAG接口

包含TMS_IO、TDO_IO、TRST_IO、TCK_IO和TDI_IO等引腳，用于JTAG測(cè)試，方便進(jìn)行芯片的調(diào)試和驗(yàn)證。

三、詳細(xì)特性描述

1. 設(shè)備數(shù)據(jù)路徑操作

DS110DF1610的數(shù)據(jù)路徑由多個(gè)關(guān)鍵模塊組成，包括AC耦合接收器、CTLE、交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)、DFE、CDR和差分驅(qū)動(dòng)器。

AC耦合接收器與信號(hào)檢測(cè)

每個(gè)通道的差分接收器都包含片上AC耦合電容，最小帶寬為16kHz。接收器還集成了信號(hào)檢測(cè)電路，能夠根據(jù)輸入信號(hào)的有無(wú)自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉高速數(shù)據(jù)路徑。工程師可以通過(guò)SMBus通道寄存器手動(dòng)控制信號(hào)檢測(cè)模塊，這在需要強(qiáng)制禁用某些通道時(shí)非常有用。

CTLE

CTLE是一個(gè)全自適應(yīng)均衡器，具有可調(diào)帶寬和可選的限幅級(jí)。在鎖定過(guò)程中，CTLE會(huì)根據(jù)品質(zhì)因數(shù)（FOM）進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，鎖定后，CTLE的增益水平將保持不變，直到手動(dòng)重新調(diào)整或CDR重新進(jìn)入鎖定過(guò)程。CTLE由4個(gè)階段組成，每個(gè)階段有2位增益控制，允許有256種不同的階段增益組合。通過(guò)SMBus控制，CTLE的帶寬可以調(diào)整為3個(gè)不同的級(jí)別：全速率（9 GHz）、中速率（7 GHz）和半速率（5 GHz）。

交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)

每個(gè)四路通道的4x4無(wú)阻塞模擬交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)位于CTLE和DFE之間，允許在四路內(nèi)的輸入和輸出之間進(jìn)行靈活的切換和廣播。在使用交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)，需要對(duì)控制總線復(fù)用器、數(shù)據(jù)路徑復(fù)用器、本地和多驅(qū)動(dòng)緩沖器進(jìn)行配置，并進(jìn)行CDR復(fù)位和釋放操作。在數(shù)據(jù)復(fù)制或廣播應(yīng)用中，還需要指定主從通道。

DFE與VGA

每個(gè)通道的數(shù)據(jù)路徑中可以啟用一個(gè)5抽頭DFE和一個(gè)VGA，用于減少串?dāng)_、反射或后沿符號(hào)間干擾（ISI）的影響。DFE需要手動(dòng)啟用，并可以配置為僅在鎖定過(guò)程中自適應(yīng)或連續(xù)自適應(yīng)。DFE的抽頭具有指定的增益權(quán)重范圍和極性位，VGA有2位控制，可提供4級(jí)增益，用于恢復(fù)極小的信號(hào)。

時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)

CDR模塊由鎖相環(huán)（PLL）、基于參考時(shí)鐘的PPM計(jì)數(shù)器、輸入和輸出數(shù)據(jù)復(fù)用器以及監(jiān)測(cè)單比特轉(zhuǎn)換和檢測(cè)錯(cuò)誤鎖定的電路組成。CDR的采樣位置固定在每個(gè)比特的0.5UI位置。默認(rèn)情況下，均衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)入CDR進(jìn)行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)，然后輸出到FIR濾波器和差分驅(qū)動(dòng)器。工程師可以配置CDR數(shù)據(jù)的路由，將恢復(fù)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)發(fā)送到PRBS檢查器或其他模塊。

差分驅(qū)動(dòng)器與FIR濾波器

DS110DF1610的輸出驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)SMBus寄存器控制手動(dòng)關(guān)閉，輸出還可以啟用可選的輸出終端電阻，以減少高速系統(tǒng)中的串?dāng)_影響。FIR濾波器由前導(dǎo)抽頭、主抽頭和后沿抽頭組成，每個(gè)抽頭有極性位和64個(gè)可用級(jí)別。工程師可以通過(guò)操作drv_selvod位、DEM位和FIR主抽頭來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器的輸出差分電壓（$V{OD}$）。

2. 調(diào)試特性

模式發(fā)生器

每個(gè)通道可以配置為生成16位用戶定義的數(shù)據(jù)模式或偽隨機(jī)比特序列（PRBS），支持PRBS - 7、PRBS - 9、PRBS - 15和PRBS - 31等序列。用戶定義的模式還可以設(shè)置為每隔16位符號(hào)自動(dòng)反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)DC平衡。

模式檢查器

模式檢查器可以手動(dòng)設(shè)置為鎖定特定的PRBS序列和極性，也可以自動(dòng)檢測(cè)輸入模式和極性。它由一個(gè)47位比特計(jì)數(shù)器和一個(gè)11位錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器組成，在讀取計(jì)數(shù)器之前需要先凍結(jié)模式檢查器。

眼圖監(jiān)測(cè)器

EOM可以用于水平眼圖開(kāi)口（HEO）和垂直眼圖開(kāi)口（VEO）的測(cè)量，以及全眼圖捕獲。在CDR鎖定時(shí)，可以隨時(shí)從通道寄存器0x27和0x28讀取HEO和VEO的值，并通過(guò)相應(yīng)的公式轉(zhuǎn)換為實(shí)際單位。進(jìn)行全眼圖捕獲時(shí)，需要按照特定的步驟在通道寄存器中進(jìn)行配置。

中斷信號(hào)

DS110DF1610可以配置為將不同的事件報(bào)告為中斷信號(hào)，這些中斷信號(hào)不影響設(shè)備的正常運(yùn)行，只是報(bào)告所選事件的發(fā)生。寄存器中的中斷位是粘性位，一旦事件觸發(fā)中斷，狀態(tài)位將保持高電平，直到被讀取。

3. 其他特性

鎖定順序器

為了減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功耗尖峰，內(nèi)部鎖定順序器會(huì)限制同時(shí)允許嘗試鎖定的活動(dòng)通道數(shù)量。鎖定順序器會(huì)根據(jù)通道檢測(cè)到的信號(hào)情況分配令牌，通道鎖定后會(huì)將令牌返回。工程師可以通過(guò)共享寄存器配置鎖定順序器，控制哪些通道可以嘗試鎖定以及同時(shí)允許嘗試鎖定的通道數(shù)量。

RESET_IO引腳

RESET_IO引腳模擬上電復(fù)位（POR），在信號(hào)上升沿觸發(fā)復(fù)位，重新初始化整個(gè)設(shè)備，包括SMBus地址引腳設(shè)置和恢復(fù)共享和通道寄存器的默認(rèn)值。不建議長(zhǎng)時(shí)間將RESET_IO引腳保持在低電平狀態(tài)，上電時(shí)應(yīng)將其保持在高電平，上電后將其脈沖低電平至少10 μs以執(zhí)行復(fù)位。

四、設(shè)備功能模式

1. SMBus從模式

在SMBus主模式和從模式下，DS110DF1610都通過(guò)SMBus進(jìn)行配置。SMBus由SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時(shí)鐘線）兩條線組成，這兩條線都是開(kāi)漏的，需要上拉電阻連接到電源電壓（2.5V或3.3V）。設(shè)備需要分配一個(gè)唯一的SMBus地址，可以通過(guò)GPIO1和GPIO0引腳進(jìn)行配置。

2. 寄存器編程

DS110DF1610的寄存器分為全局寄存器、共享寄存器和通道寄存器。全局寄存器用于選擇要寫入的通道寄存器，共享寄存器控制或觀察影響所有通道操作的設(shè)置，通道寄存器用于設(shè)置設(shè)備的所有配置參數(shù)。在編程時(shí)，需要注意一些寄存器是按位字段劃分的，修改部分位時(shí)需要先讀取當(dāng)前寄存器值，修改后再寫回。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用

DS110DF1610通常配置為SMBus從模式編程，通過(guò)單個(gè)2.5V電源平面供電。電源濾波需要根據(jù)系統(tǒng)的電源噪聲情況進(jìn)行調(diào)整，SMBus和LVCMOS信號(hào)使用2.5V邏輯。差分參考時(shí)鐘通過(guò)1μF AC耦合電容應(yīng)用到設(shè)備，高速信號(hào)以四個(gè)一組的方式連接到設(shè)備，以便利用4x4交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)。由于設(shè)備的高速接收器輸入包含AC耦合電容，信號(hào)可以直接連接到設(shè)備，而發(fā)射輸出應(yīng)連接到靠近接收ASIC輸入的AC耦合電容。

2. 初始化設(shè)置

設(shè)備的典型初始化序列包括共享寄存器配置、參考時(shí)鐘分頻器設(shè)置、鎖定順序器配置以及通道寄存器配置。通道寄存器配置需要對(duì)所有需要的通道進(jìn)行重復(fù)操作，包括CDR復(fù)位、自適應(yīng)模式配置、數(shù)據(jù)速率選擇、輸出驅(qū)動(dòng)器 $V_{OD}$ 和FIR配置等。

數(shù)據(jù)速率選擇

數(shù)據(jù)速率可以通過(guò)速率/子速率表或手動(dòng)編程的方式進(jìn)行設(shè)置。速率/子速率表中包含了一些常見(jiàn)的數(shù)據(jù)速率和對(duì)應(yīng)的分頻器設(shè)置，工程師可以直接選擇使用。如果需要使用表中沒(méi)有的數(shù)據(jù)速率，則需要手動(dòng)計(jì)算并編程。手動(dòng)編程時(shí)，需要先選擇一個(gè)分頻器分組，然后計(jì)算第一組和第二組的設(shè)置，并將相應(yīng)的值寫入通道寄存器。

3. 電源供應(yīng)建議

DS110DF1610的電源引腳在BGA基板上內(nèi)部短路，方便電路板設(shè)計(jì)師分布旁路電容進(jìn)行電源濾波。通常，電源濾波包括一個(gè)22 μF的大容量電容和一組0.1 μF的電容，這些電容應(yīng)靠近設(shè)備放置。根據(jù)系統(tǒng)條件，可能需要額外的旁路電容或不同值的電容。

六、總結(jié)

DS110DF1610作為一款高性能的16通道重定時(shí)器，具有豐富的特性和靈活的配置選項(xiàng)，能夠滿足各種高速串行鏈路設(shè)計(jì)的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的項(xiàng)目要求，合理配置設(shè)備的參數(shù)，注意電源濾波和信號(hào)連接等細(xì)節(jié)，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的可靠傳輸。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助大家更好地了解和使用DS110DF1610，在高速電路設(shè)計(jì)中取得更好的成果。

你在使用DS110DF1610的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？或者對(duì)它的某個(gè)特性有更深入的見(jiàn)解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法！