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)計中噪聲的影響。一個采用抗干擾自適應(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，如寬輸入動態(tài)范圍、寬信號帶寬、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會影響系統(tǒng)的信號處理，嚴重時會造成系統(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)計的技術(shù)挑戰(zhàn)

要設(shè)計一個能應(yīng)對以上干擾的魯棒系統(tǒng)是一個不小的挑戰(zhàn)。自適應(yīng)電纜均衡器并非簡單的數(shù)字器件，這是設(shè)計者都必須仔細考慮的基本事實。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，當電纜長度為最大時，均衡器接收到的信號為最小。所以，均衡器的增益與帶寬要在最大值。但當輸入端未連接，沒有外接信號時，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)干擾都會被大大地放大，影響均衡器的正常工作。好的PCB設(shè)計可以阻止干擾，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)錯誤;當輸入端開路時有虛假的或隨機輸出數(shù)據(jù);信號檢測錯誤指示。

這些故障是由以下原因引起的：源于系統(tǒng)機箱內(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;其它附近電路對輸入端及/或自適應(yīng)均衡器電路(AEC)的串擾;均衡器輸入、輸出電路的耦合。ESD事件會嚴重損壞半導(dǎo)體器件，特別是當這些器件沒有導(dǎo)電包裝材料保護時，更容易遭受損害，即使半導(dǎo)體器件安裝在電路上也會被損壞。用于直接電纜接口的器件，如線路驅(qū)動器和電纜均衡器等都按照最大ESD額定電壓而設(shè)計。即便如此，只依賴于半導(dǎo)體器件本身來提供所有ESD防護，而無視其額定ESD防護值的高低，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，提高了對ESD的耐受能力。輸入電路中使用的元器件都應(yīng)當有足夠的ESD抵御能力，以應(yīng)對設(shè)計中的最大ESD事件。通過適當?shù)倪x擇與設(shè)計，所有的電路元器件(包括機箱、連接器和PCB等)均可以實現(xiàn)均衡器和其它接口器件的ESD防護。

提高性能的設(shè)計方法

以下這些設(shè)計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，用獨立的傳輸線和電源-地層，實現(xiàn)隔離、屏蔽和ESD防護;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、集電極負載電阻以及VCC和VEE管腳焊盤與層面連接時采用兩個過孔;6.不要將多根VCC和VEE管腳連接到一個過孔，因為這可能引起器件中的噪聲。

圖2a：輸入電路保護。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，干擾信號要接近輸入電路就必須沿隔離帶走一個較長的路徑。

這樣的做法增加了低通濾波效果，提高了對有害信號的衰減能力。用于提供信號環(huán)路(loop-back)功能的電纜驅(qū)動器經(jīng)常毗鄰均衡器放置。電纜驅(qū)動器的輸出信號要比均衡器接收到的信號強很多，隔離帶有助于隔離電纜驅(qū)動器信號，降低對均衡器輸入信號的干擾。在輸入電路周圍是一個良好接地的保護(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，以形成一個有效的屏蔽。均衡器差分輸入放大器的共模抑制以及對稱的輸入元件布局也可以增強RFI抑制能力。RFI在同時被兩個輸入端接收時是一種共模信號。具有平衡終結(jié)阻抗的對稱輸入電路布局可使RFI信號平均地到達兩個輸入端，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。

編輯點評：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)濟性。在自適應(yīng)電纜均衡器的設(shè)計早期采用了這些設(shè)計建議，就可以提高系統(tǒng)的性能，無需今后重新設(shè)計以解決干擾與性能的問題。