信号调理产品电路设计与寄存器配置

电子设计 2018-03-12 08:45 次阅读

在高速信号电路设计中,TI的信号调理产品被广泛使用。其中retimer类产品涉及到寄存器配置,因此相比较而言,它的使用最为复杂。本文将以DS125DF1610为例,具体讲解retimer类产品的电路设计与寄存器配置。

下图是DS125DF1610产品资料中的典型应用图。

硬件电路设计可以概括为四个关键部分:

1. 电源:TI的retimer产品供电方式都非常简单,一般只需2.5V单电源,像DS125DF111还可以支持单3.3V供电。从下表可以看到,retimer对电源噪声性能要求不高,通常情况下可以采用DC/DC电源方案,在供电管脚增加适当的滤波电容即可。

            

另外,电源选型时还需要注意功耗问题,在芯片资料中都会给出各种功能组合下的功耗,那么我们就可以根据实际应用计算出最大的功耗,作为电源方案选择的一个参考标准。

2. 时钟:外部参考时钟主要是给retimer内部VCO提供一个校准的参考,它只要求频率的精度在+/-100ppm范围之内即可,而对phase noise没有特别的要求。需要注意的是不同的retimer支持的时钟频率和电平有区别。像DS125DF1610可以支持25 MHz,125 MHz和312.5MHz的单端或差分输入,而大部分10G retimer,比如DS125DF111只支持25MHz的单端输入。设计时需要根据数据手册来进行选择。

  

3. AC耦合电容:高速信号传输通常需要做AC耦合,考虑到布板的方便性以及信号的完整性,TI部分retimer产品在芯片内部会集成该耦合电容,这个需要设计时从产品手册上去确认,避免遗漏或者重复添加。

4. I/O口耐压:如前面所讲,TI retimer一般都是2.5V单电源供电,因此需要注意它的I/O口耐压问题。为了方便与板上主控芯片的对接,retimer内部对I2C,RESET和INTERRUPT口做了特殊处理,都允许直接上拉到3.3V,这个可以从典型应用图上看到。而其他I/O口就需要注意不能超过电源供电电压。

高速信号电路设计还有一个非常重要的地方就是PCB layout,它直接影响信号传输中的性能。在layout时,我们需要注意:

信号、电源和地层的合理分配,信号尽可能的远离噪声源;

保持高速差分线的对称,以及阻抗控制在100Ω±5%以内;

避免差分线的剧烈弯折,使用45°或者曲线弯折;

保证不同差分线对间的skew匹配。

沿信号路径,避免参考平面的不连续而引起阻抗的变化,注意电流返回路径;

AC耦合电容最大选择0402封装,尽可能的保证走线宽度一致,尽量减少过孔数量;

选择的连接器要能满足最高速率性能要求。

在做电路设计时,只要注意到上面提到的这些地方,应该就可以保证芯片正常上电工作和传输链路上信号的性能,接下来我们需要做的是寄存器配置。需要注意,上电后系统最佳的配置顺序是先ASIC,后retimer。这是因为如果retimer先于ASIC 配置,那么这时ASIC高速I/O口发送的数据不稳定,而retimer只要检测到有信号后,就会尝试去锁定,此时自适应出来的参数就不是最优的。

下面还是以DS125DF1610为例,假设外部采用125MHz的参考时钟,系统需要兼容12.5Gbps和6.25Gbps速率,下表就是我们常用到的配置流程。

在讲解retimer配置的具体步骤之前,需要了解什么是掩码方式写入。因为在配置寄存器时,只能对需要配置的bit位进行修改,而其他bit位要保持默认值不变。

以step 2为例,需要对寄存器0x02进行掩码为0x60的写入操作,写入值为0x20。首先,掩码0x60展开后只有bit 5和6为1,也就是说我们只能修改寄存器0x02的bit 5和6,写入的值为数据0x20相对应的bit位值,而寄存器其他bit位要保持出厂默认值不变。

下面将详细说明每步配置的作用。

Step 1:retimer内部寄存器一般分成两类:shared寄存器和channel寄存器。像retimer的一些全局信息,比如chip ID,外部参考时钟的选择等等都在shared寄存器里。因此在配置之前,要清楚将要操作的是哪类寄存器。寄存器0xFF的bit 0就是进行选择。

Step 2:在step 1中已经选定操作的是shared寄存器,所以接下来对0x02寄存器的操作就是选择外部参考时钟,根据datasheet给出的值选中即可。

Step 3~5:一般shared寄存器需要操作的就是选择参考时钟,其它的配置都在channel寄存器中。首先Step 3选中channel寄存器,step 4和5选择哪些channel将同时被修改。如果所有channel采用相同配置,最简便的方法就是将0xFF的bit 1置为1,那么将会以广播的方式修改所有通道,而不用再去配置channel选择寄存器。

Step 6:配置channel寄存器前,将CDR置于复位状态,以保证配置没有完成之前,retimer不会尝试去锁定。

Step 7:CDR锁定速率有两种配置方式。如果系统速率是常见的标准速率,比如下表中列举的值,那么我们直接选择相应的寄存器值即可。但如果不是标准速率,比如11.3Gbps,那么我们就需要采用手动计算VCO工作频率,具体步骤可以参考DS125DF1610产品资料的8.3.2章节。

Step 8:根据CDR锁定时CTLE和DFE自适应算法的区别,通常有四种工作模式可选。如下表,可以根据调试情况,通过寄存器0x31选择其中一种。

四种模式具体区别如下:

Mode 0:手动模式,CTLE和DFE均需要手动设置;

Mode 1:CTLE自适应,而DFE需要手动设置;

Mode 2:CTLE首先自适应到一个最优的设置,然后DFE再自适应调整;

Mode 3:CTLE首先自适应到一个最低要求的水平,然后DFE自适应到最佳设置,最后CTLE再重新自适应到最佳的水平。

Step 9:根据上一步选择的工作模式确定是否需要使能DFE。

Step 10~15:高速接口都是只有接收侧参数可以自适应,发送侧参数需要手动设置。Step 10到15就是用于配置retimer发送信号幅度,加重和FIR滤波器。

Step 16:释放CDR复位。

通常情况下,完成上面的配置后,retimer就可以正常锁定工作。如果测试中链路上有误码的话,则需要根据实际情况去优化各个参数。

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