探秘DS160PR1601：16Gbps 16通道线性转接驱动器的卓越性能与应用实践

在当今高速数据传输的时代，PCIe 4.0和UPI 2.0等接口的广泛应用对数据传输的速率和稳定性提出了更高的要求。DS160PR1601作为一款专为满足这些需求而设计的16Gbps 16通道线性转接驱动器，凭借其出色的性能和丰富的特性，成为了众多工程师在高速数据传输设计中的首选。

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特性剖析：高性能与低功耗的完美结合

多接口支持与高速传输

DS160PR1601是一款32通道（每个方向16通道）x16（16通道）的低功耗高性能线性中继器或转接驱动器，它支持PCIe 4.0、UPI 2.0和其他接口，最高可支持16Gbps的数据速率。这种多接口支持和高速传输能力，使得它能够在不同的应用场景中灵活使用，为系统的高速数据传输提供了有力保障。

关键特性亮点

• 集成交流耦合电容器：封装内TX引脚上有64个集成交流耦合电容器，大大节省了布板空间，让电路板设计更加紧凑。
• CTLE均衡器：接收器部署了连续时间线性均衡器（CTLE），可提供可编程高频增强功能，有效打开因PCB布线等互连介质引起的码间串扰（ISI）而关闭的输入眼图，提高信号的质量。
• 超低延迟与抖动：具有130 ps的超低延迟和PRBS数据的100 fs低附加随机抖动，确保了数据传输的高效性和稳定性。
• 低回波损耗：在8GHz时具有 -13dB的超低RX/TX回波损耗，减少了信号反射对传输性能的影响。
• 单电源与低功耗：采用3.3V单电源供电，每个通道的有功功率仅为160mW，实现了低功耗运行。
• 灵活编程与配置：支持I2C/SMBus或EEPROM编程，针对PCIe用例具有自动接收器检测功能，无缝支持PCIe链路训练，内部稳压器具有抗电源噪声能力，为系统的配置和运行提供了极大的便利。

应用领域：广泛覆盖，满足多样需求

DS160PR1601的应用领域非常广泛，涵盖了多个高性能计算和数据存储领域：

• 服务器领域：在机架式服务器、微服务器和塔式服务器中，可用于提升PCIe链路的传输性能，确保服务器之间的数据高速稳定传输。
• 高性能计算：为硬件加速器提供信号增强和均衡功能，提高计算效率。
• 数据存储：在网络连接存储、存储区域网络（SAN）和主机总线适配器（HBA）卡中，保障数据的可靠存储和快速读写。
• 网络通信：适用于网络接口卡（NIC），增强网络数据的传输能力。
• 台式计算机：可用于台式计算机或主板，提升PCIe接口的性能。

技术规格：全面了解性能边界

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。DS160PR1601的绝对最大额定值规定了其在不同参数下的极限值，如电源电压、I/O电压、结温等。超出这些额定值可能会导致器件永久性损坏，因此在设计中必须严格遵守。

ESD和闩锁额定值

该器件具有良好的静电放电（ESD）和闩锁保护能力。在人体模型（HBM）下，其ESD耐压可达+2000V；在带电设备模型（CDM）下，耐压为±500V。同时，信号引脚的闩锁免疫水平也符合相关标准，确保了器件在复杂环境下的可靠性。

推荐工作条件

为了使DS160PR1601发挥最佳性能，需要在推荐的工作条件下使用。这些条件包括电源电压、电源噪声容限、数据速率等。例如，电源电压应在3.0V至3.6V之间，电源噪声在不同频率范围内有相应的容限要求。

热信息

热性能是高速器件设计中不可忽视的因素。DS160PR1601的热信息给出了其在不同散热路径下的热阻和表征参数，如结到环境、结到外壳、结到电路板的热阻等。通过合理的散热设计，可以确保器件在工作过程中保持稳定的温度。

电气特性

DS160PR1601的电气特性包括直流电气特性和高速电气特性。直流电气特性描述了器件在静态条件下的性能，如电源功率、控制IO的电压和电流等；高速电气特性则关注器件在高速信号传输时的性能，如输入输出的回波损耗、抖动、增益等。这些特性为工程师在设计高速电路时提供了重要的参考依据。

详细描述：深入探究工作原理

功能概述

DS160PR1601的信号通道相互独立，每个通道包含一个连续时间线性均衡器（CTLE）和一个线性输出驱动器。CTLE用于补偿传输通道的损耗，线性输出驱动器则保持发射预设信号特性。该器件可以通过SMBus/I2C Primary mode或SMBus/I2C Secondary mode进行配置，为不同的应用场景提供了灵活的选择。

控制与配置接口

引脚配置

器件的16个数据通道通过xADDRx和PDx引脚进行分组，用于I2C配置和PCIe状态机分组。这些引脚在设备上电时进行采样，设置SMBus / I2C二次地址和控制设备的电源状态。

五电平控制输入

5级输入引脚通过电阻分压器设置5个有效电平，为设备的配置提供了更广泛的控制范围。外部电阻的公差应在10%或更好，以确保控制的准确性。

SMBUS/I2C寄存器控制接口

通过SMBus / I2C寄存器可以对DS160PR1601进行配置。在不同的模式下，SCL和SDA引脚需要通过上拉电阻连接到3.3V电源。具体的寄存器设置和控制配置程序可参考《DS160PR1601 Programming Guide》。

SMBus/I2C主模式配置

当MODE引脚设置为L1时，器件可以通过读取EEPROM进行配置。在设备初始上电后，当READ_EN_N引脚被拉低时，器件会尝试从外部EEPROM中读取配置信息。读取成功后，ALL_DONE_N引脚会被拉低。在这个过程中，需要注意EEPROM的大小、地址和操作频率等参数。

特性描述

线性均衡

CTLE提供20种可用的均衡增益设置，可通过SMBus/I2C寄存器进行设置。不同的设置对应不同的高频增益，以适应不同的传输通道损耗。

平坦增益

DS160PR1601的整体数据路径平坦增益（DC和AC）可以通过SMBus/I2C寄存器进行编程。有5种可用的平坦增益设置，可根据实际需求进行选择。

模拟EyeScan

该特性允许监测每个数据通道在接收器CTLE阶段后的内部眼图，通过信号统计提供垂直眼图开口估计。这对于调整CTLE和扁平增益设置、优化发射机和接收机之间的电气链路非常有用。

接收器检测状态机

DS160PR1601部署了RX检测状态机，根据PCI Express规范确定链路远端是否存在有效的PCI Express终端。通过SMBus/I2C控制接口，系统设计人员可以灵活设置设备的工作模式。

集成电容器

器件的所有TX引脚集成了64个交流耦合电容器，每个电容器的电容值为220 nF，耐压为2.5V，公差为20%。这些电容器的集成节省了电路板空间，提高了设计的紧凑性。

设备功能模式

活动PCIe模式

在该模式下，PCIe状态机通过SMBus/I2C寄存器启用，PDx引脚被拉低。DS160PR1601对PCIe RX或TX信号进行重驱动和均衡，提高信号完整性。

活动缓冲模式

PCIe状态机通过I2C寄存器禁用，适用于非PCIe应用。设备作为缓冲器提供线性均衡，改善信号质量。

待机模式

通过PDx引脚将设备置于待机模式，此时设备消耗的功率较低，以节省能源。

应用与实现：指导实际设计

应用信息

DS160PR1601作为高速线性中继器，可扩展因PCB和电缆等传输介质损耗而受损的差分通道的传输距离。在不同的应用中，需要考虑一些设计因素，以确保器件的性能得到充分发挥。

典型应用

PCIe x16通道配置

在服务器或主板应用中，DS160PR1601可用于增强发射和接收信号，增加主机或根复合体处理器到PCI Express插槽或连接器的传输距离。在设计时，需要注意以下几点：

• 阻抗匹配：与PCIe CEM连接器接口时，使用85Ω阻抗的走线，并对差分对的单端段进行P和N走线的长度匹配。
• 走线设计：差分对采用均匀的走线宽度和间距，减少信号干扰。
• 过孔处理：对连接器过孔和信号过孔进行背钻，以最小化过孔Stub长度；使用参考平面过孔，确保回流电流的低电感路径。

在PCIe Gen 3.0和4.0应用中，需要进行Rx-Tx链路训练来优化信号调节设置。DS160PR1601的线性数据路径可以传递Tx预设信号，帮助Rx进行信号恢复。通过调整设备的EQ设置，可以优化接收端的眼图开口。

应用曲线

通过对比有无DS160PR1601的PCIe 4.0链路实验，可以看出该器件能够有效扩展通道的传输距离。在EQ = 15和flat_gain = 101的设置下，可实现约16dB的额外传输距离扩展。但实际的扩展效果会受到多种信号完整性因素的影响，因此建议进行信号完整性仿真。

电源供应建议

设计电源供应时，应确保提供符合推荐工作条件的直流电压、交流噪声和启动斜坡时间。DS160PR1601不需要特殊的电源滤波，只需进行标准的电源去耦。去耦电容应靠近VCC引脚放置，以减少电源噪声对器件的影响。

布局设计

布局指南

• 去耦电容：去耦电容应尽可能靠近VCC引脚放置，如果电路板设计允许，可将其直接放置在器件下方。
• 高速差分信号：TXnP/TXnN和RXnP/RXnN高速差分信号应紧密耦合、长度匹配并进行阻抗控制。尽量避免在高速差分信号上使用过孔，如必须使用，应采取措施最小化过孔Stub长度。
• 接地处理：在高速差分信号焊盘下方可使用GND relief来改善信号完整性，同时在器件下方放置GND过孔，连接不同层的GND平面，提高热导率。

布局示例

通过TI PCIe Riser卡的布局示例，可以直观地看到DS160PR1601在实际电路板中的布局方式。该示例展示了顶层和底层的布局情况，为工程师提供了参考。

总结与展望

DS160PR1601作为一款高性能的16Gbps 16通道线性转接驱动器，凭借其丰富的特性、广泛的应用领域和良好的性能表现，为高速数据传输设计提供了可靠的解决方案。在实际应用中，工程师需要深入了解其技术规格、工作原理和应用要求，合理进行电路设计和布局，以充分发挥其优势。随着高速数据传输技术的不断发展，相信DS160PR1601将在更多的领域中得到应用，并为推动行业的发展做出贡献。

你在使用DS160PR1601的过程中遇到过哪些问题？或者你对高速数据传输设计有什么独特的见解？欢迎在评论区分享你的经验和想法。