探索DS160PR822：高性能PCIe 4.0线性转接驱动器的技术剖析与应用指南

在高速数据传输领域，PCIe 4.0技术正逐渐成为主流，为满足其对信号传输质量和距离的要求，德州仪器（TI）推出了DS160PR822八通道低功耗高性能线性转接驱动器。本文将深入剖析DS160PR822的特性、规格、工作模式及应用场景，为电子工程师在设计相关系统时提供全面的参考。

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1. 特性与概述

DS160PR822专为支持速率高达16Gbps的PCIe 4.0和Ultra Path Interface (UPI) 2.0而设计，是一款与协议无关的线性转接驱动器。它具有以下显著特性：

• 多通道支持：八通道线性均衡器，可支持高达16Gbps的PCIe 4.0，同时提供四个2x2交叉点多路复用器功能。
• 协议兼容性：支持多种高速接口，如UPI、DisplayPort、SAS、SATA、XFI等。
• 均衡功能：配备连续时间线性均衡器（CTLE），可处理高达42dB的PCIe 4.0通道损耗，在8GHz下可提供最高18dB的增益。
• 低延迟：仅90ps的超低延迟，确保信号的快速传输。
• 低功耗：每通道有功功率仅107mW，无需散热器。
• 灵活配置：支持引脚搭接、SMBus/I2C或EEPROM编程，可根据不同应用场景进行灵活配置。

2. 规格参数

2.1 绝对最大额定值

DS160PR822在不同电压和温度条件下有明确的绝对最大额定值，如电源电压（VCC）范围为 -0.5V至4.0V，不同类型的I/O电压也有相应的限制，以确保器件的安全运行。

2.2 ESD额定值

该器件具有良好的静电放电（ESD）防护能力，人体模型（HBM）可达+3000V，带电设备模型（CDM）可达±500V。

2.3 推荐工作条件

在推荐工作条件下，电源电压（VCC）为3.0V至3.6V，工作结温范围为 -40°C至115°C，环境温度范围为 -40°C至85°C，以保证器件的性能和稳定性。

2.4 电气特性

DS160PR822的电气特性包括直流和高速电气特性。在直流特性方面，每通道有功功率典型值为107mW，输入输出电压、电流等参数也有明确的规定。在高速特性方面，输入输出的回波损耗、隔离度、抖动等指标表现出色，如输入差分回波损耗在50MHz至8.0GHz范围内可达 -16dB至 -25dB，附加随机抖动仅70fs。

3. 详细描述

3.1 功能框图

DS160PR822的功能框图展示了其内部结构，包括信号通道、CTLE、输出驱动器、交叉点多路复用器等部分，各部分协同工作，实现信号的均衡、放大和路由。

3.2 特性描述

3.2.1 线性均衡

DS160PR822的接收器采用CTLE，可通过EQ控制引脚设置不同的均衡增益，以补偿无源通道的频率相关插入损耗。在Pin Control模式下，可根据表7 - 1设置不同的EQ INDEX，获得相应的典型EQ增益。

3.2.2 平坦增益

GAIN1和GAIN0引脚可用于设置DS160PR822的整体数据路径平坦增益（DC和AC），默认推荐设置为GAIN1,0 = L3（浮动）。

3.2.3 接收器检测状态机

该器件部署了RX检测状态机，可根据PCI Express规范确定链路远端是否存在有效的PCI Express终端。RX_DET引脚为系统设计人员提供了额外的灵活性，可根据表7 - 2设置不同的检测状态。

3.2.4 交叉点功能

DS160PR822提供四个2x2交叉点功能，通过SEL1和SEL0引脚可将8通道信号路径配置为直通连接或交叉连接。

3.3 设备功能模式

3.3.1 活动PCIe模式

当RX_DET = L1/L2/L3时，设备处于正常工作状态，PCle状态机启用，可对PCIe RX或TX信号进行重驱动和均衡，以提高信号完整性。

3.3.2 活动缓冲模式

当RX_DET = L0时，PCle状态机禁用，设备作为缓冲器工作，提供线性均衡以改善信号完整性，适用于非PCIe应用场景。

3.3.3 待机模式

当PD1,0 = H时，设备进入待机模式，以节省功耗。

3.4 编程

3.4.1 引脚模式

DS160PR822可通过引脚搭接进行完全配置，其中4级输入引脚（EQ0_0, EQ1_0, EQ0_1, EQ1_1, GAIN0, GAIN1, MODE, and RX_DET）用于控制设备的配置，这些引脚在电源上电时采样。

3.4.2 SMBUS/I2C寄存器控制接口

当MODE = L2（SMBus / I2C从控制模式）时，可通过标准I²C或SMBus接口对DS160PR822进行配置，以实现最佳信号完整性。

3.4.3 SMBus/I2C主模式配置（EEPROM自加载）

当MODE引脚设置为L1时，设备可从EEPROM读取配置信息。在这种模式下，设备上电后，当READ_EN_N引脚被拉低时，设备成为SMBus主设备，尝试从外部EEPROM读取设备设置。

4. 应用与实现

4.1 应用信息

DS160PR822是一款高速线性中继器，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，适用于多种不同的系统。

4.2 典型应用

该器件可用于多种接口，包括PCI Express 1.0/2.0/3.0/4.0、Ultra Path Interconnect (UPI) 1.0/2.0、DisplayPort 2.0、SAS、SATA、XFI等。在PCI Express应用中，其协议无关的特性使其可用于PCI Express x4、x8和x16应用。

4.3 设计考虑

4.3.1 设计要求

在设计过程中，需要考虑以下关键因素：

• 使用85Ω阻抗迹线与PCIe CEM连接器接口，并对差分对的P和N迹线进行长度匹配。
• 差分对采用均匀的迹线宽度和间距。
• 在每个通道段的接收器端附近放置交流耦合电容器，以减少反射。
• 对连接器过孔和信号过孔进行背钻，以最小化残桩长度。
• 使用参考平面过孔，确保回流电流的低电感路径。

4.3.2 详细设计过程

在PCIe Gen 4.0和Gen 3.0应用中，需要进行Rx - Tx链路训练，以建立和优化信号调理设置。DS160PR822的线性数据路径可将Tx预设信号传递到Rx，以训练和优化均衡设置，帮助扩展PCB迹线的传输距离。

4.3.3 应用曲线

DS160PR822可将PCIe链路的总通道损耗从原来的28dB提高到42dB（8GHz）。通过合理设置CTLE和TX均衡，可补偿通道损耗，打开眼图，提高信号质量。

5. 电源供应与布局建议

5.1 电源供应建议

设计电源时，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。DS160PR822不需要特殊的电源滤波，仅需标准的电源去耦，包括每个VCC引脚的0.1µF电容器、每个设备的1.0µF大容量电容器和每个电源总线的10µF大容量电容器。

5.2 布局指南

在布局设计中，应遵循以下原则：

• 去耦电容器应尽可能靠近VCC引脚放置。
• 高速差分信号TXnP/TXnN和RXnP/RXnN应紧密耦合、偏斜匹配和阻抗控制。
• 尽量避免在高速差分信号上使用过孔，如需使用，应尽量减小过孔残桩。
• 可在高速差分信号焊盘下方使用GND relief，以改善信号完整性。
• 在设备下方直接放置GND过孔，以提高设备与电路板之间的热导率。

6. 总结

DS160PR822是一款功能强大的PCIe 4.0线性转接驱动器，具有多通道支持、高性能均衡、低延迟、低功耗等优点。通过灵活的配置方式和丰富的功能特性，它可广泛应用于各种高速数据传输系统中。在设计过程中，工程师需要根据具体应用场景，合理选择配置方式和优化布局，以充分发挥DS160PR822的性能优势。同时，需要注意遵循TI提供的设计指南和规格要求，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用DS160PR822或类似器件的过程中，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。