DS125BR401A：低功耗12 Gbps 4通道线性中继器详解

在高速数据传输的领域中，信号的完整性和稳定性是至关重要的。为了满足高速接口的需求，德州仪器（TI）推出了DS125BR401A低功耗12 Gbps 4通道线性中继器，下面我们就来详细了解一下这款产品。

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一、产品概述

DS125BR401A是一款超低功耗、高性能的中继器/重驱动器，专为支持四个通道的高速接口而设计，数据传输速率高达12 Gbps。它能够补偿FR - 4印刷电路板背板和平衡电缆的损耗，适用于SAS/SATA、PCI Express等高速接口应用。

二、产品特性

2.1 低功耗设计

每个通道典型功耗仅为65 mW，并且支持对未使用的通道进行掉电操作，有效降低了整体功耗。

2.2 线性均衡功能

线性均衡功能允许在PCIe和SAS中进行链路训练，B侧接收器的连续时间线性均衡器（CTLE）可在6 GHz时提供高达24 dB的高频提升，能够打开因互连介质（如背板走线或双轴铜缆）引起的符号间干扰（ISI）而完全闭合的输入眼图。A侧通道具有10 dB的线性均衡器和线性输出驱动器。

2.3 高级信号调理

• B侧I/O：接收CTLE在6 GHz时可达24 dB，发射（Tx）去加重（DE）> 10 dB，Tx输出电压范围为700 mV至1400 mV。
• A侧I/O：接收CTLE在6 GHz时可达10 dB，线性输出驱动，输出电压范围超过1200 mV，可通过端子选择、EEPROM或SMBus接口进行编程。

2.4 其他特性

• 支持带外（OOB）信令。
• 单电源电压：2.5 V或3.3 V。
• 工作温度范围为 -40°C至85°C。
• 具有4 kV HBM ESD额定值。
• 采用10mm x 5.5mm 54引脚无铅WQFN封装，布局为直通式。

三、应用领域

3.1 SAS/SATA

在SAS - 3应用中，DS125BR401A通过增加有源线性均衡来扩展通道的传输距离，将衰减的信号进行增强，以便在SAS - 3 Rx端更易于恢复信号。A通道的输出经过特殊设计，对TX FIR信令具有透明性，能够将对最佳链路训练至关重要的信息传递给SAS - 3 Rx。

3.2 PCI Express

在PCIe GEN - 3系统中使用时，有特定的信号完整性设置，以确保信号完整性裕量。这些设置是通过系统台架测试进行优化的。在下游方向（从CPU到EP）和上游方向（从EP到CPU）都有相应的推荐设置，如EQ、DEM、VOD等参数的设置。

四、详细描述

4.1 功能模式

• 终端控制模式（ENSMB = 0）：可以通过终端独立选择每一侧的均衡和去加重。对于PCIe应用，RXDET终端可提供对输入终端（50Ω或>50KΩ）的自动和手动控制。MODE_B设置也可通过终端进行控制。接收器电信号检测阈值可通过SD_TH终端进行调节。
• SMBus模式（ENSMB = 1）：VOD（输出幅度）、均衡、去加重和终端禁用功能都可以在单个通道的基础上进行编程。当ENSMB置位时，EQx和DEMx功能立即恢复为寄存器控制，EQx和DEMx终端转换为AD0 - AD3 SMBus地址输入。

4.2 编程

DS125BR401A支持通过实现SMBus主模式直接从外部EEPROM设备读取数据。在使用SMBus主模式时，需要遵循特定的准则，如最大EEPROM大小为8 kbits，设置ENSMB = Float以启用SMBus主模式，外部EEPROM设备地址字节必须为0xA0'h等。

4.3 寄存器映射

系统管理总线接口与SMBus 2.0物理层规范兼容。在SMBus模式下，DS125BR401A具有AD[3:0]输入，这些终端是用户设置的SMBus从地址输入。设备支持多达16个地址字节的设置，通过AD[3:0]输入进行配置。数据通过SMBus进行传输时，有特定的起始、停止和空闲状态，以及WRITE和READ事务的协议。

五、应用与实现

5.1 设计要求

在典型应用中，需要注意一些设计要求。例如，要根据系统配置图限制最大损耗，采用100Ω阻抗的走线，这些走线通常是松散耦合的，以简化布线长度差异。在每个通道段的接收器端附近放置交流耦合电容器，以最小化反射，交流耦合电容器的最大尺寸为0402。对连接器过孔和信号过孔进行背钻，以最小化过孔残桩长度，使用参考平面过孔确保返回电流的低电感路径。

5.2 详细设计步骤

DS125BR401A应放置在相对于整个通道衰减的偏移位置，INA侧的最大衰减为10 dB，INB侧为22 dB。输入通道段衰减最低的应始终连接到INA端口。在SAS - 3环境中，A通道的设备设置为EQ = Level 4，DEMA1 = 1和DEMA0 = 0（终端模式）或EQ = 03'h，VOD = 111'b，DEM = 000'b（SMBus模式）；B通道具有比A通道更大的信号增益，在较长的通道配置中，即使B通道输入在6 GHz时衰减约20 dB，也能通过适当的设置恢复良好的眼图。

六、电源供应建议

为了确保DS125BR401A获得充足的电源供应，建议采用两种方法。一是将电源（VDD）和接地（GND）端子连接到印刷电路板相邻层上的电源平面，尽量减小电介质的层厚度，使VDD和GND平面形成具有分布式电容的低电感电源。二是通过正确使用旁路电容器来进行电源旁路，每个VDD端子应连接一个0.1μF的旁路电容器，并尽可能靠近DS125BR401A放置。此外，还应在电源旁路设计中加入电容值在1 μF至10 μF范围内的电容器，这些电容器可以是钽电容或超低ESR陶瓷电容。

七、布局建议

7.1 布局准则

CML输入和输出经过优化，适用于使用100Ω受控差分阻抗的互连。建议将差分线专门布线在电路板的一层，特别是输入走线。尽量避免使用过孔，如果必须使用，应谨慎使用，并确保每个差分对的两侧对称放置。使用差分过孔时，布局还必须为返回电流提供低电感路径。将差分信号远离印刷电路板上的其他信号和噪声源。

7.2 布局示例

为了最小化串扰的影响，应保持线对间和线对内间距的比例为5:1或更大。通过增加每个过孔周围的焊盘尺寸，并为返回电流提供低电感路径，可以最小化或消除差分过孔处的阻抗不连续性。对于厚背板PCB的过孔结构，通常会采用背钻等进一步优化措施，以减少过孔残桩对信号路径的高频有害影响。

八、总结

DS125BR401A以其低功耗、高性能和丰富的功能特性，在高速数据传输领域具有很强的竞争力。无论是在SAS/SATA还是PCI Express等应用中，都能通过其先进的信号调理和均衡功能，有效提升信号的传输质量和稳定性。在实际设计过程中，严格遵循其电源供应、布局等方面的建议，能够充分发挥该产品的优势，为高速接口设计提供可靠的解决方案。电子工程师们在面对高速数据传输设计挑战时，DS125BR401A无疑是一个值得考虑的优秀选择。