可調(diào)電纜均衡器將寬帶差分接收器與模擬開(kāi)關(guān)相結(jié)合

5類（Cat-5）非屏蔽雙絞線（UTP）電纜最初用于傳輸LAN流量，由于其可觀的性能和低成本，已成為許多其他信號(hào)傳輸應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)解決方案。例如，一個(gè)流行的應(yīng)用是鍵盤(pán)-視頻-鼠標(biāo)（KVM）網(wǎng)絡(luò)，其中四個(gè)雙絞線中的三個(gè)承載紅色，綠色和藍(lán)色（RGB）視頻信號(hào)。

與任何傳輸介質(zhì)一樣，Cat-5對(duì)其攜帶的信號(hào)施加傳輸損耗，表現(xiàn)為信號(hào)分散和高頻成分損失。除非采取措施來(lái)補(bǔ)償這些損失，否則它們會(huì)使電纜在合理的距離上傳輸高分辨率視頻信號(hào)時(shí)毫無(wú)用處。這里介紹的是一種實(shí)用技術(shù)，通過(guò)在電纜的接收端引入均衡器 （EQ） 來(lái)補(bǔ)償 Cat-5 損耗，均衡器具有十一 （11） 個(gè)可切換的電纜范圍設(shè)置。由于EQ的每個(gè)設(shè)置都提供適當(dāng)?shù)念l率相關(guān)增益來(lái)彌補(bǔ)電纜損耗，因此EQ-電纜組合適用于高分辨率視頻傳輸。

EQ 設(shè)計(jì)的第一步是推導(dǎo)出 Cat-5 頻率響應(yīng)的模型。眾所周知，金屬電纜的頻率響應(yīng)遵循低通特性，其指數(shù)滾降取決于頻率的平方根。圖 1 描述了 Cat-5 從 100 英尺（30.48 米）到 1000 英尺（304.8 米）的長(zhǎng)度的這種關(guān)系，增量為 100 英尺。在此圖中，應(yīng)該很明顯，給定頻率下的功率損耗由恒定的衰減率（以dB/ft表示）為特征。

表I顯示了Cat-5等效電壓衰減幅度與相同電纜長(zhǎng)度的頻率的函數(shù)關(guān)系，如圖1所示。

表一 Cat-5電纜的電壓衰減幅度比。例如，500 英尺長(zhǎng)的電纜將 10MHz、1V 信號(hào)衰減到 0.32 V，相當(dāng)于大約 –9.90 dB（圖 1）。

圖1.各種長(zhǎng)度的 Cat-5 電纜的頻率響應(yīng)。

使用表I中的數(shù)據(jù)，每個(gè)電纜長(zhǎng)度的頻率響應(yīng)可以通過(guò)基于負(fù)實(shí)軸極零傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型近似。具有最小二乘多項(xiàng)式曲線擬合功能的眾多可用數(shù)學(xué)軟件包中的任何一個(gè)都可用于執(zhí)行近似。圖1表明，對(duì)于高頻下的長(zhǎng)電纜（由于斜率陡峭，超過(guò)20 dB/十倍頻程），需要連續(xù)的負(fù)實(shí)軸極點(diǎn)以獲得緊密配合，而在低頻下（為了擬合近線性斜率），需要交替的極點(diǎn)和零點(diǎn)。舉一個(gè)極端的例子，1000 MHz 的 100 英尺電纜的頻率響應(yīng)大約為 1/f4，這只能通過(guò)具有多個(gè)連續(xù)極點(diǎn)的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。

均衡是通過(guò)通過(guò)均衡器傳遞通過(guò)電纜接收的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，均衡器的傳遞函數(shù)是電纜極零模型傳遞函數(shù)的倒數(shù)。為了中和電纜的頻率依賴性，EQ 具有與電纜模型的零點(diǎn)重合的極點(diǎn)和與電纜模型的極點(diǎn)重合的零點(diǎn)。

無(wú)源RC網(wǎng)絡(luò)的特性之一是其驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗的交替極點(diǎn)和零點(diǎn)僅限于負(fù)實(shí)軸。該特性也適用于那些具有傳遞函數(shù)的操作放大器電路，該傳遞函數(shù)由反饋?zhàn)杩古c增益阻抗（Zf/Zg），其中這些阻抗是 RC 網(wǎng)絡(luò)。（該屬性不適用于其他情況，例如合成共軛極點(diǎn)對(duì)的有源 RC 濾波器部分。

對(duì)于實(shí)用的均衡器設(shè)計(jì)，我們更傾向于基于單個(gè)放大器級(jí)的均衡器，以保持其可調(diào)性可控性，并最大限度地降低成本和復(fù)雜性。這里要討論的均衡器使用Budak描述的前一種類型的RC網(wǎng)絡(luò)，具有交替的極點(diǎn)和零點(diǎn);但這種設(shè)計(jì)排除了使用單個(gè)放大器級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)在所有頻率下補(bǔ)償電纜模型中連續(xù)極點(diǎn)所需的連續(xù)零點(diǎn)。作為為高頻長(zhǎng)電纜以外的所有電纜提供良好均衡的折衷方案，所選設(shè)計(jì)使用單個(gè)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)零點(diǎn)和兩個(gè)極點(diǎn)，在負(fù)實(shí)軸上交替。

由于均衡需要增加頻帶高端的增益，因此需要低噪聲放大器。為了避免由于放大器動(dòng)態(tài)特性而引入顯著誤差，需要大增益帶寬乘積。對(duì)于此應(yīng)用的特定設(shè)計(jì)要求，放大器必須能夠執(zhí)行具有電壓增益的頻率相關(guān)差分至單端變換。ADI公司的AD8129就是這樣一款放大器，是EQ中基本頻率相關(guān)增益級(jí)的核心。 圖2顯示了AD8129的雙差分輸入架構(gòu)，以及適用于需要電壓增益的應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)配置。

圖2.AD8129采用標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)增益配置。

可以看出，AD8129的電路和工作原理與傳統(tǒng)運(yùn)算放大器不同;主要情況下，它為設(shè)計(jì)人員提供了差分輸入和反饋網(wǎng)絡(luò)之間的電路分離。兩個(gè)輸入級(jí)是高阻抗、高共模抑制（CMR）、寬帶、高增益跨導(dǎo)放大器，具有緊密匹配gm.兩個(gè)跨導(dǎo)放大器的輸出電流相加（高阻抗），求和節(jié)點(diǎn)處的電壓緩沖以提供低阻抗輸出。放大器A的輸出電流等于放大器B輸出電流的負(fù)數(shù)，并且它們的跨導(dǎo)緊密匹配，因此施加在放大器B周圍的負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)v外達(dá)到迫使放大器B的輸入電壓等于放大器A輸入電壓的負(fù)數(shù)的水平。從上面的討論中，理想情況下的閉環(huán)電壓增益可以表示為：

均衡器是使用該增益公式設(shè)計(jì)的，RC網(wǎng)絡(luò)用于Zf和Zg.其規(guī)范電路如圖3所示，表示設(shè)計(jì)用于補(bǔ)償給定長(zhǎng)度電纜的均衡器。

圖3.均衡器的規(guī)范電路。

在圖3中，上部跨導(dǎo)放大器的高差分輸入阻抗有助于為通過(guò)Cat-5電纜接收的信號(hào)提供良好的阻抗匹配;下部放大器提供負(fù)反饋電路，實(shí)現(xiàn)頻率相關(guān)增益。電路的波特圖具有高通特性，如圖4所示。Zn和Pn是均衡器的相應(yīng)零點(diǎn)和極點(diǎn)。

圖4.典型均衡器電路的波特圖。

在下面的分析中，圖4中的極點(diǎn)-零點(diǎn)對(duì)充分分離，電容可以近似為短路或開(kāi)路。極點(diǎn)和零點(diǎn)頻率以弧度/秒表示。在低頻時(shí)，所有電容器都是開(kāi)路的，增益很簡(jiǎn)單

該增益設(shè)置為補(bǔ)償平坦（即直流）損耗，包括由于匹配和電纜的低頻平坦損耗引起的任何損耗。它還提供均衡短電纜時(shí)穩(wěn)定AD8129所需的平坦增益（下文將詳細(xì)介紹）。

頻率上移，最低頻率極點(diǎn)零EQ部分，包括串聯(lián)R情 商和C情 商，開(kāi)始生效，生產(chǎn)Z1和P1.通過(guò)近似 Cf和 CS作為開(kāi)路，可以寫(xiě)出以下等式：

(3)

頻率響應(yīng)的大小漸近接近

如C情 商接近短路。

隨著頻率的增加，CS開(kāi)始生效，引入另一個(gè)零，Z2.的主要功能Cf是通過(guò)補(bǔ)償來(lái)保持放大器穩(wěn)定CS.通過(guò)初步近似Cf作為開(kāi)路（Cf <

最后P2可以表示為：

(5)

在 P 之間2和 P3，頻率響應(yīng)的大小漸近于由Cf和CS,

這是導(dǎo)致P3所以P3，這是由于放大器的主極點(diǎn)滾降，可以近似為：

哪里一個(gè)O是放大器的直流開(kāi)環(huán)增益，Ωp是放大器的主極點(diǎn)。該結(jié)果直接來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器增益帶寬分析。P3由放大器的增益帶寬積施加，并設(shè)置均衡器的近似頻率上限。利用上述結(jié)果以及電纜的極零點(diǎn)模型，可以為任何實(shí)際長(zhǎng)度的電纜設(shè)計(jì)均衡器，該電纜可以通過(guò)兩個(gè)交替的極零對(duì)進(jìn)行建模，前提是放大器具有足夠高的增益帶寬積。

為了使均衡器在很寬的電纜長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)揮作用，它必須是可調(diào)節(jié)的。增加可調(diào)性的簡(jiǎn)單方法是在AD8129的反饋引腳和地之間切換不同的RC網(wǎng)絡(luò)。此方案如圖 5 所示。

圖5.帶可切換部分的均衡器。

圖 5 中的每個(gè) EQ 部分都適用于各種電纜長(zhǎng)度。部分 EQ0 覆蓋 0 到 50 英尺，部分 EQ10 覆蓋 950 到 1000 英尺。其他部分以 100 英尺、200 英尺等為中心，從其中心覆蓋 ±50 英尺。此分辨率足以滿足大多數(shù) RGB 應(yīng)用的需求。

實(shí)際問(wèn)題

AD8129在增益大于10 V/V時(shí)保持穩(wěn)定，標(biāo)稱相位裕量為56°，但如果注意布局和寄生電容，它可以在增益為8的情況下成功工作，其中相位裕量約為45°。在高頻時(shí)需要這種增益。對(duì)于較長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度，均衡器的高通特性提供了足夠的高頻增益。但是，對(duì)于0至300英尺之間的電纜長(zhǎng)度，為了保持AD8129的穩(wěn)定，需要額外的平坦增益。由于超額增益是平坦的，因此可以通過(guò)調(diào)整Rf/Rg比，并通過(guò)在均衡器中通過(guò)相同量的平坦衰減進(jìn)行切換。

AD8129的輸入級(jí)線性動(dòng)態(tài)范圍有限（±0.5 V工作范圍）。為獲得最佳性能，最好先將700 mV RGB視頻信號(hào)衰減四倍，然后再將其應(yīng)用于AD8129輸入。有時(shí)，視頻信號(hào)在通過(guò)電纜傳輸之前已經(jīng)衰減了兩倍。（這不是匹配損耗，通常通過(guò)使用增益為2的電纜驅(qū)動(dòng)器來(lái)計(jì)算。在這種情況下，可以在AD8129的輸入端插入一個(gè)額外的8001倍衰減，以產(chǎn)生<>的端到端平坦衰減因子。平坦增益為<>的緩沖器放置在均衡器之后，用于補(bǔ)償這種衰減（AD<>是該級(jí)的絕佳選擇）。緩沖器還簡(jiǎn)化了均衡器輸出端的開(kāi)關(guān)衰減器，可以是簡(jiǎn)單的L型焊盤(pán)。

用于選擇均衡器部分的ADG704模擬多路復(fù)用器中每個(gè)關(guān)斷通道的寄生電容為9 pF。因此，所有未選擇的EQ部分的總和的寄生電容相當(dāng)大;它增加了CS所選 EQ 部分的值。對(duì)于400至1000英尺的EQ部分，這種寄生電容通常可以吸收到CS中。對(duì)于較短的部分，上述多余的閉環(huán)增益用于補(bǔ)償寄生電容引起的峰值。作為一般規(guī)則，最好以最大化電容值的方式縮放EQ部分中使用的阻抗，從而允許吸收盡可能多的寄生電容CS盡可能。然而，這不能走得太遠(yuǎn)，因?yàn)樗鼫p少了相關(guān)的阻力?？s放還受到連接均衡器部分的走線中的寄生電感的限制。小電阻提供的小阻尼;如果電阻電平太小，則由寄生走線電感和開(kāi)關(guān)電容引起的中等Q值諧振電路會(huì)導(dǎo)致AD8129不穩(wěn)定。

優(yōu)化均衡器 PCB 布局至關(guān)重要.所有電源層和接地層銅的主要部分必須從連接到AD8129求和節(jié)點(diǎn)的走線下的所有層中移除?？梢愿鶕?jù)需要在這些區(qū)域戰(zhàn)略性地放置小型接地層條，以提供低阻態(tài)返回電流路徑，同時(shí)最大限度地減少求和節(jié)點(diǎn)處的雜散電容。AD8129和ADG704應(yīng)采用μSOIC封裝，AD8001應(yīng)采用SOT-5封裝。EQ部分的走線電感必須保持在絕對(duì)最小值，以避免AD8129不穩(wěn)定，因此電阻和電容應(yīng)采用0402封裝，EQ部分的布局應(yīng)盡可能小。

在確定基于電纜模型的RC值并考慮寄生效應(yīng)后，RGB視頻應(yīng)用需要在時(shí)域中進(jìn)行最終調(diào)諧過(guò)程。這是因?yàn)镽GB視頻電路最重要的性能指標(biāo)之一是階躍響應(yīng);電纜和EQ組合的階躍響應(yīng)必須經(jīng)過(guò)調(diào)諧，以表現(xiàn)出快速上升時(shí)間，最小過(guò)沖和振鈴以及較短的建立時(shí)間。CS對(duì)過(guò)沖和振鈴的影響最大，串聯(lián)R情 商和C情 商對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定時(shí)間的影響最大。極點(diǎn)的位置和串聯(lián)連接產(chǎn)生的零點(diǎn)R情 商和C情 商可以在不大量改變頻率響應(yīng)的情況下進(jìn)行一些更改，因?yàn)樗鼈兎胖迷陔娎|的頻率響應(yīng)相當(dāng)緩慢的滾降位置。這意味著均衡頻率響應(yīng)看起來(lái)相當(dāng)不錯(cuò)，而從階躍響應(yīng)的角度來(lái)看，極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置可能不是最佳的。因此，最好微調(diào)CS,R情 商和C情 商在時(shí)域中，通過(guò)調(diào)整它們的值以產(chǎn)生具有最短建立時(shí)間的階躍響應(yīng)。

由于均衡器必須與沒(méi)有接地參考的長(zhǎng)差分電纜接口，因此接收信號(hào)可能包含相對(duì)于接收器電源電壓的大共模電壓擺幅。因此，最好使用至少±5 V的雙電源。這也允許輸出信號(hào)擺動(dòng)至0 V，這是視頻信號(hào)通常需要的。

結(jié)論

這里介紹的均衡器可以穩(wěn)定補(bǔ)償 Cat-5 電纜的長(zhǎng)度，頻率從 0 到 1000 英尺，頻率大于 100 MHz 在短電纜長(zhǎng)度下補(bǔ)償?shù)?25 MHz，使其適用于 KVM 網(wǎng)絡(luò)和其他高分辨率視頻傳輸應(yīng)用。

審核編輯：郭婷