可调电缆均衡器将宽带差分接收器与模拟开关相结合

5类（Cat-5）非屏蔽双绞线（UTP）电缆最初用于传输LAN流量，由于其可观的性能和低成本，已成为许多其他信号传输应用中的经济解决方案。例如，一个流行的应用是键盘-视频-鼠标（KVM）网络，其中四个双绞线中的三个承载红色，绿色和蓝色（RGB）视频信号。

与任何传输介质一样，Cat-5对其携带的信号施加传输损耗，表现为信号分散和高频成分损失。除非采取措施来补偿这些损失，否则它们会使电缆在合理的距离上传输高分辨率视频信号时毫无用处。这里介绍的是一种实用技术，通过在电缆的接收端引入均衡器 （EQ） 来补偿 Cat-5 损耗，均衡器具有十一 （11） 个可切换的电缆范围设置。由于EQ的每个设置都提供适当的频率相关增益来弥补电缆损耗，因此EQ-电缆组合适用于高分辨率视频传输。

EQ 设计的第一步是推导出 Cat-5 频率响应的模型。众所周知，金属电缆的频率响应遵循低通特性，其指数滚降取决于频率的平方根。图 1 描述了 Cat-5 从 100 英尺（30.48 米）到 1000 英尺（304.8 米）的长度的这种关系，增量为 100 英尺。在此图中，应该很明显，给定频率下的功率损耗由恒定的衰减率（以dB/ft表示）为特征。

表I显示了Cat-5等效电压衰减幅度与相同电缆长度的频率的函数关系，如图1所示。

表一 Cat-5电缆的电压衰减幅度比。例如，500 英尺长的电缆将 10MHz、1V 信号衰减到 0.32 V，相当于大约 –9.90 dB（图 1）。

 

频率	100 英尺	200 英尺	300 英尺	400 英尺	500 英尺	600 英尺	700 英尺	800 英尺	900 英尺	1000 英尺
1兆赫	0.932	0.869	0.8100	0.7550	0.7040	0.65600	0.6120	0.57000	0.53200	0.496000
14兆赫	0.866	0.750	0.6490	0.5620	0.4870	0.42200	0.3650	0.31600	0.27400	0.237000
10兆赫	0.796	0.634	0.5040	0.4020	0.3200	0.25400	0.2030	0.16100	0.12800	0.102000
16兆赫	0.750	0.562	0.4220	0.3160	0.2370	0.17800	0.1330	0.10000	0.07500	0.056300
20兆赫	0.722	0.521	0.3760	0.2710	0.1960	0.14100	0.1020	0.07350	0.05300	0.038300
31兆赫	0.663	0.440	0.2920	0.1940	0.1280	0.08510	0.0565	0.03750	0.02480	0.016500
63兆赫	0.551	0.303	0.1670	0.0920	0.0507	0.02790	0.0154	0.00846	0.00466	0.002570
100兆赫	0.462	0.214	0.0987	0.0456	0.0211	0.00973	0.0045	0.00208	0.00096	0.000444

 

图1.各种长度的 Cat-5 电缆的频率响应。

使用表I中的数据，每个电缆长度的频率响应可以通过基于负实轴极零传递函数的数学模型近似。具有最小二乘多项式曲线拟合功能的众多可用数学软件包中的任何一个都可用于执行近似。图1表明，对于高频下的长电缆（由于斜率陡峭，超过20 dB/十倍频程），需要连续的负实轴极点以获得紧密配合，而在低频下（为了拟合近线性斜率），需要交替的极点和零点。举一个极端的例子，1000 MHz 的 100 英尺电缆的频率响应大约为 1/f4，这只能通过具有多个连续极点的模型来实现。

均衡是通过通过均衡器传递通过电缆接收的信号来实现的，均衡器的传递函数是电缆极零模型传递函数的倒数。为了中和电缆的频率依赖性，EQ 具有与电缆模型的零点重合的极点和与电缆模型的极点重合的零点。

无源RC网络的特性之一是其驱动点阻抗的交替极点和零点仅限于负实轴。该特性也适用于那些具有传递函数的操作放大器电路，该传递函数由反馈阻抗与增益阻抗（Zf/Zg），其中这些阻抗是 RC 网络。（该属性不适用于其他情况，例如合成共轭极点对的有源 RC 滤波器部分。

对于实用的均衡器设计，我们更倾向于基于单个放大器级的均衡器，以保持其可调性可控性，并最大限度地降低成本和复杂性。这里要讨论的均衡器使用Budak描述的前一种类型的RC网络，具有交替的极点和零点;但这种设计排除了使用单个放大器级来实现在所有频率下补偿电缆模型中连续极点所需的连续零点。作为为高频长电缆以外的所有电缆提供良好均衡的折衷方案，所选设计使用单个放大器来实现两个零点和两个极点，在负实轴上交替。

由于均衡需要增加频带高端的增益，因此需要低噪声放大器。为了避免由于放大器动态特性而引入显著误差，需要大增益带宽乘积。对于此应用的特定设计要求，放大器必须能够执行具有电压增益的频率相关差分至单端变换。ADI公司的AD8129就是这样一款放大器，是EQ中基本频率相关增益级的核心。 图2显示了AD8129的双差分输入架构，以及适用于需要电压增益的应用的标准闭环配置。

图2.AD8129采用标准闭环增益配置。

可以看出，AD8129的电路和工作原理与传统运算放大器不同;主要情况下，它为设计人员提供了差分输入和反馈网络之间的电路分离。两个输入级是高阻抗、高共模抑制（CMR）、宽带、高增益跨导放大器，具有紧密匹配gm.两个跨导放大器的输出电流相加（高阻抗），求和节点处的电压缓冲以提供低阻抗输出。放大器A的输出电流等于放大器B输出电流的负数，并且它们的跨导紧密匹配，因此施加在放大器B周围的负反馈驱动v外达到迫使放大器B的输入电压等于放大器A输入电压的负数的水平。从上面的讨论中，理想情况下的闭环电压增益可以表示为：

 

(1)

 

均衡器是使用该增益公式设计的，RC网络用于Zf和Zg.其规范电路如图3所示，表示设计用于补偿给定长度电缆的均衡器。

图3.均衡器的规范电路。

在图3中，上部跨导放大器的高差分输入阻抗有助于为通过Cat-5电缆接收的信号提供良好的阻抗匹配;下部放大器提供负反馈电路，实现频率相关增益。电路的波特图具有高通特性，如图4所示。Zn和Pn是均衡器的相应零点和极点。

图4.典型均衡器电路的波特图。

在下面的分析中，图4中的极点-零点对充分分离，电容可以近似为短路或开路。极点和零点频率以弧度/秒表示。在低频时，所有电容器都是开路的，增益很简单

该增益设置为补偿平坦（即直流）损耗，包括由于匹配和电缆的低频平坦损耗引起的任何损耗。它还提供均衡短电缆时稳定AD8129所需的平坦增益（下文将详细介绍）。

频率上移，最低频率极点零EQ部分，包括串联R情 商和C情 商，开始生效，生产Z1和P1.通过近似 Cf和 CS作为开路，可以写出以下等式：

 

(2)

(3)

 

频率响应的大小渐近接近

如C情 商接近短路。

随着频率的增加，CS开始生效，引入另一个零，Z2.的主要功能Cf是通过补偿来保持放大器稳定CS.通过初步近似Cf作为开路（Cf <

 

(4)

 

最后P2可以表示为：

 

(5)

 

在 P 之间2和 P3，频率响应的大小渐近于由Cf和CS,

这是导致P3所以P3，这是由于放大器的主极点滚降，可以近似为：

 

(6)

 

哪里一个O是放大器的直流开环增益，Ωp是放大器的主极点。该结果直接来自标准运算放大器增益带宽分析。P3由放大器的增益带宽积施加，并设置均衡器的近似频率上限。利用上述结果以及电缆的极零点模型，可以为任何实际长度的电缆设计均衡器，该电缆可以通过两个交替的极零对进行建模，前提是放大器具有足够高的增益带宽积。

为了使均衡器在很宽的电缆长度范围内发挥作用，它必须是可调节的。增加可调性的简单方法是在AD8129的反馈引脚和地之间切换不同的RC网络。此方案如图 5 所示。

图5.带可切换部分的均衡器。

图 5 中的每个 EQ 部分都适用于各种电缆长度。部分 EQ0 覆盖 0 到 50 英尺，部分 EQ10 覆盖 950 到 1000 英尺。其他部分以 100 英尺、200 英尺等为中心，从其中心覆盖 ±50 英尺。此分辨率足以满足大多数 RGB 应用的需求。

实际问题

AD8129在增益大于10 V/V时保持稳定，标称相位裕量为56°，但如果注意布局和寄生电容，它可以在增益为8的情况下成功工作，其中相位裕量约为45°。在高频时需要这种增益。对于较长的电缆长度，均衡器的高通特性提供了足够的高频增益。但是，对于0至300英尺之间的电缆长度，为了保持AD8129的稳定，需要额外的平坦增益。由于超额增益是平坦的，因此可以通过调整Rf/Rg比，并通过在均衡器中通过相同量的平坦衰减进行切换。

AD8129的输入级线性动态范围有限（±0.5 V工作范围）。为获得最佳性能，最好先将700 mV RGB视频信号衰减四倍，然后再将其应用于AD8129输入。有时，视频信号在通过电缆传输之前已经衰减了两倍。（这不是匹配损耗，通常通过使用增益为2的电缆驱动器来计算。在这种情况下，可以在AD8129的输入端插入一个额外的8001倍衰减，以产生<>的端到端平坦衰减因子。平坦增益为<>的缓冲器放置在均衡器之后，用于补偿这种衰减（AD<>是该级的绝佳选择）。缓冲器还简化了均衡器输出端的开关衰减器，可以是简单的L型焊盘。

用于选择均衡器部分的ADG704模拟多路复用器中每个关断通道的寄生电容为9 pF。因此，所有未选择的EQ部分的总和的寄生电容相当大;它增加了CS所选 EQ 部分的值。对于400至1000英尺的EQ部分，这种寄生电容通常可以吸收到CS中。对于较短的部分，上述多余的闭环增益用于补偿寄生电容引起的峰值。作为一般规则，最好以最大化电容值的方式缩放EQ部分中使用的阻抗，从而允许吸收尽可能多的寄生电容CS尽可能。然而，这不能走得太远，因为它减少了相关的阻力。缩放还受到连接均衡器部分的走线中的寄生电感的限制。小电阻提供的小阻尼;如果电阻电平太小，则由寄生走线电感和开关电容引起的中等Q值谐振电路会导致AD8129不稳定。

优化均衡器 PCB 布局至关重要.所有电源层和接地层铜的主要部分必须从连接到AD8129求和节点的走线下的所有层中移除。可以根据需要在这些区域战略性地放置小型接地层条，以提供低阻态返回电流路径，同时最大限度地减少求和节点处的杂散电容。AD8129和ADG704应采用μSOIC封装，AD8001应采用SOT-5封装。EQ部分的走线电感必须保持在绝对最小值，以避免AD8129不稳定，因此电阻和电容应采用0402封装，EQ部分的布局应尽可能小。

在确定基于电缆模型的RC值并考虑寄生效应后，RGB视频应用需要在时域中进行最终调谐过程。这是因为RGB视频电路最重要的性能指标之一是阶跃响应;电缆和EQ组合的阶跃响应必须经过调谐，以表现出快速上升时间，最小过冲和振铃以及较短的建立时间。CS对过冲和振铃的影响最大，串联R情 商和C情 商对长期稳定时间的影响最大。极点的位置和串联连接产生的零点R情 商和C情 商可以在不大量改变频率响应的情况下进行一些更改，因为它们放置在电缆的频率响应相当缓慢的滚降位置。这意味着均衡频率响应看起来相当不错，而从阶跃响应的角度来看，极点和零点的位置可能不是最佳的。因此，最好微调CS,R情 商和C情 商在时域中，通过调整它们的值以产生具有最短建立时间的阶跃响应。

由于均衡器必须与没有接地参考的长差分电缆接口，因此接收信号可能包含相对于接收器电源电压的大共模电压摆幅。因此，最好使用至少±5 V的双电源。这也允许输出信号摆动至0 V，这是视频信号通常需要的。

结论

这里介绍的均衡器可以稳定补偿 Cat-5 电缆的长度，频率从 0 到 1000 英尺，频率大于 100 MHz 在短电缆长度下补偿到 25 MHz，使其适用于 KVM 网络和其他高分辨率视频传输应用。

审核编辑：郭婷