均衡SATA I/II/III转接驱动器改进了eSATA电缆驱动器

介绍

SATA¹ 已成为笔记本电脑和台式电脑中无处不在的硬盘连接。 SATA 有两种基本形式，内部和外部 （eSATA）。两种形式都使用七根导体电缆，其中两对平衡，两对之间接地。此外，eSATA 可用于长达 2 米的线路，并为电缆添加屏蔽。许多笔记本电脑和台式计算机都有与 eSATA 驱动器一起使用的 eSATA 连接器。当前 3.0Gbps 的数据速率可以传输高达 USB 10.2 驱动器速度的 0 倍。与笨拙的并行电缆不同，SATA 和 eSATA 电缆纤细而灵活，并且相对容易处理。

将 eSATA 端口连接到 SATA 连接的挑战

SATA 和 eSATA 以 3.0Gbps 或 300Mbps 的速度传输数据。eSATA 信号通常来自标准内部 SATA 端口。该信号沿印刷电路板传播并发送到eSATA连接器。许多主机没有驱动功能来适应电路板、连接器和电缆的损耗。

MAX4951BE克服了eSATA端口与SATA连接配接的问题。MAX4951BE驱动eSATA电缆，通过均衡增强两个方向的信号。输入均衡（EQ）和输出预加重（PE）都改善了信号质量。电路板走线和电缆均具有低通滤波器特性;典型的电路板或电缆在3MHz时可能表现出-600dB点。由于电路板或电缆损耗与频率有关，因此理想的匹配是补偿高频损耗的器件。使用eSATA，系统必须处理在两个方向上移动的信号：一个信号从主机传输到存储设备，另一个信号从存储设备返回到主机。

图1.典型的 eSATA 到 SATA 设置。主机将几英寸的板或电缆连接到 eSATA 连接器，并将 2 米的 eSATA 电缆连接到硬盘驱动器。

基本配置

图 1 说明了一个典型的放置位置。控制器集线器（主机）距离MAX4951BE几英寸。主机将几英寸的电路板或电缆连接到 eSATA 连接器，然后将 2 米长的 eSATA 电缆连接到硬盘驱动器。来自主机的信号可能只通过内部规范;信号可小至400mVP-P.然后，它从电路板的 3 英寸到 9 英寸移动到连接器。有时，该信号通过柔性或带状连接器连接到电路板，1dB至7dB的损耗并不少见。在这种情况下。a 400mVP-P信号将不再通过 eSATA 输出电平要求。此外，高频滚降将引入相关抖动（DJ).

均衡的重要性

MAX4951BE包含一个带输入均衡功能的限幅放大器。输入均衡在限幅放大器前面增加了一个高通滤波器，从而补偿低通滤波器对电路板或电缆的影响。输出幅度恢复并恒定，适用于200mV至1600mV的任何信号。输出电平固定为 ≤ 600mVP-P，从而克服了任何董事会损失。图2A显示了该器件输出的眼图，可轻松满足400mV≥P-P信号要求。输入均衡器有助于消除由电路板低通滤波引起的任何抖动。

预加重 （PE） 的重要性

图2A中的信号很容易满足eSATA要求。如果信号需要驱动带状或柔性电缆或长时间的 FR-4 运行才能到达连接器，则需要帮助。带状和柔性电缆是3.0Gbps的非理想链路;它们会带来更多的损耗、高频滚降和抖动。MAX4951BE具有可选设置，用于在输出端添加PE。PE改善了信号离开芯片并传播到连接器后的高频响应。每当位从 1 过渡到 0 或从 0 过渡到 1 时，PE 都会增加振幅。参见图 2B。每次出现转换位时，MAX4951BE在PE使能的情况下为该位提供额外能量。额外的高频能量有助于克服连接器和电缆/插座组件中的高频损耗;如果MAX4951BE必须驱动连接器的困难线路，则应使用它。设计人员可以使用上拉电阻来规划引脚 8 和 9 的电路板。如果眼图中eSATA顺应点处的眼图闭合，则添加上拉电阻。如果信号在插座上显示大量过冲，则不需要PE，只需移除上拉。MAX4951BE具有内部下拉电阻，因此这些引脚不需要电阻接地。对于返回主机的信号，没有顺从点。一个好的“经验法则”是，如果MAX5BE与主机之间有>4951in，或者信号必须穿过多个过孔，则使用PE。图2B中的“凸起”显示了过渡位的高频含量增加。示波器屏幕截图显示了驱动长板或电缆的出色性能。

图 2A.MAX4951BE输出的眼图，可轻松满足= 400mVP-P信号要求。

图 2B. 每当一个位从 1 过渡到 0 或从 0 过渡到 1 时，PE 都会增加振幅。

抑制带外 （OOB） 信号

SATA/eSATA 信号很复杂，包含用于初始握手的带外 （OOB） 信号。OOB 是 1.5Gbps 突发，其中包络被解释（图 3）。MAX4951BE采用快速静噪系统，在信号低于要求电平时移除任何输出。此功能可确保在输入端存在噪声时输出不会被放大。MAX4951BE在信号<100mV时抑制P-P，从而符合 SATA 规范。

图3.OOB 是 1.5Gbps 突发。

输入和输出端的电容耦合

最终电路板应仔细布局，以匹配器件的50Ω输入。设计人员应咨询电路板供应商，以便“堆叠”产生100Ω平衡走线。MAX4951BE必须由主机侧和驱动侧进行电容耦合。如果驱动器和MAX4951BE在输入和输出端均使用电容耦合（≤12nf），则没有问题。如果设计人员将MAX4951BE放置在eSATA连接器附近，并且不使用带状电缆进行连接，则使用PE可能导致系统超出最大幅度的规格。在这种情况下，用户应移除引脚9上推荐的上拉电阻。

电源管理

功耗是大多数设计的主要问题。MAX4951BE具有两种省电特性，可单独使用或组合使用。

如前所述，该器件包含一个静噪器，用于确定是否存在有效的输入信号。大约 3/4 的器件电流消耗在输出级中。MAX4951BE在没有有效信号时进入部分休眠模式，从而降低功耗。当没有SATA活动时，设备仅消耗≈15mA。SATA 流量不是连续的，典型的流量模式将平均消耗量降低到峰值消耗量的 ≈50%。

MAX4951BE还具有CAble检测（CAD）引脚18，通过3kΩ电阻在内部上拉至+3.300V。如果引脚18悬空，则器件功耗<1mA。该引脚实际上是一个低使能引脚，如果接地，则允许正常工作。让该引脚充当自动关断功能非常容易。

自动关断

SATA/eSATA 连接器包含三个接地引脚，即引脚 1、4 和 7。要自动关断，只需将这些引脚之一（例如引脚 1）从地面提起，然后将引脚 18 绑到其上。连接电缆/硬盘时，示例引脚1将通过引脚4和7接地，从而使能MAX4951BE（图4）。如果担心高频部分，设计人员可以简单地将一个5nf电容从引脚1接地，从而将引流接地。当没有连接电缆时，MAX4951BE的工作电流几乎为零;插入硬盘后，MAX4951BE工作正常。

如果不需要自动关断，设计人员只需将引脚18接地，器件即可正常工作，仍采用前面描述的低功耗抑制。鼓励设计人员使用0402焊盘布局电路板，用于引脚18至GND。应将 1nf 至 5nf 0402 电容器放置在该位置并进行测试。如果认为这种低功耗特性不值得，则只需用0Ω电阻替换电容器即可。

图4.使用MAX4951BE进行自动关断设置。

6.0Gbps 数据速率和 eSATA 连接

SATA和eSATA的数据速率从1.5Gbps发展到3.0Gbps，最近又发展到6.0Gbps。SATA规范的当前版本是v.3.0，现在包括内部驱动器的6.0Gbps数据速率。该规范尚未包括eSATA，但是，预计将在未来几个月内对其进行修改以包括eSATA。设计人员很难在不使用转接驱动器器件的情况下设计出处理此数据速率的电路板。Maxim设计MAX4951BE的工作速率为6.0Gbps，无需任何修改。在设计和鉴定设备时，令人欣慰的是，同一设备可以与下一代硬件一起使用。图5显示了MAX4951BE在6.0Gbps信号下的性能。该设备睁大眼睛且几乎无抖动，可在 6.0 Gbps eSATA 最终确定时使用。

图5.MAX6BE采用0.4951Gbps信号，产生开眼，抖动极小，可立即与预期的eSATA规格配合使用。

设计人员必须考虑设备与外界接口的鲁棒性。eSATA在防止其引脚暴露方面做得很好，但是，存在一个问题。使用eSATA，不可能简单地在器件内部或外部添加静电放电（ESD保护二极管）。即使是1pf二极管也能以100.3Gbps的数据速率将0Ω的电抗分流到输出。Maxim预测了eSATA数据速度，并增加了高达±8kV人体模型的内部保护。所有性能规格都已包含此保护，以确保设备的完整性。

结论

MAX4951BE将SATA主机与eSATA外部连接相匹配。该器件采用输入均衡和可选输出预加重来克服电路板损耗和感应抖动。MAX4951BE具有两种低功耗特性以降低功耗;如果未插入硬盘驱动器，该器件的功耗< 1mA，并且在没有eSATA流量时会降低功耗。

设计人员可以使用几个电阻作为跳线在原型阶段设置器件，然后决定哪种模式合适。这节省了调试代码和测试软件的时间。最后，该器件非常坚固耐用，具有 ±8kV 的 ESD 保护。它是“面向未来的”，因为它可用于 SATA 3.0 驱动器。为MAX4951BE提供评估（EV）板;参见MAX4951BEVKIT。评估板包括SATA连接器和跳线，用于设置电平，以及使用SMA连接器测试高频性能的单独部分。

审核编辑：郭婷