高速通信的利器：DS100BR210超低压10.3Gbps 2通道中继器深度解析

在高速通信领域，信号的高效传输和处理一直是工程师们关注的焦点。DS100BR210作为一款超低压10.3Gbps 2通道中继器，以其卓越的性能和丰富的功能，为高速通信系统提供了强大的支持。本文将对DS100BR210进行深入解析，探讨其特点、应用、编程及布局等方面的要点。

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一、DS100BR210的特性亮点

1. 多通道与高速兼容性

DS100BR210具备两个通道，可实现高达10.3Gbps的数据传输速率。其中，DS100BR210为2个单向通道，DS100BR111为1个双向通道，并且支持10G - KR双向接口兼容，允许进行回传通信和训练，这为高速通信系统的搭建提供了更多的灵活性。

2. 低功耗设计

其功耗极低，典型值仅为65mW/通道，还可选择关闭未使用的通道，有效降低了系统的整体功耗，延长了设备的续航时间，同时也减少了散热需求，提高了系统的稳定性。

3. 先进的信号调节功能

• 接收均衡：最高可达 +36dB，能够有效补偿信号在传输过程中的衰减，打开因符号间干扰（ISI）而完全关闭的输入眼图，确保信号的完整性。
• 发射去加重：最高可达 -12dB，可优化信号的频谱特性，减少信号的码间干扰。
• 发射VOD控制：输出电压差摆幅（VOD）可在700至1300mVp - p之间进行调节，满足不同应用场景的需求。
• 低残余抖动：在10.3Gbps的数据速率下，通过引脚选择、EEPROM或SMBus接口可对其进行编程，保证了信号的稳定性和准确性。

  4. 电源与封装优势

• 单电源电压：支持2.5V或3.3V的单电源供电，方便与不同的电源系统进行集成。
• 小巧封装：采用4mm × 4mm 24引脚无铅WQFN封装，节省了电路板空间，同时具备良好的电气和散热性能。

  5. 高ESD防护与宽工作温度范围

  具有5kV HBM ESD额定值，能够有效抵御静电干扰，保护芯片免受损坏。工作温度范围为 -40至85°C，可适应各种恶劣的工作环境。

二、广泛的应用场景

DS100BR210适用于多种高速通信系统，如高速有源铜缆模块和FR - 4背板，以及10GE、10G - KR、FC、SAS、SATA 3/6Gbps（带OOB检测）、InfiniBand、CPRI、RXAUI等多种通信协议。在这些应用中，DS100BR210能够有效延长信号的传输距离，提高信号的质量，确保系统的稳定运行。

三、详细的功能描述

1. 4级输入配置

4级输入引脚通过电阻分压器设置四个有效控制电平，结合内部的30kΩ上拉电阻和60kΩ下拉电阻，以及外部电阻连接，可实现不同的电压电平设置，为用户提供了更广泛的控制选项。

2. 典型4级输入阈值

内部设置了不同电平之间的阈值，如0和R之间为0.2 VIN或VDD，R和F之间为0.5 VIN或VDD，F和1之间为0.8 * VIN或VDD。为了减少集成2.5V稳压器的启动电流，推荐使用1kΩ上拉/下拉电阻。如果多个4级输入需要相同的设置，可将两个或多个1kΩ电阻组合成一个较低阻值的电阻，以节省电路板空间。

3. 设备功能模式

• 引脚控制模式（ENSMB = 0）：在该模式下，可通过外部引脚控制来选择均衡、去加重和VOD（输出幅度），适用于没有MCU或EEPROM通过SMBus SDA和SCL线访问设备的情况。同时，接收器的电气空闲检测阈值也可通过SD_TH引脚进行调整。
• SMBus从模式（ENSMB = 1）：均衡、去加重和VOD可在单个通道基础上进行编程。断言ENSMB后，EQx、DEMx和VODx设置将立即由SMBus控制。需要注意的是，只有在设置Reg 0x06[3] = 1断言寄存器使能后，才能更改SMBus设置的默认值。此时，EQx、DEMx和VODx引脚将转换为AD0 - AD3 SMBus地址输入。
• SMBus主模式（ENSMB = 浮动）：可通过外部EEPROM加载多个设备的均衡、去加重和VOD设置。当ENSMB引脚处于浮动状态时，外部EEPROM会根据其SMBus从地址将寄存器设置写入每个设备。但该模式下可编程的设置仅为SMBus从模式下所有寄存器位的子集。若EEPROM未能成功加载设置，设备将处于未知状态，无法访问SMBus线。

四、编程与配置

1. SMBus系统管理总线

• 地址设置：DS100BR210在SMBus模式下使用AD[3:0]输入作为SMBus从地址输入，支持16个地址字节。SDA和SCL引脚为3.3V耐压，但不支持5V耐压，需要在SDA和SCL线上连接2kΩ至5kΩ的外部上拉电阻。
• 数据传输：在正常操作期间，SCL为高电平时，SDA上的数据必须保持稳定。SMBus有START、STOP和IDLE三种状态，通过不同的信号转换来表示。
• 读写事务：设备支持WRITE和READ事务，分别有特定的协议流程。在WRITE事务中，主机依次发送START条件、7位SMBus地址、“0”表示写入、8位寄存器地址、8位数据字节，最后发送STOP条件；在READ事务中，主机先进行一系列操作指定寄存器地址，然后再次发送START条件、7位SMBus地址和“1”表示读取，最后接收设备发送的8位数据值。

  2. EEPROM编程

  DS100BR210支持通过SMBus主模式直接从外部EEPROM设备读取数据。在设计使用外部EEPROM的系统时，需将DS100BR210设置为SMBus主模式（ENSMB引脚浮动），外部EEPROM设备必须支持1MHz操作，地址字节为0xA0。同时，可通过AD[3:0]输入设置设备地址，支持16种不同的地址设置。为避免多个DS100BR210在同一SMBus上发生总线争用，可通过READEN和DONE引脚进行控制，确保每个设备依次从EEPROM读取配置信息。

五、应用与实现

1. 10G - KR应用中的信号完整性

在“KR模式”下，DS100BR210可在KR背板通道环境中透明运行。将其安装在KR背板通道中，可将总通道衰减分为两部分，理想情况下应将其放置在通道中间，以最大化双向接口的信噪比。为了优化10G - KR解决方案，可根据802.3ap规范进行“链路训练”，通过设置DS100BR210的有源CTLE来补偿通道损耗，减少KR物理层设备的发送和接收均衡设置。文中给出了在引脚模式和SMBus模式下的建议初始设置，可根据不同系统应用进一步调整EQx、DEMx和VODx设置，以优化链路的信号裕量。

2. SAS/SATA应用中的OOB功能

在SAS/SATA系统中，OOB信号用于检测和通信设备能力。DS100BR210在不同模式下的空闲 - 活动响应时间不同，在10GKR模式下约为150ns，而在SAS模式下约为3至4ns。为了通过OOB信号，在引脚模式下应将MODE引脚拉高；在SMBus从模式下，可将Reg 0x28设置为0x4C以实现更快的空闲 - 活动响应。

3. 典型应用设计

• 设计要求：在高速设计中，要使用100Ω阻抗的走线，对差分对的单端段进行P和N走线的长度匹配；使用均匀的走线宽度和间距；将交流耦合电容放置在每个通道段的接收器端附近，最大电容尺寸为0402；对连接器过孔和信号过孔进行背钻以减少残桩长度；使用参考平面过孔确保回流电流的低电感路径。
• 详细设计步骤：DS100BR210应放置在相对于整体通道衰减的偏移位置，以优化性能。对于10G - KR环境，可参考引脚模式和SMBus模式下的建议设置作为默认起点；对于通用10GbE应用，也给出了相应的初始设置建议。
• 应用性能曲线：通过实验室设置收集了FR4和电缆介质上的典型性能数据，展示了在不同条件下（如仅预通道、预通道和后通道无Tx源去加重、预通道和后通道有 - 6dB Tx源去加重）使用和不使用DS100BR210的信号传输情况，直观地体现了DS100BR210在信号增强和恢复方面的性能优势。

六、电源供应与布局

1. 电源供应

• 3.3V或2.5V供电模式：DS100BR210可配置为3.3V或2.5V供电模式。在3.3V模式下，VIN引脚输入3.3V电源，VDD_SEL引脚接地，SDA和SCL引脚的上拉电阻连接到VIN；在2.5V模式下，VDD_SEL和VIN引脚浮空，VDD引脚输入2.5V电源，SDA和SCL引脚的上拉电阻连接到VDD。
• 电源旁路：为确保DS100BR210有足够的电源旁路，可将电源（VDD）和接地（GND）引脚连接到印刷电路板相邻层的电源平面，并使用适当的旁路电容。每个VDD引脚应连接一个0.1μF的旁路电容，且尽量靠近设备放置，选择小尺寸电容（如0402）可减少电容的寄生电感。同时，应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。

  2. 布局设计

• 布局指南：差分输入和输出设计为100Ω差分终端，应连接到差分阻抗约为85 - 110Ω的互连。优先在电路板的一层上布线差分线，尽量避免使用过孔，若必须使用，应尽量减少数量并对称放置。差分信号应远离其他信号和噪声源，保持线对间距与走线宽度的比例为5:1或更大，以减少串扰。此外，还应将本地VIN和VDD电容尽量靠近设备电源引脚放置，确保差分对有足够的间距，使用回流电流过孔连接参考平面，优化过孔结构以减少走线阻抗失配，并在DAP周边放置GND过孔以确保电气和热性能。
• 布局示例：给出了DS100BR210在典型2通道单向布局中的示例，为工程师提供了实际的布局参考。

DS100BR210以其出色的性能、丰富的功能和灵活的配置选项，成为高速通信系统设计中的有力工具。在实际应用中，工程师们需要根据具体的系统需求，合理选择设备的工作模式、进行编程配置和布局设计，以充分发挥DS100BR210的优势，实现高速、稳定的信号传输。希望本文的解析能为广大电子工程师在使用DS100BR210进行设计时提供有益的参考。