高性能混合訊號與介面產品應用

NXP恩智浦半導體 大中華區高性能混合訊號事業部資深產品行銷經理 胡硯嵐

在進行高性能混合訊號與介面產品的應用介紹之前，NXP恩智浦半導體大中華區高性能混合訊號事業部資深產品行銷經理胡硯嵐女士，介紹NXP前身是荷蘭皇家菲利浦半導體事業部，2006年獨立出來並在美國上市，在全球超過30個國家皆設有業務執行機構，2010年公司營業額達到44億美元。

NXP恩智浦半導體以領先的射頻、類比、電源管理、介面、安全和數位處理專長，提供高性能混合訊號(High Performance Mixed Signal)和標準產品解決方案，提供真實時鐘、顯示埠(Display Port；DP)、LCD區段驅動IC、高速切換開關？多工器、16bit General Purpose(GPI)中斷控制器、匯流排緩衝器、電壓位準轉換元件(level Translator)等等。以上各種高頻零組件，被廣泛應用於汽車、智慧識別、無線基礎設施、照明、工業、行動、消費與電腦運算等領域。

高頻硬體設計的挑戰 轉接驅動器延展高頻設計空間

胡經理表示，從2002年以前USB 2.0傳輸速率仍低於1Gbps，到2002年SATA 2.0的3Gbps與PCIe v1.0的2.5Gbps的出現，將硬體設計頻率邁向3Gbps時代；到2008年顯示埠DisplayPort(DP 1.1a)的5.4Gbps、PCIe v2.0的5Gbps，以及2010年USB 3.0的5Gbps、DP 1.2的5.4Gbps與SATA 3.0的6Gbps，再度把硬體設計頻率調高到6Gbps的一個新階段。

但2010年11月中旬，才通過規格定案的PCI Express 3.0規範，不僅將時脈？位元傳輸頻率進一步調高到8.125Gbps，並且採用新型態的128/130bit位元編碼形式，PCIe 3.0不僅已經逼近FR4玻璃纖維PCB電路板的物理極限(9~10Gbps)，如此高頻的串列訊號一從主控端發出傳送之後，訊號波型便快速的衰減，情況比以往PCIe 2.0/1.1還要嚴重，也因此如何維持如此超高頻訊號的傳輸完整度，並注意與PCB板阻抗匹配性，成為新一代高頻硬體設計的嚴苛挑戰。

即使以USB 3.0的5Gbps訊號傳輸為例，主控晶片3英吋線距的訊號衰減值為1.2dB，以銅線截徑0.16mm(0.0063吋)美國線規30(30AWG)的銅導線為例，銅線每一米訊號衰減3db，因此實際訊號衰減值為4.2dB。另外在接收端電路以時間間隔(Time Domain)來看，越高頻伴隨的集膚效應(Skin Effect)就越顯得明顯，導致方波準位訊號的失真；若是以頻率間隔(Frequency Domain)來看，訊號衰減導致波型的振幅程度衰減，以上總總造成高頻訊號傳遞品質劣化，從訊號眼窗(eye window)可看出端倪。

系統開發者可借助轉接驅動器(Re-Driver)IC，將訊號重新強化並放大，增加傳輸距離以及訊號品質。像是NXP恩智浦半導體的PTN36241B轉接驅動器(Re-Driver) IC，運用5階段準位可程式化的腳位設計，可程式化接收端(Rx)訊號強度0~15dB，可程式化發送端搖擺電壓強度從0.4V~1.2V，不僅可以將發送端的輸出電壓給穩定化，並將高頻訊號予以強化再轉送出去，提供完整訊號品質、智慧系統節能、專業級高效能與高產能供應鏈的支援能力。它可用於筆記型電腦、主機板、擴充船塢與週邊裝置，系統開發者在電路導入Re-Driver，不僅能增加傳輸距離以及穩定訊號品質，並使週邊裝置互連性得以增強，減少相容性問題。

高速切換器克服長線路阻抗、避免訊號衰減

在標準訊號總衰減值-3dB上限之下，更高頻的PCIe 3.0的8.125Gbps超高頻傳輸模式，高頻訊號每前進一英吋，訊號衰減值就拉高到0.78~1.56dB，同時因高頻差分電路的反射訊號，跟主訊號形成串音干擾的現象，不僅會影響主訊號波型也會造成訊號衰減。

高速切換？多工器開關的導入，可以剔除掉因終端線路的阻抗，造成高頻反射的訊號回溯與主訊號形成串音現象，影響主訊號波型以及造成訊號衰減的情形。NXP提供適用於8.3GHz頻率的CBTL04083A，以及7.5GHz頻率的CBTL4083B高速多工切換晶片，兩者均提供4組差分串列訊號通道與2:1的多工切換設計。

CBTL4083A/ CBTL408B採低阻抗設計，3.3吋工作電壓、2V偏壓之下，晶片電阻僅6歐姆；在4GHz頻率下，衰減值降到-1.3dB，可降低串音干擾(近端節點-35dB/遠端節點-25dB@4GHz)並且改善訊號失真情況。其待機模式下，電流僅1微安培，並具備人體放電2Kv、電荷放電1Kv的靜電防護能力。CBTL04083A/CBTL04083B可用於搭配LVDS液晶低電壓差分顯示介面、PCIe 3.0、SATA 3.0、USB 3.0、DP 1.2顯示埠等擴充？分接線路設計。

另外NXP的CBTL2043A/B高速多工切換器，是全球第1個CMOS製程的高速多工切換器，適應時脈頻率高達10GHz以上(<-3dB@10GHz)。CBTL2043A/B提供2組差分串列訊號通道與2:1的多工切換設計，在4GHz頻率下，訊號衰減值僅到-1.2dB，可降低串音干擾(近端節點-28dB/遠端節點-23dB@4GHz)並且改善訊號失真，同樣可用於PCIe 3.0、SATA 3.0、USB 3.0、DP 1.2顯示埠等擴充？分接線路設計。