均衡SATA I/II/III轉(zhuǎn)接驅(qū)動器改進了eSATA電纜驅(qū)動器

介紹

SATA1 已成為筆記本電腦和臺式電腦中無處不在的硬盤連接。 SATA 有兩種基本形式，內(nèi)部和外部 （eSATA）。兩種形式都使用七根導體電纜，其中兩對平衡，兩對之間接地。此外，eSATA 可用于長達 2 米的線路，并為電纜添加屏蔽。許多筆記本電腦和臺式計算機都有與 eSATA 驅(qū)動器一起使用的 eSATA 連接器。當前 3.0Gbps 的數(shù)據(jù)速率可以傳輸高達 USB 10.2 驅(qū)動器速度的 0 倍。與笨拙的并行電纜不同，SATA 和 eSATA 電纜纖細而靈活，并且相對容易處理。

將 eSATA 端口連接到 SATA 連接的挑戰(zhàn)

SATA 和 eSATA 以 3.0Gbps 或 300Mbps 的速度傳輸數(shù)據(jù)。eSATA 信號通常來自標準內(nèi)部 SATA 端口。該信號沿印刷電路板傳播并發(fā)送到eSATA連接器。許多主機沒有驅(qū)動功能來適應電路板、連接器和電纜的損耗。

MAX4951BE克服了eSATA端口與SATA連接配接的問題。MAX4951BE驅(qū)動eSATA電纜，通過均衡增強兩個方向的信號。輸入均衡（EQ）和輸出預加重（PE）都改善了信號質(zhì)量。電路板走線和電纜均具有低通濾波器特性;典型的電路板或電纜在3MHz時可能表現(xiàn)出-600dB點。由于電路板或電纜損耗與頻率有關(guān)，因此理想的匹配是補償高頻損耗的器件。使用eSATA，系統(tǒng)必須處理在兩個方向上移動的信號：一個信號從主機傳輸?shù)酱鎯υO(shè)備，另一個信號從存儲設(shè)備返回到主機。

圖1.典型的 eSATA 到 SATA 設(shè)置。主機將幾英寸的板或電纜連接到 eSATA 連接器，并將 2 米的 eSATA 電纜連接到硬盤驅(qū)動器。

基本配置

圖 1 說明了一個典型的放置位置。控制器集線器（主機）距離MAX4951BE幾英寸。主機將幾英寸的電路板或電纜連接到 eSATA 連接器，然后將 2 米長的 eSATA 電纜連接到硬盤驅(qū)動器。來自主機的信號可能只通過內(nèi)部規(guī)范;信號可小至400mVP-P.然后，它從電路板的 3 英寸到 9 英寸移動到連接器。有時，該信號通過柔性或帶狀連接器連接到電路板，1dB至7dB的損耗并不少見。在這種情況下。a 400mVP-P信號將不再通過 eSATA 輸出電平要求。此外，高頻滾降將引入相關(guān)抖動（DJ).

均衡的重要性

MAX4951BE包含一個帶輸入均衡功能的限幅放大器。輸入均衡在限幅放大器前面增加了一個高通濾波器，從而補償?shù)屯V波器對電路板或電纜的影響。輸出幅度恢復并恒定，適用于200mV至1600mV的任何信號。輸出電平固定為 ≤ 600mVP-P，從而克服了任何董事會損失。圖2A顯示了該器件輸出的眼圖，可輕松滿足400mV≥P-P信號要求。輸入均衡器有助于消除由電路板低通濾波引起的任何抖動。

預加重 （PE） 的重要性

圖2A中的信號很容易滿足eSATA要求。如果信號需要驅(qū)動帶狀或柔性電纜或長時間的 FR-4 運行才能到達連接器，則需要幫助。帶狀和柔性電纜是3.0Gbps的非理想鏈路;它們會帶來更多的損耗、高頻滾降和抖動。MAX4951BE具有可選設(shè)置，用于在輸出端添加PE。PE改善了信號離開芯片并傳播到連接器后的高頻響應。每當位從 1 過渡到 0 或從 0 過渡到 1 時，PE 都會增加振幅。參見圖 2B。每次出現(xiàn)轉(zhuǎn)換位時，MAX4951BE在PE使能的情況下為該位提供額外能量。額外的高頻能量有助于克服連接器和電纜/插座組件中的高頻損耗;如果MAX4951BE必須驅(qū)動連接器的困難線路，則應使用它。設(shè)計人員可以使用上拉電阻來規(guī)劃引腳 8 和 9 的電路板。如果眼圖中eSATA順應點處的眼圖閉合，則添加上拉電阻。如果信號在插座上顯示大量過沖，則不需要PE，只需移除上拉。MAX4951BE具有內(nèi)部下拉電阻，因此這些引腳不需要電阻接地。對于返回主機的信號，沒有順從點。一個好的“經(jīng)驗法則”是，如果MAX5BE與主機之間有>4951in，或者信號必須穿過多個過孔，則使用PE。圖2B中的“凸起”顯示了過渡位的高頻含量增加。示波器屏幕截圖顯示了驅(qū)動長板或電纜的出色性能。

圖 2A.MAX4951BE輸出的眼圖，可輕松滿足= 400mVP-P信號要求。

圖 2B. 每當一個位從 1 過渡到 0 或從 0 過渡到 1 時，PE 都會增加振幅。

抑制帶外 （OOB） 信號

SATA/eSATA 信號很復雜，包含用于初始握手的帶外 （OOB） 信號。OOB 是 1.5Gbps 突發(fā)，其中包絡(luò)被解釋（圖 3）。MAX4951BE采用快速靜噪系統(tǒng)，在信號低于要求電平時移除任何輸出。此功能可確保在輸入端存在噪聲時輸出不會被放大。MAX4951BE在信號<100mV時抑制P-P，從而符合 SATA 規(guī)范。

圖3.OOB 是 1.5Gbps 突發(fā)。

輸入和輸出端的電容耦合

最終電路板應仔細布局，以匹配器件的50Ω輸入。設(shè)計人員應咨詢電路板供應商，以便“堆疊”產(chǎn)生100Ω平衡走線。MAX4951BE必須由主機側(cè)和驅(qū)動側(cè)進行電容耦合。如果驅(qū)動器和MAX4951BE在輸入和輸出端均使用電容耦合（≤12nf），則沒有問題。如果設(shè)計人員將MAX4951BE放置在eSATA連接器附近，并且不使用帶狀電纜進行連接，則使用PE可能導致系統(tǒng)超出最大幅度的規(guī)格。在這種情況下，用戶應移除引腳9上推薦的上拉電阻。

電源管理

功耗是大多數(shù)設(shè)計的主要問題。MAX4951BE具有兩種省電特性，可單獨使用或組合使用。

如前所述，該器件包含一個靜噪器，用于確定是否存在有效的輸入信號。大約 3/4 的器件電流消耗在輸出級中。MAX4951BE在沒有有效信號時進入部分休眠模式，從而降低功耗。當沒有SATA活動時，設(shè)備僅消耗≈15mA。SATA 流量不是連續(xù)的，典型的流量模式將平均消耗量降低到峰值消耗量的 ≈50%。

MAX4951BE還具有CAble檢測（CAD）引腳18，通過3kΩ電阻在內(nèi)部上拉至+3.300V。如果引腳18懸空，則器件功耗<1mA。該引腳實際上是一個低使能引腳，如果接地，則允許正常工作。讓該引腳充當自動關(guān)斷功能非常容易。

自動關(guān)斷

SATA/eSATA 連接器包含三個接地引腳，即引腳 1、4 和 7。要自動關(guān)斷，只需將這些引腳之一（例如引腳 1）從地面提起，然后將引腳 18 綁到其上。連接電纜/硬盤時，示例引腳1將通過引腳4和7接地，從而使能MAX4951BE（圖4）。如果擔心高頻部分，設(shè)計人員可以簡單地將一個5nf電容從引腳1接地，從而將引流接地。當沒有連接電纜時，MAX4951BE的工作電流幾乎為零;插入硬盤后，MAX4951BE工作正常。

如果不需要自動關(guān)斷，設(shè)計人員只需將引腳18接地，器件即可正常工作，仍采用前面描述的低功耗抑制。鼓勵設(shè)計人員使用0402焊盤布局電路板，用于引腳18至GND。應將 1nf 至 5nf 0402 電容器放置在該位置并進行測試。如果認為這種低功耗特性不值得，則只需用0Ω電阻替換電容器即可。

圖4.使用MAX4951BE進行自動關(guān)斷設(shè)置。

6.0Gbps 數(shù)據(jù)速率和 eSATA 連接

SATA和eSATA的數(shù)據(jù)速率從1.5Gbps發(fā)展到3.0Gbps，最近又發(fā)展到6.0Gbps。SATA規(guī)范的當前版本是v.3.0，現(xiàn)在包括內(nèi)部驅(qū)動器的6.0Gbps數(shù)據(jù)速率。該規(guī)范尚未包括eSATA，但是，預計將在未來幾個月內(nèi)對其進行修改以包括eSATA。設(shè)計人員很難在不使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器器件的情況下設(shè)計出處理此數(shù)據(jù)速率的電路板。Maxim設(shè)計MAX4951BE的工作速率為6.0Gbps，無需任何修改。在設(shè)計和鑒定設(shè)備時，令人欣慰的是，同一設(shè)備可以與下一代硬件一起使用。圖5顯示了MAX4951BE在6.0Gbps信號下的性能。該設(shè)備睜大眼睛且?guī)缀鯚o抖動，可在 6.0 Gbps eSATA 最終確定時使用。

圖5.MAX6BE采用0.4951Gbps信號，產(chǎn)生開眼，抖動極小，可立即與預期的eSATA規(guī)格配合使用。

設(shè)計人員必須考慮設(shè)備與外界接口的魯棒性。eSATA在防止其引腳暴露方面做得很好，但是，存在一個問題。使用eSATA，不可能簡單地在器件內(nèi)部或外部添加靜電放電（ESD保護二極管）。即使是1pf二極管也能以100.3Gbps的數(shù)據(jù)速率將0Ω的電抗分流到輸出。Maxim預測了eSATA數(shù)據(jù)速度，并增加了高達±8kV人體模型的內(nèi)部保護。所有性能規(guī)格都已包含此保護，以確保設(shè)備的完整性。

結(jié)論

MAX4951BE將SATA主機與eSATA外部連接相匹配。該器件采用輸入均衡和可選輸出預加重來克服電路板損耗和感應抖動。MAX4951BE具有兩種低功耗特性以降低功耗;如果未插入硬盤驅(qū)動器，該器件的功耗< 1mA，并且在沒有eSATA流量時會降低功耗。

設(shè)計人員可以使用幾個電阻作為跳線在原型階段設(shè)置器件，然后決定哪種模式合適。這節(jié)省了調(diào)試代碼和測試軟件的時間。最后，該器件非常堅固耐用，具有 ±8kV 的 ESD 保護。它是“面向未來的”，因為它可用于 SATA 3.0 驅(qū)動器。為MAX4951BE提供評估（EV）板;參見MAX4951BEVKIT。評估板包括SATA連接器和跳線，用于設(shè)置電平，以及使用SMA連接器測試高頻性能的單獨部分。

審核編輯：郭婷