高速通信的得力助手：DS32EL0124/DS32ELX0124解析

在高速通信領域，對于數據傳輸的效率、穩定性和抗干擾能力有著極高的要求。德州儀器（TI）的DS32EL0124和DS32ELX0124這兩款芯片，就像是兩位技藝精湛的“通信使者”，在高速串行通信中發揮著重要作用。今天，我們就來深入了解一下它們。

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芯片概述

DS32EL0124和DS32ELX0124是兩款用于高速串行通信的解串器芯片，工作頻率范圍為125 MHz - 312.5 MHz，支持高達3.125 Gbps的串行數據速率。它們集成了時鐘和數據恢復模塊，能夠在FR - 4印刷電路板背板、平衡電纜和光纖等介質上實現高速串行通信。而且，這兩款芯片采用了48引腳的WQFN封裝，散熱性能良好，非常適合對空間和散熱有要求的應用場景。

芯片特性大揭秘

接口與功能特性

1. DDR LVDS并行數據接口：采用5位DDR LVDS并行數據接口，可編程接收均衡功能可以根據實際需求調整信號接收狀態。同時，還具備可選的DC - 平衡解碼器和去擾器，能有效提高數據傳輸的穩定性和可靠性。
2. 遠程感應功能：這個功能可以自動檢測和協商鏈路狀態，無需額外的反饋路徑。當與DS32EL0421或DS32ELX0421串行器直接連接時，能快速建立穩定的通信鏈路。
3. 無需外部接收器參考時鐘：這一特性大大簡化了電路設計，降低了成本和復雜度。
4. 可編程LVDS輸出時鐘延遲：支持輸出數據有效信號和保持活動時鐘輸出，方便系統進行數據同步和控制。
5. 片上LC VCOs：提供穩定的時鐘信號，確保數據的準確傳輸。
6. 冗余串行輸入和重定時串行輸出（僅ELX設備）：增加了系統的可靠性和靈活性，在主輸入出現問題時可以切換到備用輸入。

電氣與性能特性

1. 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，能適應各種惡劣的工作環境。
2. 高ESD保護：具備超過8 kV的ESD（HBM）保護，有效防止靜電對芯片造成損壞。
3. 低輸入抖動容限：在1.25 Gbps數據速率下，最小輸入抖動容限為0.5 UI，保證了數據的穩定接收。

應用領域廣泛

成像領域

在工業、醫療安全和打印機等成像設備中，需要高速、穩定的數據傳輸來保證圖像的清晰和準確。DS32EL0124/DS32ELX0124能夠滿足這些設備對數據傳輸速率和可靠性的要求，確保圖像數據的快速、準確傳輸。

顯示領域

LED墻和商業顯示屏等需要高分辨率、高刷新率的顯示設備，對數據傳輸的帶寬和穩定性有很高的要求。這兩款芯片可以實現高速數據的解串和傳輸，為顯示設備提供清晰、流暢的圖像顯示。

視頻傳輸

在視頻傳輸系統中，需要實時、高效地傳輸大量的視頻數據。DS32EL0124/DS32ELX0124的高速串行數據處理能力和低抖動特性，能夠保證視頻數據的高質量傳輸，減少視頻卡頓和失真。

通信系統

在通信系統中，如無線基站、數據中心等，需要高速、可靠的數據傳輸來保證通信的順暢。這兩款芯片可以用于高速數據的解串和處理，提高通信系統的性能和穩定性。

測試與測量

在測試和測量設備中，需要精確地采集和處理數據。DS32EL0124/DS32ELX0124的高精度數據處理能力和低抖動特性，能夠滿足測試和測量設備對數據準確性和穩定性的要求。

工業總線

在工業自動化領域，工業總線需要高速、可靠的數據傳輸來實現設備之間的通信和控制。這兩款芯片可以用于工業總線的數據解串和處理，提高工業自動化系統的效率和可靠性。

關鍵規格參數

數據速率與時鐘頻率

串行數據速率范圍為1.25 - 3.125 Gbps，DDR并行時鐘頻率為125 - 312.5 MHz，能夠滿足不同應用場景對數據傳輸速率的要求。

溫度范圍

工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，確保芯片在各種惡劣環境下都能正常工作。

ESD保護

具備超過8 kV的ESD（HBM）保護，有效防止靜電對芯片造成損壞，提高了芯片的可靠性和穩定性。

輸入抖動容限

在1.25 Gbps數據速率下，最小輸入抖動容限為0.5 UI，保證了數據的穩定接收，減少了數據傳輸中的誤碼率。

芯片功能詳細解析

電源管理

這兩款芯片有2.5V和3.3V兩種電源引腳，在電源設計時，需要確保這些引腳正確連接并進行適當的旁路處理。建議使用并聯的4.7μF和0.1μF電容進行旁路，每個電源引腳都要連接一個0.1μF電容。同時，VDDPLL引腳需要連接一個22 μF電容到3.3V電源軌。在電源上電順序方面，雖然先開啟3.3V電源再開啟2.5V電源不是必需的，但如果先開啟2.5V電源，可能會出現約600mA的初始電流沖擊，之后才會穩定到最終值。無論上電順序如何，兩個電源軌都應單調上升到最終值。此外，芯片還提供了兩種降低功耗的方法：一是讓板載主機FPGA或控制設備停止輸出DDR傳輸時鐘；二是寫入掉電寄存器，使芯片進入最低功耗模式。

復位功能

芯片有三種復位方式。一是在電源上電時自動復位；二是將RESET引腳拉低，當引腳再次拉高時恢復正常工作；三是寫入復位寄存器，將所有寄存器值恢復到默認值，但如果SMBus默認地址已更改，地址寄存器的值不受影響。

LVDS輸出

芯片的LVDS輸出符合ANSI/TIA/EIA - 644標準，為了保證信號質量，建議FPGA和解串器輸出之間的PCB走線長度不超過40英寸。過長的走線可能會導致信號衰減和通道偏移，從而引發序列化錯誤。同時，主機與芯片之間的連接應采用阻抗匹配的受控阻抗傳輸線，通常阻抗為100Ω。此外，通過寫入寄存器30’h可以調整時鐘延遲。

環路濾波器

芯片內部的時鐘數據恢復模塊（CDR）用于恢復輸入的串行數據，其環路濾波器是外部的。為了獲得最佳效果，建議在引腳26和27之間連接一個30nF的電容。

環路通過驅動器發射幅度

對于DS32ELX0124芯片，其環路通過驅動器的發射幅度可以通過連接VODCTRL引腳到下拉電阻來控制。下拉電阻的值決定了輸出幅度VLTOD，可以使用公式 $V{LTOD}=left(1400 mV / V_{LTOD}right) × 9.1 k Omega$ 來計算所需的電阻值。此外，也可以通過寫入SMBus寄存器49’h的3:1位來調整輸出幅度，但在最終生產中，建議選擇合適的電阻值并將寄存器49’h保持默認值。

遠程感應

當DS32EL0421或DS32ELX0421串行器直接連接到DS32EL0124或DS32ELX0124解串器時，可以使用遠程感應功能。但信號路徑中的有源組件可能會干擾設備的反向通道信號。當遠程感應功能啟用時，解串器會經歷五個狀態來建立鏈路并對齊數據。具體來說，解串器初始處于低功耗IDLE狀態，等待輸入信號。當CDR鎖定輸入時鐘后，進入LINK DETECT狀態，在此狀態下會監測線路并向上游發送鏈路檢測信號。當檢測到串行線上有數據輸入時，進入CLOCK ACQUISITION狀態，嘗試從數據中提取時鐘。成功提取時鐘后，進入LINK ACQUISITION STATE進行通道對齊，最后進入NORMAL狀態。如果無法鎖定或保持鎖定，解串器會斷開鏈路，使串行器回到IDLE或LINK DETECT狀態。

DC - 平衡解碼器

芯片內置的DC - 平衡解碼器支持AC耦合應用。當該功能啟用時，輸出信號RxOUT4+/-被視為數據有效位。如果RxOUT4+/-為低，表示數據已使用8b/10b編碼方案成功解碼；如果RxOUT4+/-為高且RxOUT0 - RxOUT3輸出為高，表示接收到無效的8b/10b代碼，即出現位錯誤；如果RxOUT4+/-為高且RxOUT0 - RxOUT3輸出為低，表示接收到空閑字符，默認空閑字符為K28.5代碼。如果需要接收其他K代碼，需要通過SMBus將其編程到解串器中，且SMBus寄存器僅允許編程一個字符。

解擾器和NRZI解碼器

解串器的CDR期望數據在200 μs內的轉換密度達到20%。為了提高數據的轉換密度，可以啟用DS32EL0421和DS32ELX0421串行器中的擾碼器和NRZI編碼器。如果解擾器啟用，CDR恢復數據后會根據DS32EL0421數據手冊中指定的多項式對序列化數據進行解擾。使用擾碼器/解擾器可以通過擴展數據頻譜來降低EMI輻射，同時為解串器的CDR提供足夠的轉換信號以實現正確鎖定。擾碼器的啟用或禁用默認取決于DC_B和$overline{RS}$引腳的配置。如果需要覆蓋默認設置，需要進行兩次寄存器寫入操作：首先寫入寄存器22’h并將位5設置為解鎖解擾器寄存器；然后寫入寄存器21’h并將位5設置為所需的值。需要注意的是，NRZI解碼器在寄存器22'h和21'h中有自己的控制位。

CML輸入和輸出接口

CML輸入接口

DS32ELX0124有兩個輸入接口，可通過RX_MUX_SEL引腳或內部控制寄存器選擇輸入。輸入級是自偏置的，無需外部偏置電路，且芯片內部集成了輸入終端電阻。該接口支持50mV至Vcc - 50mV的寬共模輸入范圍，適用于接口系統之間沒有顯著接地電位差的DC耦合應用。串行輸入還提供輸入均衡控制，可通過SMBus接口調整均衡級別，以補償介質傳輸中的損耗。建議將RxIN0+/-作為主輸入，因為RxIN1由于靠近環路通過驅動器，在電纜長度性能方面通常不如RxIN0。在連接RxIN1+/-并使用TxOUT+/-上的環路通過驅動器進行傳輸時，需要遵循良好的布局規范，以避免過多的串擾耦合到RxIN1。

CML輸出接口（僅DS32ELX0124）

DS32ELX0124的重定時環路通過串行輸出提供低偏斜的差分信號。內部電阻連接TxOUT+和TxOUT - 到VDD25以終止輸出，輸出電平可以通過調整VOD_CTRL引腳的下拉電阻來設置，輸出終端電阻也可以編程為50或75歐姆。輸出緩沖器采用電流模式邏輯（CML）驅動器，具有用戶可配置的去加重控制功能，可通過SMBus接口進行編程。用戶可以根據具體的系統環境調整去加重的強度，以優化在不同傳輸線長度和衰減失真情況下的性能，例如在低成本CAT(-5, -6, -7)電纜或FR4背板上的傳輸性能。具體可參考寄存器映射中67'h寄存器的6:5位。

設備配置

SMBus接口

芯片的系統管理總線（SMBus）接口兼容SMBus 2.0物理層規范，需要使用芯片選擇信號。將SMB_CS引腳拉高可啟用SMBus端口，訪問配置寄存器；將其拉低則禁用芯片的SMBus，允許主機與總線上的其他從設備通信。在STANDBY狀態下，SMBus仍保持活動狀態。當與SMBus上的其他設備通信時，解串器的SMB_CS信號必須拉低。所有DS32EL0124和DS32ELX0124設備的地址字節為B0'h，基于SMBus 2.0規范，其7位從地址為1011000'b，LSB設置為0'b（用于寫入），因此8位值為1011 0000'b或B0'h。SCK和SDA引腳采用3.3V LVCMOS信號，內部包含高阻上拉電阻，根據SMBus負載和速度可能需要外部低阻抗上拉電阻。需要注意的是，這些引腳不支持5V信號。在數據傳輸方面，正常操作時，SCK為高電平時SDA上的數據必須穩定。SMBus有START、STOP和IDLE三種狀態，芯片支持WRITE和READ兩種事務，具體的讀寫協議如下：

寫寄存器

1. 主機（Master）將SMBus芯片選擇（SMB_CS）信號拉高，選擇設備。
2. 主機驅動START條件，發送7位SMBus地址和“0”表示寫入。
3. 設備（Slave）驅動ACK位（“0”）。
4. 主機驅動8位寄存器地址。
5. 設備驅動ACK位（“0”）。
6. 主機驅動8位數據字節。
7. 設備驅動ACK位（“0”）。
8. 主機驅動STOP條件。
9. 主機將SMBus CS信號拉低，取消選擇設備。

讀寄存器

1. 主機（Master）將SMBus芯片選擇（SMB_CS）信號拉高，選擇設備。
2. 主機驅動START條件，發送7位SMBus地址和“0”表示寫入。
3. 設備（Slave）驅動ACK位（“0”）。
4. 主機驅動8位寄存器地址。
5. 設備驅動ACK位（“0”）。
6. 主機驅動START條件。
7. 主機驅動7位SMBus地址和“1”表示讀取。
8. 設備驅動ACK位“0”。
9. 設備驅動8位數據值（寄存器內容）。
10. 主機驅動NACK位“1”表示讀取傳輸結束。
11. 主機驅動STOP條件。
12. 主機將SMBus CS信號拉低，取消選擇設備。

SMBus有多種配置方式，例如當解串器是SMBus上唯一的設備時，可將SMB_CS引腳拉高；當多個設備具有相同地址時，需要使用各自的SMB_CS信號進行選擇；對于SMBus協議中地址字段限制為7位可能導致多個設備地址相同的情況，芯片不支持地址解析協議（ARP），可以采用獨立的SMB_CS信號、獨立的SMBus段或其他方法來解決。

傳播延遲

對于DS32ELX0124，如果啟用了環路通過驅動器，從高速C