使用MAX4951 SATA雙向轉(zhuǎn)接器驅(qū)動(dòng)eSATA電纜

摘要：采用增強(qiáng)串行ATA (eSATA)，帶有外部驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在性能上實(shí)際與內(nèi)部驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相當(dāng)，要比USB 2.0快得多。eSATA提供單獨(dú)的接收/發(fā)送通道，速率高達(dá)3.0Gbps，而USB 2.0只是簡(jiǎn)單的480Mbps鏈路。采用eSATA端口，計(jì)算機(jī)很容易獲得1千兆字節(jié)(1TB)或更多的外部數(shù)據(jù)，就像訪問內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器一樣方便，而電纜傳輸距離可以延伸到2m。為進(jìn)一步適應(yīng)更長(zhǎng)的電纜，eSATA需要比SATA更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。基于這一需求，我們推出了MAX4951 SATA雙向轉(zhuǎn)接器以滿足eSATA驅(qū)動(dòng)的全面需求。

SATA和以前的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

在筆記本電腦和臺(tái)式計(jì)算機(jī)中，串行ATA (SATA)硬盤驅(qū)動(dòng)器幾乎完全替代了并行ATA (PATA)硬盤驅(qū)動(dòng)器，甚至還用在了某些服務(wù)器中。SATA電纜/插座只有7條數(shù)據(jù)線(圖1)，而PATA含有40條數(shù)據(jù)線。SATA電纜非常靈活，不需要進(jìn)行跳接器設(shè)置。內(nèi)部SATA電纜長(zhǎng)達(dá)1m，而PATA電纜只有18in長(zhǎng)。


圖1. PCB上的SATA連接器

SATA I串行數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)傳輸速率為150MB/s，并行傳輸最大速率為133MB/s；SATA II傳輸速率可以達(dá)到300MB/s。SATA最初只是簡(jiǎn)單地用于替代笨拙的帶狀連接器，只需要驅(qū)動(dòng)1m長(zhǎng)的電纜。開發(fā)了名為增強(qiáng)SATA (eSATA)的新標(biāo)準(zhǔn)來驅(qū)動(dòng)筆記本電腦/臺(tái)式計(jì)算機(jī)外部硬盤信號(hào)，驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度達(dá)到2m。SATA/eSATA信號(hào)類似標(biāo)準(zhǔn)LVDS，在一對(duì)100Ω平衡傳輸線上進(jìn)行交流耦合。信號(hào)電平通常為±500mV_P-P。1.5Gbps SATA的應(yīng)用非常成功，SATA/eSATA很快發(fā)展到3.0Gbps，并且還進(jìn)行了其他改進(jìn)。

eSATA

eSATA是SATA的擴(kuò)展。eSATA用于帶有外部硬盤驅(qū)動(dòng)器的筆記本電腦/臺(tái)式計(jì)算機(jī)，支持2m長(zhǎng)的電纜傳輸。使用eSATA，計(jì)算機(jī)很容易訪問1千兆字節(jié)(1TB)甚至更多的外部數(shù)據(jù)，速度和內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器一樣快。由于電纜長(zhǎng)度可能長(zhǎng)于SATA電纜，因此，eSATA電纜要比SATA需要更強(qiáng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。eSATA連接器與SATA連接器略有不同，彼此不能互換。圖2所示為SATA和eSATA的電纜端頭。兩個(gè)電纜端頭看起來相似，但是SATA電纜端頭有一個(gè)槽口。


圖2. SATA和eSATA電纜連接器

采用eSATA后，eSATA有兩條數(shù)據(jù)鏈路，比USB 2.0快出很多倍，系統(tǒng)總性能實(shí)際上與內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器相同。

設(shè)計(jì)人員面臨一個(gè)兩難問題：一方面他們需要客戶提供必須的eSATA端口，另一方面，他們首先要確定SATA控制器在母板上的位置，使其能夠與設(shè)計(jì)整體達(dá)到最佳匹配。由于電路板限制，而且需要把eSATA連接器放在最容易連接的地方，設(shè)計(jì)人員不得不跨過電路板進(jìn)行布線。考慮到連接器的損耗，信號(hào)可能達(dá)不到eSATA信號(hào)電平要求。

MAX4951滿足了eSATA的要求

MAX4951 SATA雙向轉(zhuǎn)接器的推出有助于解決電路板/電纜損耗問題，完全滿足eSATA的驅(qū)動(dòng)要求。MAX4951最合適的位置是靠近eSATA連接器放置。該器件非常小(只有4mm x 4mm)，只需3.3V供電，其面向北橋的輸入可承受6dB損耗，而且還很容易提供足夠的輸出以驅(qū)動(dòng)eSATA電纜。

MAX4951含有兩個(gè)限幅差分放大器，輸入和輸出都有內(nèi)部50Ω終端匹配。每個(gè)放大器的輸出級(jí)都可以由2個(gè)比特單獨(dú)進(jìn)行控制，通常在電路板設(shè)計(jì)階段來設(shè)置這兩個(gè)比特。如果電路板驅(qū)動(dòng)eSATA，那么，比特1 (B1)應(yīng)設(shè)置為高電平；如果MAX4951小于6in (< 0.15m)，那么，比特0 (B0)應(yīng)浮空，如果距離≥ 6in，則應(yīng)設(shè)置為高電平。出于設(shè)計(jì)目的，設(shè)計(jì)人員可能希望在3.3V至B0之間放置一個(gè)1kΩ電阻，如果不需要，則不用安裝。

OOB管理

帶外(OOB)信號(hào)直接在MAX4951中進(jìn)行處理。OOB信號(hào)是特殊的低數(shù)據(jù)速率命令，主機(jī)和驅(qū)動(dòng)器需要利用這一信號(hào)進(jìn)行通信或“握手”。在1.5Gpbs數(shù)據(jù)速率時(shí)，OOB信號(hào)由一系列突發(fā)構(gòu)成。可以認(rèn)為這些突發(fā)是其輸出通過一個(gè)開關(guān)的波形(圖3)。開關(guān)允許多個(gè)周期的1.5Gbps信號(hào)通過，主機(jī)/驅(qū)動(dòng)器對(duì)這些突發(fā)周期進(jìn)行解碼，完成通信。MAX4951專門針對(duì)管理OOB信號(hào)提供壓制電路。圖3所示為突發(fā)信號(hào)波形—有很多突發(fā)周期，每一周期后面是“無信號(hào)”時(shí)間。


圖3. OOB信號(hào)

轉(zhuǎn)接器要在SATA/eSATA環(huán)境中正常工作，器件必須能夠抑制或者“壓制”低于100mV的所有信號(hào)。沒有壓制功能時(shí)，轉(zhuǎn)接器會(huì)放大系統(tǒng)中的所有噪聲，從而損失OOB信號(hào)。使用MAX4951后，設(shè)計(jì)人員不需要針對(duì)OOB信號(hào)管理來進(jìn)行任何特殊的工作—該信號(hào)直接通過MAX4951，所有噪聲都被壓制，防止噪聲干擾OOB信號(hào)。

接收靈敏度管理

設(shè)計(jì)人員應(yīng)按照在電路板上產(chǎn)生100Ω平衡走線的規(guī)則來布板—布板軟件對(duì)此提供支持。主機(jī)和驅(qū)動(dòng)器側(cè)都應(yīng)該對(duì)MAX4951進(jìn)行電容耦合。輸入信號(hào)電平應(yīng)≥ 200mV_P-P。輸出電平可以設(shè)置為600mV_P-P或者900mV_P-P。

圖4所示為MAX4951工作在3.0Gbps以及輸入只有200mV_P-P時(shí)的眼圖。通過用戶引腳來選擇輸出。MAX4951提供雙向信號(hào)支持，在每一方向上，通過連接引腳來選擇其輸出電平。


圖4. MAX4951工作在3.0Gbps以及輸入只有200mV_P-P時(shí)的眼圖

輸出電平是900mV_P-P，而輸入只有200mV_P-P。在SATA 600mV_P-P限制下，眼圖幾乎相同。輸入即使只有200mV_P-P，輸出看起來也非常干凈。

設(shè)計(jì)實(shí)例

圖5中的原理圖是筆記本電腦或者臺(tái)式計(jì)算機(jī)應(yīng)用中eSATA 轉(zhuǎn)接器的完整電路。該設(shè)計(jì)將SATA提升到eSATA電平。采用MAX4951之后，其引腳布局不需要跨過任何導(dǎo)線。這一設(shè)計(jì)可以用作MAX4951評(píng)估套件(EV kit)的基礎(chǔ)。


圖5. 筆記本電腦/臺(tái)式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)采用了MAX4951將SATA信號(hào)提升到eSATA電平

結(jié)論

很多新的筆記本電腦/臺(tái)式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)必須提供eSATA驅(qū)動(dòng)支持。由于大部分設(shè)計(jì)人員無法控制北橋，他們必須采用某類主動(dòng)轉(zhuǎn)接器來解決信號(hào)損耗問題。MAX4951 轉(zhuǎn)接器可接受經(jīng)過6dB以上衰減的最小SATA輸出電平，產(chǎn)生的輸出信號(hào)滿足eSATA要求。對(duì)轉(zhuǎn)接器進(jìn)行布板，使輸入和輸出直接通過，不會(huì)有交叉，不需要專門處理過孔或者其他布板問題。唯一增加的元件是幾個(gè)旁路電容和耦合電容。MAX4951匹配了主機(jī)傳輸線，eSATA非常干凈的輸出能夠通過2m電纜驅(qū)動(dòng)外部eSATA硬盤驅(qū)動(dòng)器。