TWI685282B - 高速電路及低頻減少被動等化器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種差分傳輸線結構，以減少低頻衰減的大小。前述傳輸線結構形成於一印刷電路板上。一對差分傳輸線連接一信號接收器和一信號發信器。被動等化器具有一第一分流器和一第二分流器，其中第一分流器耦合至一對差分傳輸線之一者，且第二分流器耦合至一對差分傳輸線之另一者。被動等化器具有一電感和一電阻，串聯耦合至前述分流器。對於低頻信號，被動等化器做為一對差分傳輸線的分流電阻。

Description

高速電路及低頻減少被動等化器
本揭露大體關於允許較長傳輸線而未減少信號品質。更具體地來說，本揭露之各方面係有關於一種低頻減少被動等化器，以在長差分信號傳輸線上減少低頻衰減和高頻衰減之間的偏差。
高速差分信號傳輸線(high speed differential signal traces)已在各種產品中被廣泛地使用，例如伺服器或儲存產品。許多伺服器或儲存產品包括一機架，支持並連接不同的印刷電路板，其中前述印刷電路板具有各種安裝於其上的電子裝置。舉例而言，一印刷電路板可具有一或多個安裝於其上的積體電路晶片，可以為單獨的、或與類似裝置或其他裝置結合。印刷電路板包括各種信號傳輸線，以提供信號至板上的裝置。信號傳輸線通常配置為特定信號的差分信號傳輸線對(differential trace pairs)。
當印刷電路板變得更加複雜、包含更多元件時，在元件之間連接的布線需要更長的信號路徑長度。第1圖為具有習知信號傳輸線12的電路板10，作為連接發信器14至接收器16的信號通道。當傳輸線12因為發信器14和接收器16的間隔變得更長時，其損耗將更多，這將使資料的信號調變(signal modulation)降低。當信號通過損耗通道傳送時，信號的高頻部分和低頻部分會具有不同的衰減。通道愈長，在信號的高頻部分和低頻部分之間之衰減中的偏差會愈大。當接收器16從輸入信號取樣且恢復一點資訊時，衰減中的此偏差可能造成失真(distortion)，其中前述輸入信號係由發信器14產生且通過信號傳輸線12接收。
這種影響可由從信號傳輸線12接收之信號的波形看到。第2A圖為信號振幅隨時間變化的曲線圖，其中線條20表示來自發信器14通過第1圖中的信號傳輸線12傳送之一信號。第2B圖同樣為信號振幅隨時間變化的曲線圖，其中線條22、24表示第1圖中接收器16於不同長度的信號傳輸線12所接收到的信號。具體而言，線條22表示當信號傳輸線12具有六千密耳(mil)的長度時，接收器16中的信號。相對地，線條24表示當信號傳輸線12具有一萬二密耳的長度時，接收器16中的信號。第2C圖為不同長度的信號傳輸線隨頻率變化之衰減的曲線圖。具體而言，線條32表示較短通道長度(六千密耳)的衰減，且線條34表示較長通道長度(一萬二密耳)的衰減。可由第2C圖中看到，對兩個長度來說，衰減皆會隨著頻率而增加。然而，隨著傳輸線的長度增加，衰減量也會增加。此點可由線條34相對於線條32有較大衰減顯示。因此，這表明了隨著信號傳輸線之長度增加，信號傳輸線中的失真將會增加。
對於這種較長路徑的應用，為了讓足夠的信號傳輸，主動元件如加強器(re-driver)被引入並使用於近期的設計中。舉例而言，在一典型的伺服器中，使用了二十英吋(20”)的資料路徑。目前快捷外設互聯標準(Peripheral Component Interconnect Express, PCIe)4之標準需要一加強器以確保伺服器中資料路徑長度的信號完整性。加強器為一信號放大器，其在通道之一點接收信號，並放大信號以減少衰減。因此加強器目前是必須的，以配置PCIe 4形式的元件於伺服器中。然而，加強器元件增加了系統電力需求以及設計的複雜度。因此，有著藉由減少加強器的數量來簡化設計複雜度和減少系統電力的期待。然而，因為較長的傳輸線無法被使用，這限制了設計的彈性。因此，連接的元件必須相互靠近放置。
因此，需要被動元件來減少高頻率和低頻率衰減之間的偏差，以允許較長的信號路徑應用。再者，更需要允許差分信號傳輸線對中之回程路徑(return path)的長度上保持相同系統電力的元件。此外，更需要在運作時無須額外能量的被動元件。
一揭露之示例為一種高速電路。前述高速電路包括一印刷電路板。高速電路包括在印刷電路板上的一信號發信器和一信號接收器。一對差分傳輸線連接信號接收器和信號發信器。一被動等化器耦合至一對差分傳輸線。對於低頻信號，被動等化器作為一對差分傳輸線的一分流電阻。
另一示例為一種被動等化器，以減少一差分傳輸線對上之信號的衰減。一第一分流器耦合至一對差分傳輸線之一者。一第二分流器耦合至一對差分傳輸線之另一者。一電感具有耦合至第一分流器之一端。一電阻具有耦合至電感之相反端的一端以及耦合至第二分流器之一相反端。對於低頻信號，前述電感和電阻作為一對差分傳輸線之一分流電阻。
前述結論並非意圖代表本揭露之每個實施例或每個方面，而僅僅提供了本文所述之一些新穎的方面和特徵的例證。本發明之前述特徵和優點以及其它特徵和優點，可從以下用於實施本發明之代表性實施例和模式的詳細描述配合附圖和申請專利範圍顯而易見。
本發明可以由多種不同形式實施。代表性之實施例顯示於圖式中，並將在此詳細描述。本揭露為本揭露之原理的示例或說明，且並非意圖將本揭露的廣泛方面限制於所示實施例之揭露。在這種情況下，例如在摘要、發明內容和實施方式所述部分中揭露但未在申請專利範圍中明確闡述的要素和限制，不應藉由暗示、推斷或其他方式而單獨或集體地併入申請專利範圍中。為了達到本實施方法之目的，除非特別聲明，單一形式可包含複數個，反之亦然；「包括」是指「包括但不限於」。另外，本文中使用之例如「大約」、「將近」、「大致」、「左右」等近似的詞語，其意義上為例如為「為」、「接近」、「接近於」、「3~5%的範圍內」、「可接受之製造公差內」、或其任何符合邏輯之組合。
第3圖係表示根據本揭露配置之一電路板100。如第3圖所示，電路板100包括一信號發信器元件110和一信號接收器元件120。一對差分信號傳輸線130形成通道，允許信號在發信器元件110和接收器元件120之間發送。傳輸線130包括一對輸入區段132、134，連接至信號發信器元件110。傳輸線130同樣包括一對輸出區段136、138，耦合至信號接收器元件120。
在本示例中，傳輸線130的主要長度通過本體元件142、144帶出。在本示例中，傳輸線130具有對潛在信號衰減考量的長度。在本示例中，本體元件142、144形成於印刷電路板100的一表面，相反於安裝信號發信器元件110和接收器元件120之表面。這可允許印刷電路板100的表面可用於額外的元件。串聯的連通柱146穿過電路板100形成，以連接本體元件142、144與輸入區段132、134和輸出區段136、138。雖然本示例中之傳輸線130大體為矩形，傳輸線亦可為任何形狀。再者，傳輸線可與發信器110和接收器120形成於印刷電路板100的同一側。
如下所述，一被動等化器元件150(passive equalizer component)被插入於本體元件142、144之間。被動等化器元件150解決了本體區段142、144的不同通道長度的信號衰減。被動等化器元件150等化了通過損耗通道(例如傳輸線130)傳送之信號的高頻部分和低頻部分的能量。在本示例中，被動等化器元件150組裝於電路板100的頂面，但被動等化器元件150也可以組裝於電路板100的底面。
事實上，多數等化器係作為高通濾波器(high pass filter)。對於被動高通濾波器，雖然低頻部分將遭遇較大的衰減來等化能量，高頻部分同樣會衰減。被動等化器元件150可沿著本體區段142、144的長度設置於任意位置。
對於主動高通濾波器，需要額外的電力來達成信號之高頻部分的增益。為了等化高頻部分和低頻部分，被動等化器元件150藉由分流器(shunts)聯繫，且前述分流器連接傳輸線的差分對。此配置允許信號的高頻部分在無衰減下傳播，且僅減少低頻能量。因此，信號的低頻部分將與高頻部分等化，使得低頻被動均等化。
第4圖為一電路圖，表示被動等化器元件150插入傳輸線130之間的示例性配置。如前所述，被動等化器元件150作為低頻被動等化器。在第4圖之示例性配置中，被動等化器元件150包括串聯配置的電阻410和電感412。被動等化器元件150的此串聯配置之一第一端接著通過一第一分流器400耦和至傳輸線130的本體元件142。被動等化器元件150的此串聯配置之一第二端例如使用一第二分流器402耦和至傳輸線130的本體元件144。
雖然本示例中顯示了單一電感和電阻，額外的電桿或電阻可並聯地連接至電感412和電阻410。再者，作為低頻被動等化器的其他電路也可以被使用。舉例而言，另一電阻可插入電感412和第二分流器402之間，或一電容和電阻電路可被使用。
運作時，電感412在低頻範圍中作為短路，且在高頻範圍中變成斷路。在低頻範圍中，被動等化器元件150之電阻410和電感412的串聯配置因此等同於一分流電阻，載於傳輸線130上。這會使得給予的電流相同時產生較小振幅信號。在高頻範圍中，因為電感412作為斷路，將不會有振幅衰減。舉例而言，在0~4GHz的信號中，30nH的電感和100Ohms的電阻可被使用。對於5~8GHz的信號中，4nH的電感和150Ohms的電阻可被使用。
第5圖為作為PCIe 3.0基本規範中定義的頻率函數的信號增益的對數線性圖。第5圖顯示由於通道的長度表示之不同增益的軌跡500。從第5圖中可以看到，當信號在低頻502時，衰減發生。此種衰減在較長的通道上傳輸更為明顯。然而，當頻率增加至更高頻504，所有的信號增益收斂。因此，被動等化器元件150藉由提供分流電阻作為高頻信號的斷路，有效地等化低頻信號。
高速差分信號傳輸線之應用的示例可在伺服器的電路板上。在一示例中，伺服器具有二十英吋的資料路徑，且因此在先前已知的設計中，PCIe 4協議需要主動加強器來確保資料路徑長度的信號完整性。然而，被動等化器元件的應用，例如第3圖中的被動等化器元件150，可允許PCIe類型的裝置連接在一起而不使用加強器或其他主動元件，即使是當資料路徑為二十英寸。
第6A、6B圖為來自二十英寸PCIe 4通道之信號的模擬結果。第6A圖為未應用第3圖中之低頻減少被動等化器元件150的差分信號傳輸線對的模擬結果。第6B圖為應用如第3圖所示之低頻減少被動等化器元件150的差分信號傳輸線對的模擬結果。從第6A、6B圖之模擬結果，低頻減少被動等化器可增大接收器眼圖的高(ehpk)和寬(ew)。如第6A、6B圖所示，高(ehpk)從13.6mV增加至16.9mV，且寬(ew)從.426UI增加至.460UI。
本文中所使用之技術用語，如「元件」、「模組」、「系統」等通常係旨表示電腦相關之實體、硬體(例如電路)、硬體與軟體之組合、軟體或與具有一或多個特定功能的操作機器之相關的實體。舉例而言，元件可為(但不限於)一程序執行於處理器(例如數位訊號處理器)上、一處理器、一物件、一執行檔，一執行線程、一程式、及/或一電腦。作為說明，在控制器上執行的應用程式和控制器都可以是元件。一或多個元件可以駐留在一程序及/或執行線程之中，且元件可被本地化在一電腦上及/或分佈在兩個或更多個電腦之間。此外，「裝置」可以特定設計之硬體的形式出現；藉由執行硬體上的軟體以使通用的硬體特定化，使得硬體能夠執行特定的功能；儲存在電腦可讀取媒體(computer-readable medium)上的軟體；或其組合。
本文使用的用語僅用於描述特定實施例為目的，而並非限制本發明。如本文所使用之單數形式「一」、「一個」和「該」，也可能包含複數形式，除非上下文另有明確指出。此外，在實施方式及/或申請專利範圍中使用之「包含」、「具有」、「附於」或其變體的用語，這些用語係包含以類似於用語「包括」的方式。
除非另外定義，在此使用的全部用語(包括技術及科學用語)具有與本發明所屬之一般技藝者通常理解的相同涵義。能理解的是這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有一與相關技術及本發明的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非 在此特別定義。
雖然上面已描述了本發明的各種實施例，應理解的是，它們僅作為示例而非被限制的。在不脫離本發明之精神或範圍的情況下，可根據本文之揭露內容對所揭露之實施例進行諸多修改。因此，本發明範圍不應受任何上述實施例的限制。相反的，本發明的範圍應根據所附申請專利範圍及其等同物來定義。
儘管已相對於一或多個實現方式顯示與描述了本發明，但在閱讀和理解本說明書與附圖後，本領域知識者將想到相同的更改和修改。此外，雖然本發明的特定特徵可能僅針對一些實施中的一個而被揭露，但這樣的特徵可與其他實施之一或多個其他特徵組合，以對於任何給定的或特定的應用可能是所期望與有利的。
10              電路板 12              信號傳輸線 14              發信器 16              接收器 20、22、24、32、34     線條 100            電路板/印刷電路板 110            信號發信器元件/信號發信器/發信器 120            信號接收器元件/信號接收器/接收器 130            傳輸線 132、134  輸入區段 136、138  輸出區段 142、144  本體元件/本體區段 150            被動等化器元件/被動等化器 146            連通柱 400            第一分流器 402            第二分流器 410            電阻 412            電感 500            軌跡 502            低頻 504            高頻
第1圖係表示具有一差分傳輸線通道的一習知印刷電路板，前述差分傳述線連接一接收器和一發信器。 第2A圖係表示應用於第1圖中之傳輸線的輸入信號的曲線圖。 第2B圖係表示由第2A圖中之輸入信號而來的不同輸出信號的曲線圖，取決於第1圖中之傳輸線的長度。 第2C圖係表示信號衰減的曲線圖，取決於第1圖中之傳輸線的長度。 第3圖係表示具有一差分信號對傳輸線的一電路板，前述差分信號對傳輸線具有被動等化器，以降低衰減。 第4圖係表示第3圖中之差分信號對傳輸線的電路圖以及根據本揭露之被動等化器。 第5圖係表示作為頻率函數的信號增益的對數線性圖。 第6A圖為通過差分信號對傳輸線傳送之信號的模擬結果。 第6B圖為通過具有被動等化器之差分信號對傳輸線傳送之信號的模擬結果。
100            電路板/印刷電路板 110            信號發信器元件/信號發信器/發信器 120            信號接收器元件/信號接收器/接收器 130            傳輸線 132、134  輸入區段 136、138  輸出區段 142、144  本體元件/本體區段 150            被動等化器元件/被動等化器 146            連通柱 410            電阻 412            電感

Claims (7)

  1. 一種高速電路，包括：一印刷電路板；一信號發信器，在該印刷電路板上；一信號接收器，在該印刷電路板上；一對差分傳輸線，連接該信號接收器和該信號發信器；以及一被動等化器，耦合至該對差分傳輸線，對於低頻信號，該被動等化器作為該對差分傳輸線的一分流電阻，其中該被動等化器安裝在安裝該信號接收器和該信號發信器之一表面上。
  2. 一種高速電路，包括：一印刷電路板；一信號發信器，在該印刷電路板上；一信號接收器，在該印刷電路板上；一對差分傳輸線，連接該信號接收器和該信號發信器；以及一被動等化器，耦合至該對差分傳輸線，對於低頻信號，該被動等化器作為該對差分傳輸線的一分流電阻，其中該被動等化器安裝在安裝該印刷電路板之一相反表面上，且該相反表面相反於安裝該信號接收器和該信號發信器之一表面。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之高速電路，其中該被動等化器包括一第一分流器、一第二分流器、一電感、以及一電阻，該第一分流器耦合至該對差分傳輸線之一者，該第二分流器耦合至該對差分傳 輸線之另一者，且該電感和該電阻串聯耦合至該第一分流器和該第二分流器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之高速電路，其中該電感在高頻信號選擇作為一短路，且在低頻信號選擇作為一濾波器。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之高速電路，其中該些差分傳輸線形成於該印刷電路板上。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之高速電路，其中該些差分傳輸線根據快捷外設互聯標準之標準帶出信號。
  7. 一種被動等化器，以減少一差分傳輸線對上之低頻信號的衰減，該被動等化器包括：一第一分流器，耦合至該對差分傳輸線之一者；一第二分流器，耦合至該對差分傳輸線之另一者；一電感，具有耦合至該第一分流器之一端；以及一電阻，具有耦合至該電感之一端和耦合至該第二分流器之一相反端；其中對於低頻信號，該電感和該電阻作為該對差分傳輸線之一分流電阻。
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