使用MAX4951 SATA双向转接器驱动eSATA电缆

SATA和以前的数据传输协议

在笔记本电脑和台式计算机中，串行ATA (SATA)硬盘驱动器几乎完全替代了并行ATA (PATA)硬盘驱动器，甚至还用在了某些服务器中。SATA电缆/插座只有7条数据线(图1)，而PATA含有40条数据线。SATA电缆非常灵活，不需要进行跳接器设置。内部SATA电缆长达1m，而PATA电缆只有18in长。

图1. PCB上的SATA连接器

图1. PCB上的SATA连接器

SATA I串行数据流的数据传输速率为150MB/s，并行传输最大速率为133MB/s；SATA II传输速率可以达到300MB/s。SATA最初只是简单地用于替代笨拙的带状连接器，只需要驱动1m长的电缆。开发了名为增强SATA (eSATA)的新标准来驱动笔记本电脑/台式计算机外部硬盘信号，驱动长度达到2m。SATA/eSATA信号类似标准LVDS，在一对100Ω平衡传输线上进行交流耦合。信号电平通常为±500mV_P-P。1.5Gbps SATA的应用非常成功，SATA/eSATA很快发展到3.0Gbps，并且还进行了其他改进。

eSATA

eSATA是SATA的扩展。eSATA用于带有外部硬盘驱动器的笔记本电脑/台式计算机，支持2m长的电缆传输。使用eSATA，计算机很容易访问1千兆字节(1TB)甚至更多的外部数据，速度和内部驱动器一样快。由于电缆长度可能长于SATA电缆，因此，eSATA电缆要比SATA需要更强的信号驱动能力。eSATA连接器与SATA连接器略有不同，彼此不能互换。图2所示为SATA和eSATA的电缆端头。两个电缆端头看起来相似，但是SATA电缆端头有一个槽口。

图2. SATA和eSATA电缆连接器

图2. SATA和eSATA电缆连接器

采用eSATA后，eSATA有两条数据链路，比USB 2.0快出很多倍，系统总性能实际上与内部驱动器相同。

设计人员面临一个两难问题：一方面他们需要客户提供必须的eSATA端口，另一方面，他们首先要确定SATA控制器在母板上的位置，使其能够与设计整体达到最佳匹配。由于电路板限制，而且需要把eSATA连接器放在最容易连接的地方，设计人员不得不跨过电路板进行布线。考虑到连接器的损耗，信号可能达不到eSATA信号电平要求。

MAX4951满足了eSATA的要求

MAX4951 SATA双向转接器的推出有助于解决电路板/电缆损耗问题，完全满足eSATA的驱动要求。MAX4951最合适的位置是靠近eSATA连接器放置。该器件非常小(只有4mm x 4mm)，只需3.3V供电，其面向北桥的输入可承受6dB损耗，而且还很容易提供足够的输出以驱动eSATA电缆。

MAX4951含有两个限幅差分放大器，输入和输出都有内部50Ω终端匹配。每个放大器的输出级都可以由2个比特单独进行控制，通常在电路板设计阶段来设置这两个比特。如果电路板驱动eSATA，那么，比特1 (B1)应设置为高电平；如果MAX4951小于6in (< 0.15m)，那么，比特0 (B0)应浮空，如果距离≥ 6in，则应设置为高电平。出于设计目的，设计人员可能希望在3.3V至B0之间放置一个1kΩ电阻，如果不需要，则不用安装。

OOB管理

带外(OOB)信号直接在MAX4951中进行处理。OOB信号是特殊的低数据速率命令，主机和驱动器需要利用这一信号进行通信或“握手”。在1.5Gpbs数据速率时，OOB信号由一系列突发构成。可以认为这些突发是其输出通过一个开关的波形(图3)。开关允许多个周期的1.5Gbps信号通过，主机/驱动器对这些突发周期进行解码，完成通信。MAX4951专门针对管理OOB信号提供压制电路。图3所示为突发信号波形—有很多突发周期，每一周期后面是“无信号”时间。

图3. OOB信号

图3. OOB信号

转接器要在SATA/eSATA环境中正常工作，器件必须能够抑制或者“压制”低于100mV的所有信号。没有压制功能时，转接器会放大系统中的所有噪声，从而损失OOB信号。使用MAX4951后，设计人员不需要针对OOB信号管理来进行任何特殊的工作—该信号直接通过MAX4951，所有噪声都被压制，防止噪声干扰OOB信号。

接收灵敏度管理

设计人员应按照在电路板上产生100Ω平衡走线的规则来布板—布板软件对此提供支持。主机和驱动器侧都应该对MAX4951进行电容耦合。输入信号电平应≥ 200mV_P-P。输出电平可以设置为600mV_P-P或者900mV_P-P。

图4所示为MAX4951工作在3.0Gbps以及输入只有200mV_P-P时的眼图。通过用户引脚来选择输出。MAX4951提供双向信号支持，在每一方向上，通过连接引脚来选择其输出电平。

图4. MAX4951工作在3.0Gbps以及输入只有200mVP-P时的眼图

图4. MAX4951工作在3.0Gbps以及输入只有200mV_P-P时的眼图

输出电平是900mV_P-P，而输入只有200mV_P-P。在SATA 600mV_P-P限制下，眼图几乎相同。输入即使只有200mV_P-P，输出看起来也非常干净。

设计实例

图5中的原理图是笔记本电脑或者台式计算机应用中eSATA 转接器的完整电路。该设计将SATA提升到eSATA电平。采用MAX4951之后，其引脚布局不需要跨过任何导线。这一设计可以用作MAX4951评估套件(EV kit)的基础。

图5. 笔记本电脑/台式计算机设计采用了MAX4951将SATA信号提升到eSATA电平

图5. 笔记本电脑/台式计算机设计采用了MAX4951将SATA信号提升到eSATA电平

结论

很多新的笔记本电脑/台式计算机设计必须提供eSATA驱动支持。由于大部分设计人员无法控制北桥，他们必须采用某类主动转接器来解决信号损耗问题。MAX4951 转接器可接受经过6dB以上衰减的最小SATA输出电平，产生的输出信号满足eSATA要求。对转接器进行布板，使输入和输出直接通过，不会有交叉，不需要专门处理过孔或者其他布板问题。唯一增加的元件是几个旁路电容和耦合电容。MAX4951匹配了主机传输线，eSATA非常干净的输出能够通过2m电缆驱动外部eSATA硬盘驱动器。

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