接口电路IC产品 I

前言

在当今世界，将信息从一个地方传输到另一个地方的需求越来越大。无论是长距离链路（如有线或数字电视网络），还是短距离连接（如背板路由或芯片到芯片互连），都需要快速而强大的系统来正确驱动所有传输的数据。高速CMOS串行链路收发器具有低成本、高带宽等特点，被广泛用于背板和光通信网络。在大多数系统中，通信信道已成为整体带宽的主要瓶颈，从而成为整体性能的主要瓶颈。因此，缩小片上带宽和片外带宽之间的差距具有很大的研究兴趣。均衡是一种众所周知的技术，用于克服带宽限制信道引入的非理想性。

图1， 两个芯片之间的并行数据总线

串行器/解串器

几十年来，芯片设计的一个方面（也许是唯一的一个方面）没有改变，那就是摩尔定律，它决定了可以在芯片上制造的电路数量的大幅增加。芯片封装技术的引脚密度并没有以与硅密度相同的速度增长，这导致高速Serdes （HSS,High Speed Serdes） 器件作为几乎所有芯片设计的固有部分而普遍存在。

HSS 器件是许多（如果不是大多数）高集成度芯片的主要输入/输出形式，以高达 10 Gbps 甚至更高的速度在芯片之间传输串行数据。具有数字逻辑设计背景的芯片设计人员倾向于将HSS器件视为简单的复杂数字输入/输出单元。此视图忽略了与每秒串行移动数十亿位数据相关的复杂性。在这样的数据速率下，与数字信号相关的假设被打破，需要考虑模拟因素。芯片设计人员如果将问题过于简单化，那么通常会造成严重的后果。

串行器/解串器（SerDes）的特点是数据和时钟在同一通道中传输，数据中包含的时钟信息在接收端通过时钟数据恢复（CDR）技术提取，并由时钟采样和接收。基本的SerDes功能由两个功能块组成：并行输入串行输出（PISO）模块（又名并行到串行转换器，PSC）和串行输入并行输出（SIPO）模块（又名串行到并行转换器，SPC）。目前，大多数高速信号传输都使用SerDes结构。

图 2，数据串行化以减少引脚数

SerDes 的发射器 （TX） 包括并行-串行转换器、编码器、变送器均衡和驱动器。SerDes 的接收器 （RX） 包括接收器衰减器、接收器均衡、时钟数据恢复、解码器和串并行转换。目前，SerDes主要包括（1）并行时钟SerDes，（2）嵌入式时钟SerDes，（3）8b/10b SerDes和（4）bits位交织SerDes。

1.在并行时钟SerDes方案中，时钟和数据是分开的，数据和控制/地址位信号分别传输，其中数据和时钟信号分别通过特定的线路传输，这通常用于低速传输。优点是不需要时钟数据恢复电路，电路简单，抖动要求低;缺点是需要额外的时钟线，并且时钟线会引起电磁干扰（EMI）和串扰，因此不能在高速链路上使用。目前，这种类型的SerDes用于DDR和其他类似设计。

2.嵌入式时钟SerDes的架构是标准的SerDes架构，其中时钟嵌入数据信号中，并通过CDR在接收端恢复。 优点是消除了单独时钟线引起的电磁干扰和串扰的影响，减少了时钟线对PCB布局的影响;缺点是远程时钟恢复需要很小的抖动。PCIe、USB 3.0、USB 3.1 和 SATA 都使用此 SerDes 解决方案。

3.8b/10b SerDes方案在串行数据中增加了额外的代码，以平衡直流分量并降低CDR压力。编码不一定是8bit/10bit，但也有更高效的编码，比如PCIe3.0中使用的128bit/132bit编码。优点是插入的位可以防止长“1”或“0”模式，因此，让CDR接收0/1跳频就足够了，以确保其正常操作;缺点是插入的位将是冗余的。8 位/10 位编码可实现高达 20% 的冗余。

4.位交错SerDes方案将多个低速串行数据合并为一个高速串行数据。优点是可以提高速率，减少数据传输通道的数量，有利于PCB布局，减少串扰;它需要额外的时钟、选择器和 CDR 电路。十兆bits位连接单元接口（XAUI）通过此架构实现。

图3，高速时钟与数据一起转发

由于数据传输速度的不断提高，SerDes架构也在不断发展。当早期信号传输速度仅为kbit/s到Mbit/s时，并行接口就足够了。然而，随着IC制造工艺的进步和传输速率的提高，高速信号（尤其是时钟信号）对其他传输线路引起的串扰越来越严重，影响传输质量。同时，应用产品的小型化需要减少PCB上的线路。因此，使用串行线且不需要单独时钟线的SerDes是最佳选择。SerDes架构广泛应用于民用高速接口协议。目前，各大公司都在使用SerDes架构实现高速接口产品，如2011年推出的Synopsys的USB/PCIe/SATA IP、华为10Gbit/s企业级SerDes、Xilinx 26Gbit/s SerDes等。英特尔在 2019 年展示了以 10 纳米 FPGA 工艺生产的 112Gbps SerDes。

串行通信和通用串行总线接口

1960年，电子工业联盟（EIA）发布了第一个串行通信标准，即RS-232（推荐标准）。RS-232 标准最初用于电话/电报信号传输，然后用于 PC 和外围设备（如打印机）之间的接口连接。RS-232 倾向于为单驱动器和单接收器提供传输距离小于 15 m、速率为 20 kbit/s 的标准。EIA于1994年发布了RS-422，其中规定数据传输速率可达10 Mbit/s，传输距离可达1200 m。1998年，RS-485标准发布，其中32个总线接收机可用，通过增加三状态输出功能实现总线多点输出。标准接口具有 9 和 25 引脚。三种标准的规格如表1所示，接口模式如图1所示。现在，这些接口逐渐被通用串行总线（USB）和以太网接口所取代。RS 系列协议通常用于异步串行通信计算机串口通信中的通用异步收发器 （UART）。

1994年，Intel，Microsoft，IBM和Compaq提出了USB协议，该协议与高速串行器/解串器（SerDes）技术高度相关。USB 接口支持串行化和反串行化;其中，将多通道并行低速数据信号在传输端转换为串行信号，并通过同轴线高速传输，然后将信号解串化为多通道并行低速数据信号。这就是所谓的P2P串行通信技术，它以更少的传输通道和器件引线的方式实现高速传输，节省通信传输成本。

表1， RS-232、RS-422、RS-485串行通信标准参数

图 4， RS-232、RS-422 和 RS-485 的接口模式

USB接口内部仅由两根电缆和两条信号线组成，用于在串行模式下传输信号。根据USB传输协议，数据由USB收发芯片打包，转换为串行数据流，并通过两条信号线（D+、D-）高速发送。接收端的 USB 用于接收和解串行数据，从而结束整个数据传输。USB接口系统由集线器、上位机和功能外设组成。集线器和功能外设称为外部设备。USB标准更新频率高，调节数据传输速率大大提高，如表2所示。

USB 连接器的物理尺寸一直在减小。2007年，USB-IF发布了micro-USB（micro-A，micro-B）标准，其宽度与miniUSB（mini-A，mini-B）标准相似，但厚度仅为mini-USB的一半。2014 年，USB-IF 发布的 USB Type-C 协议给出了更小、更薄的连接器的定义，它取代了 A 型和 B 型连接器。电缆可以插正极和负极。该插头适用于上位机和外围设备，可实现简单的连接。2012年9月，苹果公司推出了一种新型照明接口，专门用于特定用途计算机的数据总线和电源线连接。它可以替代 Apple 移动便携式设备的 Apple 30 针底座连接器。USB接口如图2所示。USB接口满足设备间级联连接要求，连接简单，传输速度快，插拔，无需额外供电。它在键盘、鼠标、闪存和相机中得到了广泛的应用，这使其成为所有计算机和许多其他电子设备的标准接口。

表2， 不同USB标准的参数对比

图 5， USB 接口的外形接口（不成比例）

以太网接口IC

以太网是一种计算机网络技术（CNT），可在局域网（LAN）和城域网（MAN）上进行通信。用于实现这些网络设备之间连接的接口称为以太网接口;市场上的所有网络接口都称为以太网接口。其中一些是常见和流行的，包括 RJ-45 接口、RJ-11 接口、SC 光纤接口、光纤分布式数据接口 （FDDI）、自适应用户界面 （AUI）、Bayonet Neill-Concelman （BNC） 接口和控制台接口。

1980 年，3Com、DEC、英特尔、施乐和其他公司共同发布了 DIX（数字英特尔施乐）标准协议，提供 10 Mbit/s 的数据速度以太网，具有 48 位目标和源地址以及全局 16 位以太类型字段 。通过使用带碰撞检测的载波检测多址接入 （CSMA/CD），原始以太网数据传输达到 10 Mbit/s。IEEE 802.3 协议成立于 1983 年，正式标准化了以太网协议。随着网络应用需求的增长，以太网在网络数据传输中实现了更高的数据传输速率和更长的传输距离。因此，以太网协议得到了改进，以满足市场要求。

1993 年 10 月，Grand Junction 提供了第一款快速网络接口卡 （FastNIC 100） 和集线器 （10/100 Mbps 快速以太网交换机），并成功商用。3Com、Intel、Bay Networks、SynOptic先后推出了各种快速以太网设备。1995年3月，IEEE以100Base-T的形式发布了IEEE802.3u快速以太网标准。千兆以太网技术在应用中越来越受欢迎，太比特以太网开始寻找应用。太比特以太网支持 IEEE802.3ae 标准的 10 Gbit/s 传输速率。IEEE802.3ae 标准基于 IEEE802.3 标准。

以太网物理结构由介质访问控制 （MAC） 和物理接口收发器 （PHY） 组成。MAC芯片用于控制物理层的物理介质，并提供寻址和控制信道接入的系统，使多个终端或网络节点能够与共享介质的多个接入网络进行通信。PHY收发器芯片支持以太网物理接口的发送/接收功能。该芯片的工作原理是将并行数据转换为串行数据进行传输，根据物理层的编码规则将数据编码转换为模拟信号，并传输模拟信号。对于接收数据，它以相反的过程工作。此外，PHY收发器还具有载波检测和冲突检测功能。

主要以太网接口产品包括10/100兆位以太网和千兆以太网PHY收发器，如思科WS-C2960系列和WS-C3850系列以及华为S57xx系列千兆以太网，广泛应用于网络打印机、宽带网关、智能电视、机顶盒、智能电网和楼宇自动化系统。对于Web虚拟现实技术、分布式人工智能、4K高清电视（HDTV、UHD）、网络虚拟游戏和网络带宽需求的快速增长，这加强了太比特以太网技术以取代千兆以太网。

标清电视和高清电视接口

标清电视 （SDTV） 技术通常支持“标清”视频格式，例如 VCD、DVD 和电视节目;SDTV 通常是 480i 信号，其中 480 表示垂直分辨率，字母 i 表示隔行扫描。SDTV 技术通常用于多媒体设备，如电视机、电视机顶盒、相机和视频会议。SDTV的视频信号传输接口，如CVBS、S-Video和VGA，大多使用模拟信号。SDTV的像素显示纵横比（DAR）有4：3和16：9两种类型。

CVBS接口代表复合视频广播信号（CVBS）或复合视频消隐和同步（CVBS）。CVBS接口，也称为基带视频或RCA（美国无线电公司）视频，是美国国家电视系统委员会（NTSC）自1954年以来开发的一种传统的电视信号图像数据传输方法，它使用模拟波形来传输数据。

S-video接口（独立视频接口）规范是在日本制定的，该规范将亮度信号和色度信号分开，以避免混合视频信号传输时亮度和色度的干扰。S-video是一个五核接口，由两个视频亮度信号、两个视频色度信号和一根公共屏蔽地线组成。S 端子通常提供 4 针、7 针、8 针和 9 针型号。

视频图形阵列 （VGA） 接口属于模拟接口。标准VGA（640 480,60 Hz）接口传输3个RGB模拟信号，水平同步（HS）和垂直同步（VS）。首先，VGA在计算机中将数字信号转换为模拟信号，并将信号发送到LCD显示器，然后，显示器将模拟信号转换为数字信号，再转换为图像。一般当模拟信号超过1280 1024分辨率时，会出现明显的误差。分辨率越高，错误越严重。因此，VGA正逐渐被高清多媒体接口（HDMI）所取代。

高清电视（HDTV）主要支持以下三种格式：（1）逐行扫描1080p，1920 1080p，每帧约2.07MP（百万像素）;（2）隔行扫描（interpassive scan）1080i、1920、1080i，每场约1.04MP或每帧约2.07MP;（3）逐行扫描720p，1280 720p，每帧约0.92MP。HDTV 的纵横比包括 4：3 和 16：9。HDTV格式已广泛应用于地面广播电视、有线电视、卫星电视、DVD等系统中。

MPEG-1（运动图像专家组第一阶段）于1993年开发，为数字视频广播（DVB）带来了三种标准：（1）DVB-S（用于卫星电视），（2）DVB-C（用于有线电视）和（3）DVB-T（用于地面广播电视）。DVB 支持 MPEG-2 和 H.264，也称为 MPEG-4 AVC（高级视频编码）标准。AVS（高级视频编码标准）和AVS+是我国提出的音视频标准，其编码性能基本相当于H.264（或H.264/AVC）。H.265（或H.265/HEVC）是基于H.264的新一代高效视频编码（HEVC）标准，而AVS的新一代标准AVS2则具有H.265/HEVC的竞争性能。

从SDTV和VGA到HDTV和DVB，以及HEVC和AVS2的相关标准，这些标准包含的内容非常丰富，应用场景也非常广泛，因此需要和开发多种类型的接口IC芯片。这些要求给HDTV产品的IC设计带来了许多挑战。

英唐智控：五台光刻机正常运作，主要用于研发生产模拟IC和数字IC产品

金融界6月12日消息，有投资者在互动平台向英唐智控提问：公司五台光刻机是否正常运作，可以生产哪些系列芯片。

公司回答表示：该设备目前正常运作，主要用于公司全资子公司日本英唐微关于光电转换和图像处理的模拟IC和数字IC产品的研发生产，最小可支持0.35μm工艺。

本文源自金融界AI电报

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