5类(Cat-5)非屏蔽双绞线(UTP)电缆最初用于承载局域网流量，由于其良好的性能和低成本，已成为许多其他信号传输应用的经济解决方案。例如，一个流行的应用是键盘-视频-鼠标(KVM)网络，其中四对双绞线中的三对携带红、绿、蓝(RGB)视频信号。

与任何传输介质一样，Cat-5对其携带的信号施加传输损耗，表现为信号色散和高频内容的损失。除非采取一些措施来弥补这些损失，否则它们会使电缆无法在合理距离内传输高分辨率视频信号。这里介绍了一种实用的技术，通过在电缆的接收端引入均衡器(EQ)来补偿Cat-5损耗，该均衡器具有11个可切换的电缆范围设置。由于EQ的每次设置都提供了适当的频率相关增益来弥补电缆的损失，EQ-cable组合变得适合高分辨率视频传输。

EQ设计的第一步是推导出Cat-5频率响应的模型。众所周知，金属电缆的频率响应遵循低通特性，其指数滚降取决于频率的平方根。图1描述了Cat-5长度从100英尺(30.48米)到1000英尺(304.8米)的关系，以100英尺为单位。在这个例子中，很明显，在给定频率下的功率损耗具有恒定的衰减率(以dB/ft表示)。

表1给出了图1所示相同电缆长度的Cat-5等效电压衰减幅度作为频率的函数。

表1 . 5类电缆电压衰减幅度比。例如，500英尺的电缆将10-MHz, 1-V的信号衰减到0.32 V，相当于约-9.90 dB(图1)。

使用表1中的数据，每个电缆长度的频率响应可以通过基于负实轴极零传递函数的数学模型来近似。任何一个可用的数学软件包具有最小二乘多项式曲线拟合的能力，可以用来执行近似。图1表明，对于高频长电缆，由于斜率变陡，需要超过20 dB/十年连续的负实轴极点才能获得接近的拟合，而在低频下，为了拟合接近线性的斜率，需要交替的极点和零点。作为一个极端的例子，100 MHz下1000英尺电缆的频率响应大约为1/f(4)，这只能通过具有多个连续极点的模型来实现。

均衡是通过将电缆上接收到的信号通过均衡器来实现的，均衡器的传递函数是电缆极零模型传递函数的倒数。为了消除电缆的频率依赖性，EQ具有与电缆模型的零点一致的极点，以及与电缆模型的极点一致的零点。

无源RC网络的特性之一是其驱动点阻抗的交变极和零点被限制在负实轴上。这一特性也适用于那些传递函数由反馈阻抗与增益阻抗的简单比值(Z(f)/Z(g))决定的运算放大器电路，其中这些阻抗是RC网络。(该性质不适用于其他情况，例如合成共轭极对的有源RC滤波器部分。)

对于实用的均衡器设计，我们更倾向于基于单个放大器级的均衡器，以保持其可调节性，并最大限度地降低成本和复杂性。这里要讨论的均衡器使用前一种类型的RC网络，由Budak描述，具有交替的极点和零点;但是这样的设计排除了使用单个放大器级来实现在所有频率下补偿电缆模型中连续极点所需的连续零。作为一种折衷方案，除了在高频率下为长电缆提供良好的均衡，所选择的设计使用单个放大器来实现两个零和两个极，在负实轴上交替。

因为均衡需要在频带的高端增加增益，所以需要一个低噪声放大器。为了避免由于放大器动力学引起的显著误差，需要一个大的增益-带宽积。对于这种应用的特定设计要求，放大器必须具有执行具有电压增益的频率相关差分到单端转换的能力。AD8129就是这样一个放大器，是EQ中基本频率相关增益级的核心。图2显示了AD8129的双差分输入架构，以及需要电压增益的应用的标准闭环配置。

可以看出，AD8129的电路和操作不同于传统的运放;基本上，它为设计人员提供了差分输入和反馈网络之间有益的电路分离。两个输入级是高阻抗，高共模抑制(CMR)，宽带，高增益跨导放大器，具有紧密匹配的g(m)。两个跨导放大器的输出电流被求和(在高阻抗下)，并且在求和节点的电压被缓冲以提供低阻抗输出。放大器A的输出电流等于放大器B的输出电流的负值，并且它们的跨导紧密匹配，因此在放大器B周围施加的负反馈将v(out)驱动到迫使放大器B的输入电压等于放大器A输入电压的负值的水平。由上可知，理想情况下的闭环电压增益可表示为:

（1）

EQ使用此增益方程设计，Z(f)和Z(g)使用RC网络。它的标准电路如图3所示，它代表了一个用来补偿给定电缆长度的均衡器。

在图3中，上部跨导放大器的高差分输入阻抗有助于为通过Cat-5电缆接收的信号提供良好的阻抗匹配;下放大器提供负反馈电路，实现频率相关增益。该电路的波德图具有高通特性，如图4所示。Z(n)和P(n)分别是均衡器的零点和极点。

在下面的分析中，图4中的极-零对充分分开，电容器可以近似为短路或开路。极频率和零频率以每秒r秒表示。在低频时，所有电容器都是开路，增益很简单

该增益用于补偿平坦(即直流)损耗，包括匹配和电缆低频平坦损耗引起的任何损耗。它还提供平衡短电缆时稳定AD8129所需的平坦增益(将在下面更深入地介绍)。

频率向上移动，由串联的R(EQ)和C(EQ)组成的最低频率的极零EQ部分开始生效，产生Z(1)和P(1)。将C(f)和C(S)近似为开路，可得:

（2)

（3）

频率响应的幅值渐近接近

当C(EQ)接近短路时。

随着频率的增加，C(S)开始生效，引入了另一个零Z(2)。C(f)的主要功能是通过补偿C(S)来保持放大器的稳定。通过将C(f)初始近似为开路(C(f) <<C(S))，假设Z(2)与P(1)的频率足够远，C(EQ)可以认为与R(EQ)相比阻抗可以忽略不计，则Z(2)的近似表达式为:

（4）

最后，P(2)可表示为:

（5）

在P(2)和P(3)之间，频率响应的幅度渐近于由C(f)和C(S)组成的电容分压器产生的闭环增益，

这是频率高达P(3)时的闭环增益，因此P(3)是由放大器的主极滚降引起的，可以近似为:

（6）

其中A(O)为放大器的直流开环增益，欧姆(p)为放大器的主导极。该结果直接来自标准运算放大器增益-带宽分析。P(3)由放大器的增益-带宽积施加，并设置均衡器的近似频率上限。利用上述结果，再加上电缆的极-零模型，只要放大器具有足够高的增益-带宽积，就可以为任何实际长度的电缆设计EQ，该电缆可以由两个交替的极-零对来建模。

为了使均衡器在广泛的电缆长度范围内有用，它必须是可调的。增加可调节性的一种简单方法是在AD8129的反馈引脚和地之间切换不同的RC网络。该方案如图5所示。

图5中的每个EQ部分都适用于一定范围的电缆长度。EQ0段覆盖0至50英尺，EQ10段覆盖950至1000英尺。其他部分以100英尺，200英尺等为中心，距离其中心±50英尺。这个分辨率对于大多数RGB应用程序来说已经足够了。

实际问题

AD8129在增益大于10 V/V时是稳定的，其标称相位裕度为56°，但如果考虑到布局和寄生电容，它可以成功地工作在增益为8时，其相位裕度约为45°。这个增益在高频时是必需的。对于较长的电缆长度，均衡器的高通特性提供了足够的高频增益。然而，对于0到300英尺之间的电缆长度，为了保持AD8129的稳定，需要额外的平坦增益。因为多余的增益是平坦的，它可以很容易地通过调节R(f)/R(g)比率插入，并通过在均衡器后切换相同数量的平坦衰减来去除。

AD8129的输入级具有有限的线性动态范围(±0.5 v工作范围)。为了获得最佳性能，在将700 mv RGB视频信号应用到AD8129输入之前，最好将其衰减四倍。有时视频信号在通过电缆传输之前已经衰减了两倍。(这不是匹配损耗——通常是通过使用增益为2的电缆驱动器来计算的。)在这种情况下，可以在AD8129的输入端插入一个额外的2倍衰减因子，以产生4的端到端平坦衰减因子。一个平坦增益为4的缓冲器，放置在均衡器之后，用于补偿这种衰减(AD8001是这个阶段的绝佳选择)。缓冲器还简化了EQ输出端的开关衰减器，它可以是一个简单的L-pad。

用于选择EQ部分的ADG704多路复用器中每个关断通道的寄生电容为9 pF，因此所有未选择的EQ部分的寄生电容之和相当大;它添加到所选EQ部分的C(S)值。对于从400到1000英尺的EQ部分，这种寄生电容通常可以吸收到CS中。对于较短的部分，上面描述的过量闭环增益用于补偿由寄生电容引起的峰值。作为一般规则，最好缩放EQ部分中使用的阻抗，以使电容值最大化，从而允许尽可能多的寄生电容吸收到C(S)中。但这也不能太过分，因为这会减少相关的阻力。缩放还受到连接EQ部分的走线中的寄生电感的限制。小的电阻提供很少的阻尼;如果电阻水平过小，由寄生走线电感和开关电容引起的中q槽电路会导致AD8129不稳定。

优化EQ PCB布局是至关重要的。在连接AD8129求和节点的走线下方，所有的电源和地平面铜线的主要部分必须从所有层中去除。可以根据需要在这些区域战略性地放置小地平面条，以提供低z返回电流路径，同时最小化求和节点的杂散电容。ad8129和adg704应采用µSOIC封装，AD8001应采用SOT-5封装。EQ部分中的走线电感必须保持在绝对最小值，以避免AD8129中的不稳定，因此电阻和电容器应使用0402封装，EQ部分应以最小化走线长度的方式布置。

在确定了基于电缆模型的RC值并考虑了寄生效应之后，RGB视频应用需要在时域中进行最后的调谐过程。这是因为RGB视频电路最重要的性能指标之一是阶跃响应;必须调整电缆和EQ组合的阶跃响应，使其上升时间快，超调和振铃最小，沉降时间短。C(S)对超调和振铃影响最大，R(EQ)和C(EQ)串联对长期稳定时间影响最大。由R(EQ)和C(EQ)串联连接产生的极和零的位置可以在不改变频率响应的情况下有所改变，因为它们被放置在电缆的频率响应具有相当渐进的滚降的地方。这意味着均衡的频率响应可能看起来相当好，而从阶跃响应的角度来看，极点和零点的位置可能不是最优的。因此，最好在时域中微调C(S)、R(EQ)和C(EQ)的值，通过调整它们的值来产生具有最短稳定时间的阶跃响应。

由于均衡器必须与没有接地参考的长差分电缆连接，因此接收到的信号可能包含相对于接收器电源电压的较大共模电压波动。因此，最好使用至少±5v的双电源。这也允许输出信号摆动到0 V，这通常是视频信号所需要的。

结论

这里介绍的均衡器可以稳定地补偿Cat-5电缆的长度，从0到1000英尺的频率到超过100 MHz的短电缆长度和1000英尺的25 MHz，使其适用于KVM网络和其他高分辨率视频传输应用。

参考电路

《被动与主动网络分析与综合》，阿兰姆·布达克著，霍顿·米夫林出版社，1974年出版。