眼圖解決USB在布線中的信號(hào)完整性問題

通用串行總線（USB）   眼圖   信號(hào)完整性  


通用串行總線USB (Universal Serial Bus)協(xié)議從1.0版本發(fā)展到現(xiàn)在，由于數(shù)據(jù)傳輸速度快，接口方便，支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)使USB設(shè)備被越來越多人使用，目前，市場(chǎng)上以USB2.0為接口的產(chǎn)品越來越多，而繪制符合要求的PCB板在USB設(shè)備應(yīng)用中起重要作用。但在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，由于USB的傳輸速率較高，而系統(tǒng)中電路板上元器件的分布、高速傳輸布局布線等各類參數(shù)，引起高速信號(hào)的完整性缺陷的，所以由PCB設(shè)計(jì)所引起的信號(hào)完整性問題是高速數(shù)字PCB（印制電路板）生產(chǎn)設(shè)計(jì)者必須關(guān)心的問題。本文通過Mentor信號(hào)完整性工具“Hyperlynx" 進(jìn)行仿真分析，總結(jié)了一套高速電路設(shè)計(jì)提供布局布線的分析方法，串行總線以及其它高速電路的布線設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。




1 通用串行總線




通用串行總線（USB）技術(shù)是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)微機(jī)外部總線的不足而設(shè)計(jì)的，隨著應(yīng)用的擴(kuò)展，USB的傳輸速率不斷提高，USB2.0傳輸速度為高速480Mb/s。




對(duì)于USB信號(hào)的傳輸，信號(hào)完整性是核心指標(biāo)。USB總線應(yīng)用差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，在傳輸過程采用NRZI編碼。在上位機(jī)與USB設(shè)備的交互中，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸雙工或半雙工的狀態(tài)不同，工作于差分態(tài)、靜止態(tài)和單終端三種狀態(tài)，其相應(yīng)的電壓或電壓差也有所不同，傳輸協(xié)議以此判斷設(shè)備速率和信號(hào)數(shù)據(jù)。




在高速系統(tǒng)中，差分線上高速信號(hào)的壓制檢測(cè)閾值、斷開檢測(cè)閾值和共模電壓也都有一定的范圍要求，如表1所示。其中，共模電壓典型值為200mV，另外，其差分輸入信號(hào)電平必須滿足高速接收眼圖的要求。




表1 高速信號(hào)的輸入電平









2 信號(hào)完整性分析




2.1 傳輸線基礎(chǔ)




USB總線采用差分方式傳輸信號(hào)，兩條傳輸線分別由不同的驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，其中一條用來傳輸本身的信號(hào)，另一條用來傳輸相應(yīng)的互補(bǔ)信號(hào)，接收端信號(hào)為兩者的電位差，用以識(shí)別傳輸線上包含的信息，從理論上來講，兩條任意的傳輸線都可以用來實(shí)現(xiàn)差分對(duì)。




傳輸線內(nèi)的信號(hào)在傳輸過程中，將即時(shí)信號(hào)外加電壓與內(nèi)通電流的比值稱為信號(hào)的瞬態(tài)阻抗。當(dāng)傳輸線沿途的瞬態(tài)阻抗為恒定值時(shí)，這個(gè)值就被稱為傳輸線的特性阻抗，表達(dá)式為：















高頻頻率范圍內(nèi)，R和G對(duì)特性阻抗的影響很小，這種情況下，傳輸線的特性阻抗為一個(gè)實(shí)數(shù)，公式被簡(jiǎn)化為：












此時(shí)的傳播速度則為：












特性阻抗是阻抗匹配的一個(gè)重要參數(shù)。阻抗匹配關(guān)系到信號(hào)完整性問題，如反射、振鈴等參量的控制。差分對(duì)匹配一般采用兩種方式：π型和T型。




2.2 高速USB信號(hào)的眼圖




眼圖就是由多個(gè)周期的數(shù)字信號(hào)波形疊加而形成的圖形，形狀與眼睛類似，因此被稱為眼圖。數(shù)字信號(hào)的眼圖能清楚反映互連設(shè)計(jì)是否導(dǎo)致不能容忍的誤碼率。在高速串行應(yīng)用中，通行的做法是采用眼圖驗(yàn)證串行鏈路是否滿足系統(tǒng)的性能要求的。




對(duì)于高速USB信號(hào)的發(fā)送和接收，USB使用眼圖來描述其各個(gè)位在傳輸時(shí)所需的電壓幅值和時(shí)間安排。圖1展示了高速USB系統(tǒng)的幾個(gè)眼圖測(cè)試點(diǎn)。其中，TP1和TP4對(duì)應(yīng)USB接口芯片的相應(yīng)管腳（D+和D-），它們分別被焊接在集線器和USB設(shè)備的電路板上；TP2對(duì)應(yīng)A型連接器的D+和D-管腳；TP3對(duì)應(yīng)B型連接器的D+和D-管腳（對(duì)于束縛電纜，其也可能是直接連接在電路板上）。








圖1 眼圖測(cè)試點(diǎn)




USB定義了6種眼圖模板，其中定義在集線器TP2點(diǎn)或在USB設(shè)備（使用非束縛電纜）TP3點(diǎn)處的眼圖模板，表示接收高速USB信號(hào)時(shí)所需的電壓分辨力，如圖2所示。








圖2 眼圖模板