(多图)利用眼图解决USB在布线中的信号完整性问题

通用串行总线USB (Universal Serial Bus)协议从1.0版本发展到现在，由于数据传输速度快，接口方便，支持热插拔等优点使USB设备被越来越多人使用，目前，市场上以USB2.0为接口的产品越来越多，而绘制符合要求的PCB板在USB设备应用中起重要作用。但在实际生产设计中，由于USB的传输速率较高，而系统中电路板上元器件的分布、高速传输布局布线等各类参数，引起高速信号的完整性缺陷的，所以由PCB设计所引起的信号完整性问题是高速数字PCB（印制电路板）生产设计者必须关心的问题。本文通过Mentor信号完整性工具“Hyperlynx” 进行仿真分析，总结了一套高速电路设计提供布局布线的分析方法，串行总线以及其它高速电路的布线设计提供了理论依据。

1 通用串行总线

通用串行总线（USB）技术是为了弥补传统微机外部总线的不足而设计的，随着应用的扩展，USB的传输速率不断提高，USB2.0传输速度为高速480Mb/s。

对于USB信号的传输，信号完整性是核心指标。USB总线应用差分信号传输数据，在传输过程采用NRZI编码。在上位机与USB设备的交互中，根据数据传输双工或半双工的状态不同，工作于差分态、静止态和单终端三种状态，其相应的电压或电压差也有所不同，传输协议以此判断设备速率和信号数据。

在高速系统中，差分线上高速信号的压制检测阈值、断开检测阈值和共模电压也都有一定的范围要求，如表1所示。其中，共模电压典型值为200mV，另外，其差分输入信号电平必须满足高速接收眼图的要求。

表1 高速信号的输入电平

2 信号完整性分析

2.1 传输线基础

USB总线采用差分方式传输信号，两条传输线分别由不同的驱动器来驱动，其中一条用来传输本身的信号，另一条用来传输相应的互补信号，接收端信号为两者的电位差，用以识别传输线上包含的信息，从理论上来讲，两条任意的传输线都可以用来实现差分对。

传输线内的信号在传输过程中，将即时信号外加电压与内通电流的比值称为信号的瞬态阻抗。当传输线沿途的瞬态阻抗为恒定值时，这个值就被称为传输线的特性阻抗，表达式为：

高频频率范围内，R和G对特性阻抗的影响很小，这种情况下，传输线的特性阻抗为一个实数，公式被简化为：

此时的传播速度则为：

特性阻抗是阻抗匹配的一个重要参数。阻抗匹配关系到信号完整性问题，如反射、振铃等参量的控制。差分对匹配一般采用两种方式：π型和T型。

2.2 高速USB信号的眼图

眼图就是由多个周期的数字信号波形叠加而形成的图形，形状与眼睛类似，因此被称为眼图。数字信号的眼图能清楚反映互连设计是否导致不能容忍的误码率。在高速串行应用中，通行的做法是采用眼图验证串行链路是否满足系统的性能要求的。

对于高速USB信号的发送和接收，USB使用眼图来描述其各个位在传输时所需的电压幅值和时间安排。图1展示了高速USB系统的几个眼图测试点。其中，TP1和TP4对应USB接口芯片的相应管脚（D+和D-），它们分别被焊接在集线器和USB设备的电路板上；TP2对应A型连接器的D+和D-管脚；TP3对应B型连接器的D+和D-管脚（对于束缚电缆，其也可能是直接连接在电路板上）。

图1 眼图测试点

USB定义了6种眼图模板，其中定义在集线器TP2点或在USB设备（使用非束缚电缆）TP3点处的眼图模板，表示接收高速USB信号时所需的电压分辨力，如图2所示。

图2 眼图模板

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眼图? 信号完整性?