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(多图)利用眼图解决USB在布线中的信号完整性问题

张景璐?? 胡亦?? 于京?? 北京电子科技职业学院?? 2015年03月09日 ?? 收藏1
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

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:

信号完整性分析

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:

信号完整性分析

此时的传播速度则为:

信号完整性分析

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
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
图2 眼图模板

下一页:信号完整性(SI)仿真


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眼图? 信号完整性?

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