眼圖解決USB在布線中的信號完整性問題

通用串行總線（USB）   眼圖   信號完整性  


通用串行總線USB (Universal Serial Bus)協議從1.0版本發展到現在，由于數據傳輸速度快，接口方便，支持熱插拔等優點使USB設備被越來越多人使用，目前，市場上以USB2.0為接口的產品越來越多，而繪制符合要求的PCB板在USB設備應用中起重要作用。但在實際生產設計中，由于USB的傳輸速率較高，而系統中電路板上元器件的分布、高速傳輸布局布線等各類參數，引起高速信號的完整性缺陷的，所以由PCB設計所引起的信號完整性問題是高速數字PCB（印制電路板）生產設計者必須關心的問題。本文通過Mentor信號完整性工具“Hyperlynx" 進行仿真分析，總結了一套高速電路設計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計提供了理論依據。




1 通用串行總線




通用串行總線（USB）技術是為了彌補傳統微機外部總線的不足而設計的，隨著應用的擴展，USB的傳輸速率不斷提高，USB2.0傳輸速度為高速480Mb/s。




對于USB信號的傳輸，信號完整性是核心指標。USB總線應用差分信號傳輸數據，在傳輸過程采用NRZI編碼。在上位機與USB設備的交互中，根據數據傳輸雙工或半雙工的狀態不同，工作于差分態、靜止態和單終端三種狀態，其相應的電壓或電壓差也有所不同，傳輸協議以此判斷設備速率和信號數據。




在高速系統中，差分線上高速信號的壓制檢測閾值、斷開檢測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，其差分輸入信號電平必須滿足高速接收眼圖的要求。




表1 高速信號的輸入電平









2 信號完整性分析




2.1 傳輸線基礎




USB總線采用差分方式傳輸信號，兩條傳輸線分別由不同的驅動器來驅動，其中一條用來傳輸本身的信號，另一條用來傳輸相應的互補信號，接收端信號為兩者的電位差，用以識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現差分對。




傳輸線內的信號在傳輸過程中，將即時信號外加電壓與內通電流的比值稱為信號的瞬態阻抗。當傳輸線沿途的瞬態阻抗為恒定值時，這個值就被稱為傳輸線的特性阻抗，表達式為：















高頻頻率范圍內，R和G對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實數，公式被簡化為：












此時的傳播速度則為：












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




2.2 高速USB信號的眼圖




眼圖就是由多個周期的數字信號波形疊加而形成的圖形，形狀與眼睛類似，因此被稱為眼圖。數字信號的眼圖能清楚反映互連設計是否導致不能容忍的誤碼率。在高速串行應用中，通行的做法是采用眼圖驗證串行鏈路是否滿足系統的性能要求的。




對于高速USB信號的發送和接收，USB使用眼圖來描述其各個位在傳輸時所需的電壓幅值和時間安排。圖1展示了高速USB系統的幾個眼圖測試點。其中，TP1和TP4對應USB接口芯片的相應管腳（D+和D-），它們分別被焊接在集線器和USB設備的電路板上；TP2對應A型連接器的D+和D-管腳；TP3對應B型連接器的D+和D-管腳（對于束縛電纜，其也可能是直接連接在電路板上）。








圖1 眼圖測試點




USB定義了6種眼圖模板，其中定義在集線器TP2點或在USB設備（使用非束縛電纜）TP3點處的眼圖模板，表示接收高速USB信號時所需的電壓分辨力，如圖2所示。








圖2 眼圖模板