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眼圖解決USB在布線中的信號(hào)完整性問(wèn)題

  • 發(fā)布日期:2015-07-31      瀏覽次數(shù):3462
    • 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(lái)越多人使用,目前,市場(chǎng)上以USB2.0為接口的產(chǎn)品越來(lái)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(lèi)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(wèn)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(wèn)題。本文通過(guò)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(guò)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(kāi)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


      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(lái)驅(qū)動(dòng),其中一條用來(lái)傳輸本身的信號(hào),另一條用來(lái)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(lái)講,兩條任意的傳輸線都可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)差分對(duì)。


      傳輸線內(nèi)的信號(hào)在傳輸過(guò)程中,將即時(shí)信號(hào)外加電壓與內(nèi)通電流的比值稱(chēng)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(chēng)為傳輸線的特性阻抗,表達(dá)式為:



      信號(hào)完整性分析



      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:



      信號(hào)完整性分析


      此時(shí)的傳播速度則為:



      信號(hào)完整性分析


      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(wèn)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(lèi)似,因此被稱(chēng)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(lái)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)
      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
      圖2 眼圖模板

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