利用眼圖解決USB在布線中的信號(hào)完整性問題

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。

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)。

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。

3 信號(hào)完整性(SI)仿真

利用LineSim搭建USB2.0仿真原理圖，如圖3所示，其中包括主機(jī)控制器和外圍設(shè)備控制器，設(shè)置了從主機(jī)到外圍設(shè)備使用最大允許傳播延遲，模擬一個(gè)28AWG帶狀電纜和5米的USB電纜，以及外圍設(shè)備的布線。

仿真得出差分信號(hào)的波形以及USB2.0接收端的眼圖，如圖4、圖5所示。其圖中弱的信號(hào)質(zhì)量是由于帶狀線的阻抗不連續(xù)產(chǎn)生，因此，將模型結(jié)構(gòu)中帶狀線的差分阻抗變化范圍為115 ohms~92ohms。調(diào)整之后差分信號(hào)波形如圖6所示，眼圖如圖7所示。

由上圖可以看出，經(jīng)過調(diào)整帶狀線的特征阻抗，差分信號(hào)波形有了明顯的改變，信號(hào)完整性問題得到了改善，眼圖寬度和高度均有增大，平均上升時(shí)間、平均下降時(shí)間均減小，平均下降速率和上升速率即斜率均增大，但是就其仿真來看，所得到的結(jié)果仍和理想的結(jié)果有一段距離，繼續(xù)改善模型結(jié)構(gòu)圖中其他相應(yīng)模塊的參數(shù)，最終仿真得出了滿足USB2.0規(guī)范的眼圖和差分信號(hào)，如圖8和9所示。

仿真數(shù)據(jù)結(jié)果為：

Peak-to-Peak Voltage:1.58V

Positive Overshoot: 229.4 mV;NegativeOvershoot: 198.2 mV

Avg fall time: 969.697ps;Avg rise time:960.398ps

Avg fall slew rate: 0.716 V/ns;Avg rise slewrate: 0.723 V/ns

Eye Width: 1.804ns;High level: 565.2mV;Low level: -592.2 mV

Eye Height: 862.6mV;High level: 565.2 mV;Low level: -592.2 mV

通過以上仿真過程及結(jié)果得出：眼圖的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以體現(xiàn)信號(hào)分析的性能指標(biāo)。最主要的是通過眼的寬度、眼的高度、平均上升時(shí)間、下降時(shí)間、平均上升速率和下降速率(即斜率)這些指標(biāo)能夠體現(xiàn)信號(hào)的優(yōu)劣程度。

4 結(jié)論

眼圖作為數(shù)字設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，圖中的眼寬、眼高、過沖、單位間隔和門限交叉抖動(dòng)為重要參數(shù)依據(jù)。峰-峰值抖動(dòng)=門限交叉抖動(dòng)/單位間隔×100%。為了使接收器能夠正確地采樣數(shù)據(jù)，眼圖必須滿足一定的高度和寬度，其具體參數(shù)由器件的特性決定，根據(jù)眼圖，可以知道實(shí)際情況是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

特性阻抗通常由PCB的層疊結(jié)構(gòu)和PCB走線寬度/間距決定的，首先明確好需要實(shí)現(xiàn)的信號(hào)的特性阻抗，確定關(guān)鍵信號(hào)的走線寬度/間距，選擇好板材的層疊結(jié)構(gòu)，通常微帶線線寬、走線的銅皮厚度、微帶線到最近參考平面的距離以及PCB板材料的介電常數(shù)共同影響其特性阻抗，而影響差分線阻抗的主要參數(shù)為微帶線阻抗和兩根微帶線的線間距。當(dāng)兩根微帶線的線間距增加時(shí)，差分線的耦合效應(yīng)減弱，差分阻抗增大;線間距減少時(shí)，差分線的耦合效應(yīng)增強(qiáng)，差分阻抗減小。這在實(shí)際布線中的到了驗(yàn)證，本文總結(jié)的USB電路布線設(shè)計(jì)方法可以為高速電路設(shè)計(jì)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)提供理論依據(jù)。