眼圖非差分線_利用眼圖解決USB在布線中的信號完整性問題

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本帖最后由 lifree 于 2020-2-5 14:37 編輯

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# V& |( A& p+ O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。

3 ~9 K??n* H( z/ q??J1 I; g$ Y( y0 g

* ~3 ]6 c" o- n, M8 a

" n$ g! E# p$ y1 t5 P0 r1 通用串行總線

8 E( I; n# |- ?5 u' f, ^9 e- @( Q! J7 O- S* [) q. B3 m

& k. _??{* P' {+ ~; f: R* X5 R

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。

& D2 X+ u??D8 h??K0 C0 X! e9 G. U5 N: V! Y/ i. j) v

* _" _4 r% d4 h. [$ W) @

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。3 ^2 t+ V7 j+ I% m3 C0 T

1 y2 B( {8 P3 [0 [2 U8 m2 b9 i

4 {$ Q4 {- ]2 i??v* i; F/ I# m% \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。/ z8 P) f5 E/ C: K* w

& q8 m. L8 C: n- F& Z

+ E, Y# K9 g3 ]0 C% s

表1 高速信號的輸入電平/ e- P" O9 ]$ x8 H

: A* ~1 S1 q, c/ ?6 D9 e5 r

9 p- P+ a$ P$ @, ]! P

/ o. ], K6 ^0 [7 ^4 q& M) _

6 @5 m+ G5 _7 x( v; T+ P4 s2 j0 A% z

7 W" J4 z) r8 r. m. Z??k

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：, _3 h) f2 \7 P% X! c

7 J/ f1 T$ ^2 H??r2 y( _

' a* |/ [( O8 }% z; M

0 R# X??k: L* V4 u2 C1 k' ~4 W/ G6 ~8 ~5 F; I! {: I+ \

# h2 g5 E1 j$ k$ ^& @# S

此時的傳播速度則為：

; G1 _5 T% P) I8 b' B( w, C$ R8 A

P1 j! u. J1 D0 r

( ?8 _- _3 w. O8 R. ]# V

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。: r' K" y$ Z# [$ z& h3 ]' T

8 V# h: z1 a! G+ _! g7 f$ c??\m+ S0 u/ O/ j3 }' j. M+ D8 n

2.2 高速USB信號的眼圖. g3 j" y8 u# f' Q, Y

/ h0 t??A" i- v+ B! X1 M7 N% z8 d9 m9 E

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。# y& I0 x+ {) D$ T% G4 i9 a5 b& b

1 @, n6 o% S??M' Z. y2 n: h7 ]

6 F" {9 s2 y- i??b

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)。

' f+ u! O5 W- `6 V2 i/ u: T# X! ]& z

* {: f) \5 G6 i0 I0 O6 k6 d5 C

1 M! p# ]- C1 R??U" F

圖1 眼圖測試點

( g) `! V+ Y! _& B+ F3 e. Z3 H4 N- Z& ^# P$ J: ~. U" k! H# I+ i; P

1 l" |( o2 l0 \7 E2 v

) N7 t* o2 s# OUSB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。L. J* S9 ?8 `; K; G5 w3 P

. a$ ^; @3 V1 K$ L* ^1 L

- S+ e( q??T4 Y4 s

) e+ ~) t8 J: T5 m* h% S圖2 眼圖模板" `3 {7 E" f6 \

, V& i/ x# T( b5 T6 o0 C

6 O* |/ P- e1 b$ W! F( Q, l3 信號完整性(SI)仿真

@* d, g" G; T5 l: T" d- B( x0 _" w, @6 s- K9 }1 O) s

. z8 J+ K9 T9 w

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

) e??{8 [6 `! G??Z

8 a) ?% \3 K# V圖3 USB仿真結構模型

8 b3 l5 z% }6 O" N6 _, k8 j+ D; {; H7 }

( r2 n5 U; K1 y0 F- Q

# K% ~" k% J' L??^4 j' F仿真得出差分信號的波形以及USB2.0接收端的眼圖，如圖4、圖5所示。其圖中弱的信號質量是由于帶狀線的阻抗不連續產生，因此，將模型結構中帶狀線的差分阻抗變化范圍為115 ohms~92ohms。調整之后差分信號波形如圖6所示，眼圖如圖7所示。

0 o& {, z% W0 }/ s6 L. k$ [

: {- B8 m! n/ W- z; H( [" n7 G

9 T9 \3 e: c6 T- u8 A由上圖可以看出，經過調整帶狀線的特征阻抗，差分信號波形有了明顯的改變，信號完整性問題得到了改善，眼圖寬度和高度均有增大，平均上升時間、平均下降時間均減小，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，所得到的結果仍和理想的結果有一段距離，繼續改善模型結構圖中其他相應模塊的參數，最終仿真得出了滿足USB2.0規范的眼圖和差分信號，如圖8和9所示。% }) g3 L2 K/ J* I

9 e# n( s/ W0 m3 w4 `

; S3 K) h$ e( x4 |: l. Y

9 q' d7 v2 }??h) k??J6 `: A: e+ p圖4 差分信號波形/ p% S& ^- N0 G! ]4 x- A+ [

) r: W3 O4 Q8 z/ a; s4 a

) p1 S9 }, C+ Y: W3 X" b! {

1 t/ Z) l+ c% v7 }( ?' D

j0 x: ?. ^5 a9 R+ u: z: K??g+ Q- a' Y

圖5 仿真結果7 S; x8 k/ e6 p- P* E

; H# U) N( b$ ~' P& y' x, O??X4 D

+ p; \; D/ J) h! M4 W% J??D& @' g6 O- J/ M4 {' O1 U

+ k& F# {, |+ c??J4 L3 I6 _1 j$ e圖6 差分信號波形

$ q* f4 C, {' l$ {6 |4 s1 L9 G* B* t7 m% [7 j$ [

! B0 w0 L; P+ o. \2 Z

( ~& O* v, U! q, T( D??Q5 w

5 K+ l1 P/ I: n0 ~圖7 仿真眼圖結果

+ B8 A2 N: H??f$ Q, L

3 p??]5 A# w4 i/ c

% x8 Z: ]' h8 {, W" q

3 m5 P9 d, U8 ?) l8 b" b- d??@1 o

" l- t( e5 d; v6 `3 C# T

圖8 差分信號波形

* }, r3 A' I- L( J" e1 D& A$ h( D$ F??l+ w: F- n

4 t6 I) B& e" c??v7 Y$ m6 b' L8 w* q3 `! W

" u1 k$ d??^, z. r& X& g( C" |圖9 仿真眼圖結果

; L' r) i# ]& T! {/ L+ d& K- i( h??s& {5 f# E

% B??~) P7 n0 O3 S??R8 N0 I

* a+ I7 I8 {??D??~& i" |" L# ?4 ]仿真數據結果為：, G! K7 O9 a5 P5 o

* ~" Q. s" W! s# k/ p

2 k- f3 o7 |8 W; E# i( D, S6 j5 \Peak-to-Peak Voltage:1.58V

& k9 l3 m7 Q6 M

0 D/ d% X! @* s6 o, ^) j* o??u??a, u: x

Positive Overshoot: 229.4 mV；NegativeOvershoot: 198.2 mV

/ d" F+ j. ~2 p

( F- E+ O8 ???u" ]; @) i4 c' c

9 X2 k( _' L4 L5 aAvg fall time: 969.697ps；Avg rise time:960.398ps* H# |* J" \* {: K5 U. j* I6 h1 m

9 P, M) z) W0 c) s+ x

2 R% g: Y' j' T8 iAvg fall slew rate: 0.716 V/ns；Avg rise slewrate: 0.723 V/ns* b5 s3 h8 u5 B( f7 n! E- {

- M% ]" v, C1 a

9 L6 `8 b??^+ T/ a4 V+ {7 P

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

7 ?; J$ ?/ s$ J1 a

( Z+ L( z, ]4 E" k5 ^5 G$ p3 d! I! p

Eye Height: 862.6mV；High level: 565.2 mV；Low level: -592.2 mV5 R/ B- k9 ^: C4 j+ T+ ]' C

1 d: h/ @$ G' W! C/ t! y( ]" h% B9 H, ~" F$ v: }

通過以上仿真過程及結果得出：眼圖的各項數據可以體現信號分析的性能指標。最主要的是通過眼的寬度、眼的高度、平均上升時間、下降時間、平均上升速率和下降速率(即斜率)這些指標能夠體現信號的優劣程度。

5 ~9 b% ^7 W( J0 K# Q9 F/ B5 z( K- k$ D7 Q/ ]: }??z

: l% X; [) Z3 s* j& _" Z: @& [4 結論/ c??S: A$ \: \4 T: `??F

! h' I* \# C" Y. O% i

, s" K7 W9 O: [9 C眼圖作為數字設計的參考依據，圖中的眼寬、眼高、過沖、單位間隔和門限交叉抖動為重要參數依據。峰-峰值抖動=門限交叉抖動/單位間隔×100%。為了使接收器能夠正確地采樣數據，眼圖必須滿足一定的高度和寬度，其具體參數由器件的特性決定，根據眼圖，可以知道實際情況是否滿足系統設計。5 o! f??L3 K4 L2 C0 q6 R, i. @! B

- j3 m: ]+ j/ I??T6 C7 M8 W! Y

2 L9 T7 m; C0 a. |+ X

特性阻抗通常由PCB的層疊結構和PCB走線寬度/間距決定的，首先明確好需要實現的信號的特性阻抗，確定關鍵信號的走線寬度/間距，選擇好板材的層疊結構，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板材料的介電常數共同影響其特性阻抗，而影響差分線阻抗的主要參數為微帶線阻抗和兩根微帶線的線間距。當兩根微帶線的線間距增加時，差分線的耦合效應減弱，差分阻抗增大；線間距減少時，差分線的耦合效應增強，差分阻抗減小。這在實際布線中的到了驗證，本文總結的USB電路布線設計方法可以為高速電路設計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理論依據。

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