通用串行總線(xiàn)USB (Universal Serial Bus)協(xié)議從1.0版本發(fā)展到現在，由于數據傳輸速度快，接口方便，支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)使USB設備被越來(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設備應用中起重要作用。但在實(shí)際生產(chǎn)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(xiàn)等各類(lèi)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(wèn)題是高速數字PCB（印制電路板）生產(chǎn)設計者必須關(guān)心的問(wèn)題。本文通過(guò)Mentor信號完整性工具“Hyperlynx” 進(jìn)行仿真分析，總結了一套高速電路設計提供布局布線(xiàn)的分析方法，串行總線(xiàn)以及其它高速電路的布線(xiàn)設計提供了理論依據。

 

 

通用串行總線(xiàn)（USB）技術(shù)是為了彌補傳統微機外部總線(xiàn)的不足而設計的，隨著(zhù)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(xiàn)應用差分信號傳輸數據，在傳輸過(guò)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(tài)不同，工作于差分態(tài)、靜止態(tài)和單終端三種狀態(tài)，其相應的電壓或電壓差也有所不同，傳輸協(xié)議以此判斷設備速率和信號數據。

 

在高速系統中，差分線(xiàn)上高速信號的壓制檢測閾值、斷開(kāi)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(mǎn)足高速接收眼圖的要求。

 

表1 高速信號的輸入電平

 

 

USB總線(xiàn)采用差分方式傳輸信號，兩條傳輸線(xiàn)分別由不同的驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)，其中一條用來(lái)傳輸本身的信號，另一條用來(lái)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(xiàn)上包含的信息，從理論上來(lái)講，兩條任意的傳輸線(xiàn)都可以用來(lái)實(shí)現差分對。

 

傳輸線(xiàn)內的信號在傳輸過(guò)程中，將即時(shí)信號外加電壓與內通電流的比值稱(chēng)為信號的瞬態(tài)阻抗。當傳輸線(xiàn)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(xiàn)的特性阻抗，表達式為：

特性阻抗是阻抗匹配的一個(gè)重要參數。阻抗匹配關(guān)系到信號完整性問(wèn)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。

 

眼圖就是由多個(gè)周期的數字信號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(mǎn)足系統的性能要求的。

 

對于高速USB信號的發(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系統的幾個(gè)眼圖測試點(diǎn)。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(xiàn)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(diǎn)

 

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

圖2 眼圖模板

 

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(gè)28AWG帶狀電纜和5米的USB電纜，以及外圍設備的布線(xiàn)。

圖3 USB仿真結構模型

 

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(zhì)量是由于帶狀線(xiàn)的阻抗不連續產(chǎn)生，因此，將模型結構中帶狀線(xiàn)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。

 

由上圖可以看出，經(jīng)過(guò)調整帶狀線(xiàn)的特征阻抗，差分信號波形有了明顯的改變，信號完整性問(wèn)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(lái)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(mǎn)足USB2.0規范的眼圖和差分信號，如圖8和9所示。

圖4 差分信號波形

圖5 仿真結果

圖6 差分信號波形

圖7 仿真眼圖結果

圖8 差分信號波形

圖9 仿真眼圖結果

 

 

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(guò)以上仿真過(guò)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(guò)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）這些指標能夠體現信號的優(yōu)劣程度。

 

 

眼圖作為數字設計的參考依據，圖中的眼寬、眼高、過(guò)沖、單位間隔和門(mén)限交叉抖動(dòng)為重要參數依據。峰-峰值抖動(dòng)=門(mén)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據，眼圖必須滿(mǎn)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(shí)際情況是否滿(mǎn)足系統設計。

 

特性阻抗通常由PCB的層疊結構和PCB走線(xiàn)寬度/間距決定的，首先明確好需要實(shí)現的信號的特性阻抗，確定關(guān)鍵信號的走線(xiàn)寬度/間距，選擇好板材的層疊結構，通常微帶線(xiàn)線(xiàn)寬、走線(xiàn)的銅皮厚度、微帶線(xiàn)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(xiàn)阻抗的主要參數為微帶線(xiàn)阻抗和兩根微帶線(xiàn)的線(xiàn)間距。當兩根微帶線(xiàn)的線(xiàn)間距增加時(shí)，差分線(xiàn)的耦合效應減弱，差分阻抗增大；線(xiàn)間距減少時(shí)，差分線(xiàn)的耦合效應增強，差分阻抗減小。這在實(shí)際布線(xiàn)中的到了驗證，本文總結的USB電路布線(xiàn)設計方法可以為高速電路設計布局布線(xiàn)的分析方法，串行總線(xiàn)以及其它高速電路的布線(xiàn)設計提供理論依據。