眼图非差分线_利用眼图解决USB在布线中的信号完整性问题

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本帖最后由 lifree 于 2020-2-5 14:37 编辑

2 ]3 p' D% B4 \ {/ n

# V& |( A& p+ O通用串行总线USB (Universal Serial Bus)协议从1.0版本发展到现在，由于数据传输速度快，接口方便，支持热插拔等优点使USB设备被越来越多人使用，目前，市场上以USB2.0为接口的产品越来越多，而绘制符合要求的PCB板在USB设备应用中起重要作用。但在实际生产设计中，由于USB的传输速率较高，而系统中电路板上元器件的分布、高速传输布局布线等各类参数，引起高速信号的完整性缺陷的，所以由PCB设计所引起的信号完整性问题是高速数字PCB(印制电路板)生产设计者必须关心的问题。本文通过mentor信号完整性工具“Hyperlynx” 进行仿真分析，总结了一套高速电路设计提供布局布线的分析方法，串行总线以及其它高速电路的布线设计提供了理论依据。

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 通用串行总线

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

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

通用串行总线(USB)技术是为了弥补传统微机外部总线的不足而设计的，随着应用的扩展，USB的传输速率不断提高，USB2.0传输速度为高速480Mb/s。

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

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

对于USB信号的传输，信号完整性是核心指标。USB总线应用差分信号传输数据，在传输过程采用NRZI编码。在上位机与USB设备的交互中，根据数据传输双工或半双工的状态不同，工作于差分态、静止态和单终端三种状态，其相应的电压或电压差也有所不同，传输协议以此判断设备速率和信号数据。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% \在高速系统中，差分线上高速信号的压制检测阈值、断开检测阈值和共模电压也都有一定的范围要求，如表1所示。其中，共模电压典型值为200mV，另外，其差分输入信号电平必须满足高速接收眼图的要求。/ z8 P) f5 E/ C: K* w

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

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

表1 高速信号的输入电平/ 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

高频频率范围内，R和G对特性阻抗的影响很小，这种情况下，传输线的特性阻抗为一个实数，公式被简化为：, _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

此时的传播速度则为：

; 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个重要参数。阻抗匹配关系到信号完整性问题，如反射、振铃等参量的控制。差分对匹配一般采用两种方式：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信号的眼图. g3 j" y8 u# f' Q, Y

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

眼图就是由多个周期的数字信号波形叠加而形成的图形，形状与眼睛类似，因此被称为眼图。数字信号的眼图能清楚反映互连设计是否导致不能容忍的误码率。在高速串行应用中，通行的做法是采用眼图验证串行链路是否满足系统的性能要求的。# 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

对于高速USB信号的发送和接收，USB使用眼图来描述其各个位在传输时所需的电压幅值和时间安排。图1展示了高速USB系统的几个眼图测试点。其中，TP1和TP4对应USB接口芯片的相应管脚(D+和D-)，它们分别被焊接在集线器和USB设备的电路板上；TP2对应A型连接器的D+和D-管脚；TP3对应B型连接器的D+和D-管脚(对于束缚电缆，其也可能是直接连接在电路板上)。

' 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

图1 眼图测试点

( 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定义了6种眼图模板，其中定义在集线器TP2点或在USB设备(使用非束缚电缆)TP3点处的眼图模板，表示接收高速USB信号时所需的电压分辨力，如图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图2 眼图模板" `3 {7 E" f6 \

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

6 O* |/ P- e1 b$ W! F( Q, l3 信号完整性(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仿真原理图，如图3所示，其中包括主机控制器和外围设备控制器，设置了从主机到外围设备使用最大允许传播延迟，模拟一个28AWG带状电缆和5米的USB电缆，以及外围设备的布线。

) e {8 [6 `! G Z

8 a) ?% \3 K# V图3 USB仿真结构模型

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仿真得出差分信号的波形以及USB2.0接收端的眼图，如图4、图5所示。其图中弱的信号质量是由于带状线的阻抗不连续产生，因此，将模型结构中带状线的差分阻抗变化范围为115 ohms~92ohms。调整之后差分信号波形如图6所示，眼图如图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由上图可以看出，经过调整带状线的特征阻抗，差分信号波形有了明显的改变，信号完整性问题得到了改善，眼图宽度和高度均有增大，平均上升时间、平均下降时间均减小，平均下降速率和上升速率即斜率均增大，但是就其仿真来看，所得到的结果仍和理想的结果有一段距离，继续改善模型结构图中其他相应模块的参数，最终仿真得出了满足USB2.0规范的眼图和差分信号，如图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图4 差分信号波形/ 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

图5 仿真结果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图6 差分信号波形

$ 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 ~图7 仿真眼图结果

+ 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

图8 差分信号波形

* }, 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" |图9 仿真眼图结果

; 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 ]仿真数据结果为：, 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: }

通过以上仿真过程及结果得出：眼图的各项数据可以体现信号分析的性能指标。最主要的是通过眼的宽度、眼的高度、平均上升时间、下降时间、平均上升速率和下降速率(即斜率)这些指标能够体现信号的优劣程度。

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

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

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

, s" K7 W9 O: [9 C眼图作为数字设计的参考依据，图中的眼宽、眼高、过冲、单位间隔和门限交叉抖动为重要参数依据。峰-峰值抖动=门限交叉抖动/单位间隔×100%。为了使接收器能够正确地采样数据，眼图必须满足一定的高度和宽度，其具体参数由器件的特性决定，根据眼图，可以知道实际情况是否满足系统设计。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的层叠结构和PCB走线宽度/间距决定的，首先明确好需要实现的信号的特性阻抗，确定关键信号的走线宽度/间距，选择好板材的层叠结构，通常微带线线宽、走线的铜皮厚度、微带线到最近参考平面的距离以及PCB板材料的介电常数共同影响其特性阻抗，而影响差分线阻抗的主要参数为微带线阻抗和两根微带线的线间距。当两根微带线的线间距增加时，差分线的耦合效应减弱，差分阻抗增大；线间距减少时，差分线的耦合效应增强，差分阻抗减小。这在实际布线中的到了验证，本文总结的USB电路布线设计方法可以为高速电路设计布局布线的分析方法，串行总线以及其它高速电路的布线设计提供理论依据。

! o5 q9 l0 G* i8 f8 d- p0 y) ]& A4 v/ e% w1 Y, \

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