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看眼图如何分析USB在布线中的信号完整性问题

2016年01月18日 10:44 次阅读

  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。

  1 通用串行总线

  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。

  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。

  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。

  表1 高速信号的输入电平

  表1 高速信号的输入电平

  2 信号完整性分析

  2.1 传输线基础

  USB总线采用差分方式传输信号,两条传输线分别由不同的驱动器来驱动,其中一条用来传输本身的信号,另一条用来传输相应的互补信号,接收端信号为两者的电位差,用以识别传输线上包含的信息,从理论上来讲,两条任意的传输线都可以用来实现差分对。

  传输线内的信号在传输过程中,将即时信号外加电压与内通电流的比值称为信号的瞬态阻抗。当传输线沿途的瞬态阻抗为恒定值时,这个值就被称为传输线的特性阻抗,表达式为:

  信号完整性分析

  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:

  信号完整性分析

  此时的传播速度则为:

  信号完整性分析

  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。

  2.2 高速USB信号的眼图

  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。

  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)。

  图1 眼图测试点

  图1 眼图测试点

  USB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。

  图2 眼图模板

  图2 眼图模板

  3 信号完整性(SI)仿真

  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。

  图3 USB仿真结构模型

  图3 USB仿真结构模型

  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。

  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。

  图4 差分信号波形

  图4 差分信号波形

  图5 仿真结果

  图5 仿真结果

  图6 差分信号波形

  图6 差分信号波形

  图7 仿真眼图结果

  图7 仿真眼图结果

  图8 差分信号波形

  图8 差分信号波形

  图9 仿真眼图结果

  图9 仿真眼图结果

  仿真数据结果为:

  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。

  4 结论

  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。

  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。

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USB Type C在2015年得到了广泛的支持,众多厂商都推出了usb type c接口产品。据分...

发表于 2018-01-29 08:50 284次阅读
type c母座接口定义介绍

USB PD与Type-C融合的端口革命下,快充...

无线充电与快充是今年备受瞩目的手机卖点。对于引领风向的苹果iPhone X 而言,令人欣慰的是:支持...

发表于 2018-01-25 18:12 1344次阅读
USB PD与Type-C融合的端口革命下,快充...

拿到奔驰E级豪车USB充电模块拆解后惊呆了:PC...

而其实汽车电源的设计具有特殊性,想要把单个USB的充电器做好,单就保护还有电压移植的工作就已经很不容...

发表于 2018-01-24 10:21 2518次阅读
拿到奔驰E级豪车USB充电模块拆解后惊呆了:PC...

基于USB 总线控制64 ×16LED 点阵显示...

LED点阵显示器作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED (发光二极管)封装而成。介绍了一种通过...

发表于 2018-01-22 05:53 227次阅读
基于USB 总线控制64 ×16LED 点阵显示...

如何自制手机充电宝?DIY图解步骤

手机充电宝是作为一个远行人士必备的设备,为了免除关键时刻手机没电的尴尬,快来学习自制手机充电宝吧!本...

发表于 2018-01-18 18:15 2555次阅读
如何自制手机充电宝?DIY图解步骤

USB Type-C和Quick Charge概...

USB Type-C和Quick Charge(QC)是当前市场两大新的供电标准,也是市场趋势。这...

发表于 2018-01-17 16:06 193次阅读
USB Type-C和Quick Charge概...

ch340g电路图5v和3.3v供电电路

本文介绍了ch340g电路图,5v和3.3v供电电路图区别分析。CH340的第4脚V3在3.3V电源...

发表于 2018-01-11 16:33 1597次阅读
ch340g电路图5v和3.3v供电电路

ch340驱动安装教程

本文介绍了ch340驱动安装教程:USB转串口驱动安装、驱动安装及硬件链接、上位机软件安装教程。CH...

发表于 2018-01-11 15:50 578次阅读
ch340驱动安装教程

CH340g使用说明详解

本文介绍了CH340g使用说明详解,H340可以用于升级原串口外围设备,或者通过USB总线为计算机增...

发表于 2018-01-11 15:34 1263次阅读
CH340g使用说明详解

CH340g电路设计注意事项

在使用CH340芯片进行电路设计时,我们应该注意哪些细节与事项呢?在电路设计原理上,5V供电时芯片V...

发表于 2018-01-11 14:58 666次阅读
CH340g电路设计注意事项

ch340g典型应用电路

本文介绍了ch340g典型应用电路,CH340芯片内置USB总线上拉电阻和片内信号端,UD+和UD-...

发表于 2018-01-11 14:45 935次阅读
ch340g典型应用电路

usb转串口ch340电路图

本文介绍了usb转串口ch340电路图,USB转串口的RXD引脚与单片机的TXD引脚相连,USB转串...

发表于 2018-01-10 19:18 1669次阅读
usb转串口ch340电路图

ch340中文资料引脚图及引脚定义_电气参数

本文介绍了ch340中文资料引脚图及引脚定义_电气参数。CH340是一个USB总线的转接芯片,实现U...

发表于 2018-01-10 19:05 616次阅读
ch340中文资料引脚图及引脚定义_电气参数

帮你站在高处,重新理解测试测量,是德科技启动KE...

是德科技启动KEE计划,打造测量圈的大师级云课堂,帮你站在高处,重新理解测试测量.研发Fellow、...

发表于 2018-01-09 13:53 3194次阅读
帮你站在高处,重新理解测试测量,是德科技启动KE...

怎么设置usb为第一启动_bios设置u盘启动

U盘安装系统的首要步骤就是将U盘设置为第一启动项,那么如何将usb设置设为第一启动项呢?使用u盘装系...

发表于 2018-01-08 19:19 556次阅读
怎么设置usb为第一启动_bios设置u盘启动

高速电路设计和信号完整性的知识分享

1、信号完整性(Signal Integrity):就是指电路系统中信号的质量,如果在要求的时间内,...

发表于 2018-01-08 17:26 1673次阅读
高速电路设计和信号完整性的知识分享

初学者必看,详解硬件电路设计过程与电源电路解析

献给那些刚开始或即将开始设计硬件电路的人。时光飞逝,离俺最初画第一块电路已有3年。刚刚开始接触电路板...

发表于 2018-01-07 10:10 4552次阅读
初学者必看,详解硬件电路设计过程与电源电路解析

什么是无线USB技术?从它的应用上学习就明白了

由于USB技术在最近几年已成长为PC主流的技术标准,几乎所有的外设都可以借助USB接口轻易地与PC机...

发表于 2018-01-06 07:34 2525次阅读
什么是无线USB技术?从它的应用上学习就明白了

USB转TTL、USB转232的区别以及各电平信...

本文主要介绍了USB转TTL、USB转232的区别以及各电平信号的特性分析。USB转TTL芯片的单片...

发表于 2018-01-05 14:55 412次阅读
USB转TTL、USB转232的区别以及各电平信...

智能手环怎么用_智能手环使用教程

智能手环怎么用_智能手环使用教程 现如今智能运动手环还是比较流行的,科技巨头们也纷纷推出相关的产品,...

发表于 2018-01-02 11:43 2745次阅读
智能手环怎么用_智能手环使用教程

信号完整性与电源完整性的详细分析

最近在论坛里看到一则关于电源完整性的提问,网友质疑大家普遍对信号完整性很重视,但对于电源完整性的重视...

发表于 2017-12-26 16:48 1805次阅读
信号完整性与电源完整性的详细分析

基于CY7C68013A芯片的USB键盘的设计

  由于具备传输速率高、体积小等特点,USB接口广泛地应用于计算机外部硬件设计。针对此介绍了Cypr...

发表于 2017-12-26 09:32 328次阅读
基于CY7C68013A芯片的USB键盘的设计

基于STM32F103的USB数据采集模块的设计

本文主要介绍了一种基于STM32F103的USB数据采集模块的设计,PC作为USB主机,USB采集模...

发表于 2017-12-25 15:50 810次阅读
基于STM32F103的USB数据采集模块的设计

学好数学帮工程师做信号完整性设计

数学不了解,如何计算耦合系数?怎么计算ILD?ICN?如何进行频域和时域的转换?.......现在想...

发表于 2017-12-18 18:14 2167次阅读
学好数学帮工程师做信号完整性设计

基于nRF24L01的无线USB控制系统

当今,无线技术飞速发展,应用的领域越来越广,与有线技术相比,无线技术具有方便、灵活、减少布线施工难度...

发表于 2017-12-16 11:57 327次阅读
基于nRF24L01的无线USB控制系统

基于STM32F103和nRF24L01的近程无...

近年来, 随着无线通信技术的发展, 无线通讯设备的集成化越来越高。本文介绍了一种选用高性能、低功耗的...

发表于 2017-12-15 15:52 352次阅读
基于STM32F103和nRF24L01的近程无...

usb转串口是什么原理

一般主流的是能过PL2303来实现上面的转换,而主要的芯片就在串口后端的位置,通过芯片来实现转换,同...

发表于 2017-12-13 14:56 2255次阅读
usb转串口是什么原理

usb转串口驱动有什么作用?怎么安装usb转串口...

 大部分新的笔记本没有提供串口,在使用一些程序如考勤打卡机、门禁读卡器等设备时,无法将这些设备的串口...

发表于 2017-12-13 14:35 544次阅读
usb转串口驱动有什么作用?怎么安装usb转串口...

用USB卫星接收盒接收远程教育资源的创意方案分析

首先进行的是硬软件方面的安装。将DVBWORLD 2102S USB接收盒用随机附带的USB线与电脑...

发表于 2017-12-12 09:02 98次阅读
用USB卫星接收盒接收远程教育资源的创意方案分析