利用眼圖解決USB在布線中的信號完整性問題

通用串行總線USB (Universal Serial Bus)協議從1.0版本發展到現在，由於數據傳輸速度快，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，而繪製符合要求的PCB板在USB設備應用中起重要作用。但在實際生產設計中，由於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(印製電路板)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。

1 通用串行總線

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/326314.htm

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。

對於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，在傳輸過程採用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，工作於差分態、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。

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範圍要求，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。

2 信號完整性分析

2.1 傳輸線基礎

USB總線採用差分方式傳輸信號，兩條傳輸線分別由不同的驅動器來驅動，其中一條用來傳輸本身的信號，另一條用來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現差分對。

傳輸線內的信號在傳輸過程中，將即時信號外加電壓與內通電流的比值稱為信號的瞬態阻抗。當傳輸線沿途的瞬態阻抗為恆定值時，這個值就被稱為傳輸線的特性阻抗，表達式為：

高頻頻率範圍內，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：

此時的傳播速度則為：

特性阻抗是阻抗匹配的一個重要參數。阻抗匹配關係到信號完整性問題，如反射、振鈴等參量的控制。差分對匹配一般採用兩種方式：π型和T型。

2.2 高速USB信號的眼圖

眼圖就是由多個周期的數位訊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。數位訊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，通行的做法是採用眼圖驗證串行鏈路是否滿足系統的性能要求的。

對於高速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接口晶片的相應管腳(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(對於束縛電纜，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。

3 信號完整性(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。

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於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範圍為115 ohms~92ohms。調整之後差分信號波形如圖6所示，眼圖如圖7所示。

由上圖可以看出，經過調整帶狀線的特徵阻抗，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規範的眼圖和差分信號，如圖8和9所示。

仿真數據結果為：

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。

4 結論

眼圖作為數字設計的參考依據，圖中的眼寬、眼高、過衝、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採樣數據，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。

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。