USB2.0 HS模式信号传输线阻抗设计详解
USB2.0 HS模式信号传输线阻抗设计详解
USB2.0 HS模式信号传输线阻抗设计是硬件工程师必须掌握的重要技能。本文将详细介绍USB2.0信号传输的原理、Eye Pattern测试模板和合规性要求，并通过实际案例展示如何通过优化传输线阻抗设计来改善信号质量。
个人电脑有两种高速串行接口来从外设传输数据，USB和IEEE1394。苹果电脑公司开发了FireWire，后来成为IEEE1394，作为支持热插拔的快速串行总线，即插即用系统。康柏、惠普、英特尔、朗讯、微软、NEC和飞利浦这些公司主导开发了USB2.0，拥有专注于支持更高功能外设的规范所需的能力，USB2.0提供480Mbps，而IEEE1394提供400Mbps的最大差分传输速度。
此外，USB标准支持各种尺寸的连接器，如mini-USB和micro-USB。因此，许多智能手机都遵循USB标准，采用micro-USB型连接器，USB2.0标准有许多适用于Power Pack的特性，如下所述：
Signaling
高速电缆由信号双绞线组成，VBUS，GND，和一个整体屏蔽。高速运行支持480Mbps的信令，为了在这个速率下获得可靠的信号，电缆的每一端都有一个到地的端接电阻。该电阻（每根导线上）的值通常设置为电缆指定差分阻抗的1/2，即45Ω，这表示差分对端接为90Ω。
高速驱动的差分输出阻抗要求为90Ω±10%，当D+或D-信号线，在阻抗为45Ω的数据线上驱动的高速模式高电平输出电压（VHSOH）必须为400mV±10%。在未驱动的相同信号上，由于收发器未发送或对面线路被驱动高电平，高速模式低电平输出电压（VHSOL）必须为0V±10mV。
Eye Pattern
发送眼的pattern指定了最小和最大限制，以及timimg抖动的限制，在此范围内，每个驱动都必须在每个指定的测试平面上驱动信号。接收眼pattern同样需要指定最小和最大限制，以及对timing抖动的限制，在此范围内接收器必须恢复数据。下图为USB接口channel在不同位置的观测点示意。
同时协议规定，需要关注4个测试模板，分别如下：
- Template 1：Transmit waveform requirements for a hub measured at TP2, and for a device (without a captive cable) measured at TP3.
- Template 2:Transmit waveform requirements for a device (with captive cable) measured at TP2.
- Template 3: Receiver sensitivity requirements for a device (with captive cable) when signal is applied at TP2.
- Template 4:Receiver sensitivity requirements for a device (without captive cable) when a signal is applied at TP3, and for a hub when a signal is applied at TP2.
USB Compliance
在手机端应用情况，USB-HS的眼图是按照Template2，电气性能要求如下图所示。
如下是某款手机USB接口的应用方案，及对应的接口眼图：
下表分别为对应的jitter及PCB/FPCB叠层信息：
如下图左侧所示，最初有一条很长的USB信号传输线（D+, D-），并且在设计时没有考虑传输线阻抗，因为USB信号在第四层布线，而USB信号在第三层以上是地，而在FPCB这边，传输线是有差分偏置的，USB信号在第三层布线，第二层和第四层接地，信号线宽度为180µm，信号间距宽度为250µm，眼图出现了畸变，如下图右侧所示。在连续RMS抖动方面，与智能手机本身的值相比，它恶化了近60 ps的值。
如下图所示，在PCB端，测量USB信号的传输线阻抗为66.76Ω，在FPCB方面，测量值为34.52Ω。所产生的眼图是由于USB规范中阻抗值不匹配以及缺乏90Ω阻抗造成的失真，最终mask fail。
为了改进USB-HS的眼图，在仿真中考虑传输线阻抗设计与USB-HS规范中阻抗90Ω相同。从PCB来看，信号线的宽度为100µm，间距为300µm。另一方面，在FPCB的情况下，第四层的接地被切割成与阻抗为90Ohm的接地，信号线及信号线之间的间距以150µm为宜，信号线与地之间的间距以200µm为宜。最终，仿真中PCB侧的阻抗为89.46Ω，FPCB侧的阻抗为90.70Ω，仿真结果如下图所示。
为了验证仿真结果，对改进走线后的眼图进行了测量，试验结果如图所示，抖动提高到43ps的水平。
从上述结果可以看到，由于USB信号走线的长度太长，尽管信号的阻抗匹配，但眼图本身依旧失败了，最有效的改进方式就是缩短信号的长度。
如下图为改进后的走线方式，与USB-HS眼图相关的组件仅放在FPCB上，因此缩短了USB信号的长度。因此，眼图通过了，与第二次相比，连续RMS抖动的水平也提高了约4ps。
因此，通过上述调整方式，满足了USB协议的合规性，通过仿真验证成功设计了USB信号的传输线阻抗和线长设计。
本文原文来自CSDN