通用串行總線（USB）   眼圖   信號完整性  

通用串行總線USB (Universal Serial Bus)協議從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，而繪制符合要求的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（印制電路板）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

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,。

對于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足高速接收眼圖的要求,。

表1 高速信號的輸入電平

2 信號完整性分析

2.1 傳輸線基礎

USB總線采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(tài)阻抗。當傳輸線沿途的瞬態(tài)阻抗為恒定值時,，這個值就被稱為傳輸線的特性阻抗,，表達式為：

高頻頻率范圍內，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,。阻抗匹配關系到信號完整性問題,，如反射、振鈴等參量的控制,。差分對匹配一般采用兩種方式：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字信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接口芯片的相應管腳（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

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,。

圖2 眼圖模板