利用眼图解决USB在布线中的信号完整性问题
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2021-01-20
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利用眼图解决利用眼图解决USB在布线中的信号完整性问题在布线中的信号完整性问题
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
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
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。
2 信号完整性分析信号完整性分析
2.1 传输线基础传输线基础
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：
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：
此时的传播速度则为：
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。
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