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
，而係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。

 

 

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。

 

在高速係統中
，差分線上高速信號的壓製檢測閾值
、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。

 

表1 高速信號的輸入電平

 

 

USB總zong線xian采cai用yong差cha分fen方fang式shi傳chuan輸shu信xin號hao，兩liang條tiao傳chuan輸shu線xian分fen別bie由you不bu同tong的de驅qu動dong器qi來lai驅qu動dong
，其qi中zhong一yi條tiao用yong來lai傳chuan輸shu本ben身shen的de信xin號hao，另ling一yi條tiao用yong來lai傳chuan輸shu相xiang應ying的de互hu補bu信xin號hao
，接jie收shou端duan信xin號hao為wei兩liang者zhe的de電dian位wei差cha，用yong以yi識shi別bie傳chuan輸shu線xian上shang包bao含han的de信xin息xi，從cong理li論lun上shang來lai講jiang，兩liang條tiao任ren意yi的de傳chuan輸shu線xian都dou可ke以yi用yong來lai實shi現xian差cha分fen對dui。

 

傳chuan輸shu線xian內nei的de信xin號hao在zai傳chuan輸shu過guo程cheng中zhong
，將jiang即ji時shi信xin號hao外wai加jia電dian壓ya與yu內nei通tong電dian流liu的de比bi值zhi稱cheng為wei信xin號hao的de瞬shun態tai阻zu抗kang。當dang傳chuan輸shu線xian沿yan途tu的de瞬shun態tai阻zu抗kang為wei恒heng定ding值zhi時shi
，這zhe個ge值zhi就jiu被bei稱cheng為wei傳chuan輸shu線xian的de特te性xing阻zu抗kang，表biao達da式shi為wei：

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、振鈴等參量的控製。差分對匹配一般采用兩種方式：π型和T型。

 

眼yan圖tu就jiu是shi由you多duo個ge周zhou期qi的de數shu字zi信xin號hao波bo形xing疊die加jia而er形xing成cheng的de圖tu形xing，形xing狀zhuang與yu眼yan睛jing類lei似si，因yin此ci被bei稱cheng為wei眼yan圖tu。數shu字zi信xin號hao的de眼yan圖tu能neng清qing楚chu反fan映ying互hu連lian設she計ji是shi否fou導dao致zhi不bu能neng容rong忍ren的de誤wu碼ma率lv。在zai高gao速su串chuan行xing應ying用yong中zhong，通tong行xing的de做zuo法fa是shi采cai用yong眼yan圖tu驗yan證zheng串chuan行xing鏈lian路lu是shi否fou滿man足zu係xi統tong的de性xing能neng要yao求qiu的de。

 

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係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（對於束縛電纜
，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

 

利用LineSim搭建USB2.0仿真原理圖，如圖3所示
，其中包括主機控製器和外圍設備控製器，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。

圖3 USB仿真結構模型

 

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you上shang圖tu可ke以yi看kan出chu
，經jing過guo調tiao整zheng帶dai狀zhuang線xian的de特te征zheng阻zu抗kang
，差cha分fen信xin號hao波bo形xing有you了le明ming顯xian的de改gai變bian，信xin號hao完wan整zheng性xing問wen題ti得de到dao了le改gai善shan，眼yan圖tu寬kuan度du和he高gao度du均jun有you增zeng大da
，平ping均jun上shang升sheng時shi間jian、平ping均jun下xia降jiang時shi間jian均jun減jian小xiao，平ping均jun下xia降jiang速su率lv和he上shang升sheng速su率lv即ji斜xie率lv均jun增zeng大da
，但dan是shi就jiu其qi仿fang真zhen來lai看kan
，所suo得de到dao的de結jie果guo仍reng和he理li想xiang的de結jie果guo有you一yi段duan距ju離li
，繼ji續xu改gai善shan模mo型xing結jie構gou圖tu中zhong其qi他ta相xiang應ying模mo塊kuai的de參can數shu
，最zui終zhong仿fang真zhen得de出chu了le滿man足zuUSB2.0規範的眼圖和差分信號
，如圖8和9所示。

圖4 差分信號波形

圖5 仿真結果

圖6 差分信號波形

圖7 仿真眼圖結果

圖8 差分信號波形

圖9 仿真眼圖結果

 

 

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。

 

 

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wei了le使shi接jie收shou器qi能neng夠gou正zheng確que地di采cai樣yang數shu據ju，眼yan圖tu必bi須xu滿man足zu一yi定ding的de高gao度du和he寬kuan度du，其qi具ju體ti參can數shu由you器qi件jian的de特te性xing決jue定ding，根gen據ju眼yan圖tu，可ke以yi知zhi道dao實shi際ji情qing況kuang是shi否fou滿man足zu係xi統tong設she計ji。

 

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麵的距離以及PCB板ban材cai料liao的de介jie電dian常chang數shu共gong同tong影ying響xiang其qi特te性xing阻zu抗kang
，而er影ying響xiang差cha分fen線xian阻zu抗kang的de主zhu要yao參can數shu為wei微wei帶dai線xian阻zu抗kang和he兩liang根gen微wei帶dai線xian的de線xian間jian距ju。當dang兩liang根gen微wei帶dai線xian的de線xian間jian距ju增zeng加jia時shi
，差cha分fen線xian的de耦ou合he效xiao應ying減jian弱ruo
，差cha分fen阻zu抗kang增zeng大da；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。