USB3.0 系统概述
2008 年 11 月, USB3.0 技术规范发布。 USB3.0 不仅包含了 USB2.0 的全部功能(HS、 FS 和LS),而且提供了名为超高速度(SuperSpeed)的单独的全新超高速数据链路。超高速度链路为下载(主机=》器件,被称为发送方向)和接收方向上的上传(器件=》主机)提供了单独的差分数据线路。超高速度模式可提供的最高数据率为 5 Gb/s(请参阅图 1 )。
图 1 USB3.0 超高速度模式和 USB2.0 模式物理链路(在主机侧和器件侧实现了静电防护)
要同时支持 USB2.0 功能和新的超高速度模式,电缆必须采用新的结构,以提供三条差分耦合信号线(TX+/Tx-、 RX+/Rx-和 D+/D-)。 Vcc 线和接地线也是电缆中不可或缺的组成部分。这种低成本 USB3.0 电缆面临的挑战是,支持很高的截止频率,而不会在相邻的差分耦合线对之间形成干扰。(请参阅图 2)
图 2 USB3.0 电缆结构和电缆衰减(差分模式)
为了支持 USB3.0 电缆所包含的全部线路,必须强制规定采用一种新的连接器形状。新的 USB3.0 连接器的基本要求是,必须向下兼容 USB2.0 连接器。从静电防护的角度而言,这导致标准 A连接器的超高速度模式线路很容易被静电击中(在主机侧和器件侧)。一种强有力的对策是在USB3.0 链路中实现高效的静电防护机制。
超高速数据传输系统面临的一个最为严峻的问题是,确保在接收端实现一定程度的信号完整性。高信号完整性对实现很低的误码率非常重要(譬如,对于 USB3.0 超级速度模式,典型误码率为 1E-12)。眼图表明了信号完整性的特性。
在拥有无限带宽的完美系统中,眼图完全张开。而在实际的系统中,发送和接收阻抗(90欧姆差分阻抗)以及发送端和接收端的所有寄生电容,限制了信号的上升时间/下降时间。这些寄生电容存在于USB3.0收发器内部,和/或PCB外部。不匹配的PCB线路、USB3.0连接器或其他并联电容器等,均会造成外部寄生电容。因此,这些额外的并联电容器必须尽可能小。还必须考虑到USB3.0电缆的低通频率响应(请参阅图2)。为了抵消高频信号的衰减,可在发送端和接收端利用专用均衡器来调整信号。
这些措施均有助于加快处于上升和下降边缘的信号的速度,从而得到张得更开的眼图(即,更高信号完整性)(请参阅图 3)。
要实现适当的信号完整性性能, TVS 二极管的电容必须很低,但另一方面, TVS 二极管必须提供很高的静电防护能力。
图 3 发送端信号还原( 3.5dB 标准参数)和接收端线性均衡器(标准参数)
图4所示为整个USB3.0链路的眼图模拟(误码率为1E6时)。在图4(左图)中,接收信号是在未经接收端均衡器处理之前测得的。在图(右图)中,信号是经接收端均衡器处理之后测得的。红色的内轮廓线所示为用外推法得到的误码率为1E12时的眼图张开程度。红紫色轮廓线为USB3.0技术规范中规定的超高速度模式合规测试的有效值。比较两个眼图,在接收端使用均衡器的效果显而易见。
图 4 未经接收端均衡器处理之前的信号眼图(左图)与经接收端均衡器处理之后的信号眼图(右图)
超高速度链路和USB2.0传输链路采用了差分耦合90欧姆线路。链路内部的阻抗不匹配造成的信号反射会降低信号完整性。为了避免出现这种情况,包括 USB3.0 电缆在内的整个布局设计,应当实现 90 欧姆差分阻抗匹配。
为了使“削弱斜率”尽可能小,并且提供相同的线路延迟时间,所有差分耦合线路均必须为相同的长度。对于USB3.0电缆本身,这一点尤为重要。
较高“削弱斜率”会降低信号完整性,从而导致所谓的“差模共模信号转换”。所生产的共模信号会影响EMI测试的顺利进行。阻抗匹配的适当布局设计,能避免这些问题。
USB3.0 系统概述
2008 年 11 月, USB3.0 技术规范发布。 USB3.0 不仅包含了 USB2.0 的全部功能(HS、 FS 和LS),而且提供了名为超高速度(SuperSpeed)的单独的全新超高速数据链路。超高速度链路为下载(主机=》器件,被称为发送方向)和接收方向上的上传(器件=》主机)提供了单独的差分数据线路。超高速度模式可提供的最高数据率为 5 Gb/s(请参阅图 1 )。
图 1 USB3.0 超高速度模式和 USB2.0 模式物理链路(在主机侧和器件侧实现了静电防护)
要同时支持 USB2.0 功能和新的超高速度模式,电缆必须采用新的结构,以提供三条差分耦合信号线(TX+/Tx-、 RX+/Rx-和 D+/D-)。 Vcc 线和接地线也是电缆中不可或缺的组成部分。这种低成本 USB3.0 电缆面临的挑战是,支持很高的截止频率,而不会在相邻的差分耦合线对之间形成干扰。(请参阅图 2)
图 2 USB3.0 电缆结构和电缆衰减(差分模式)
为了支持 USB3.0 电缆所包含的全部线路,必须强制规定采用一种新的连接器形状。新的 USB3.0 连接器的基本要求是,必须向下兼容 USB2.0 连接器。从静电防护的角度而言,这导致标准 A连接器的超高速度模式线路很容易被静电击中(在主机侧和器件侧)。一种强有力的对策是在USB3.0 链路中实现高效的静电防护机制。
超高速数据传输系统面临的一个最为严峻的问题是,确保在接收端实现一定程度的信号完整性。高信号完整性对实现很低的误码率非常重要(譬如,对于 USB3.0 超级速度模式,典型误码率为 1E-12)。眼图表明了信号完整性的特性。
在拥有无限带宽的完美系统中,眼图完全张开。而在实际的系统中,发送和接收阻抗(90欧姆差分阻抗)以及发送端和接收端的所有寄生电容,限制了信号的上升时间/下降时间。这些寄生电容存在于USB3.0收发器内部,和/或PCB外部。不匹配的PCB线路、USB3.0连接器或其他并联电容器等,均会造成外部寄生电容。因此,这些额外的并联电容器必须尽可能小。还必须考虑到USB3.0电缆的低通频率响应(请参阅图2)。为了抵消高频信号的衰减,可在发送端和接收端利用专用均衡器来调整信号。
这些措施均有助于加快处于上升和下降边缘的信号的速度,从而得到张得更开的眼图(即,更高信号完整性)(请参阅图 3)。
要实现适当的信号完整性性能, TVS 二极管的电容必须很低,但另一方面, TVS 二极管必须提供很高的静电防护能力。
图 3 发送端信号还原( 3.5dB 标准参数)和接收端线性均衡器(标准参数)
图4所示为整个USB3.0链路的眼图模拟(误码率为1E6时)。在图4(左图)中,接收信号是在未经接收端均衡器处理之前测得的。在图(右图)中,信号是经接收端均衡器处理之后测得的。红色的内轮廓线所示为用外推法得到的误码率为1E12时的眼图张开程度。红紫色轮廓线为USB3.0技术规范中规定的超高速度模式合规测试的有效值。比较两个眼图,在接收端使用均衡器的效果显而易见。
图 4 未经接收端均衡器处理之前的信号眼图(左图)与经接收端均衡器处理之后的信号眼图(右图)
超高速度链路和USB2.0传输链路采用了差分耦合90欧姆线路。链路内部的阻抗不匹配造成的信号反射会降低信号完整性。为了避免出现这种情况,包括 USB3.0 电缆在内的整个布局设计,应当实现 90 欧姆差分阻抗匹配。
为了使“削弱斜率”尽可能小,并且提供相同的线路延迟时间,所有差分耦合线路均必须为相同的长度。对于USB3.0电缆本身,这一点尤为重要。
较高“削弱斜率”会降低信号完整性,从而导致所谓的“差模共模信号转换”。所生产的共模信号会影响EMI测试的顺利进行。阻抗匹配的适当布局设计,能避免这些问题。
举报