图 2a:USB3.0电缆结构。

超高速数据传输系统面临的一个最严峻的问题,是确保在接收端实现一定程度的信号完整性。很高的信号完整性有助于实现很低的误码率(例如,对于USB3.0超高速模式,典型误码率为1E-12)。眼图描述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。在实际的系统中,发送和接收阻抗(90欧姆差分阻抗)以及发送侧和接收侧的所有寄生电容,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连接器或其它并联电容器等,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(图2b)。为抵消高频内容的衰减,可在发送侧和接收侧利用专用均衡器改变信号。这些措施均有助于加快信号上升和下降边的速度,从而得到张得更开的眼图(即更高的信号完整性)(见图3a和图3b)。

USB3.0系统的ESD防护设计方案

为实现适当的信号完整性性能,TVS二极管的电容必须很低,但TVS二极管也必须提供较高的ESD包含水平。

图4a、b为整个USB3.0链路的眼图模拟图(误码率为1E-6)。在图4a中,所用的接收信号是在未经接收端均衡器处理之前。在图4b中,所用的接收信号是经接收端均衡器处理之后。红色的内轮廓线所示为用外推法得到的误码率为1E-12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一致性测试的有效值。比较这两个眼图,在接收端使用均衡器的效果显而易见。

USB3.0系统的ESD防护设计方案

图4a:未经接收端均衡器处理之前的信号眼图。 图4b:经接收端均衡器处理之后的信号眼图。

超高速链路和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。

为尽量减少斜率下降,并且提供相同的延迟时间,所有差分耦合线路均必须为相同的长度。对USB3.0电缆而言,这一点尤为重要。斜率下降的多会降低信号完整性,从而导致所谓的“差模共模信号转换”。所产生的共模信号会影响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超高速链路和USB2.0链路的布局布线考虑