简化USB 3.0系统的均衡设计

2009年12月14日 11:12    贾延安
关键词: USB , 设计 , 系统
USB 3.0是USB标准的下一代版本,数据传输速率可达5Gbps。对于这一新兴标准,首先面临的一个技术问题是如何在经过PCB、长电缆和相关的连接器传输后保证信号的完整性。为达到设计指标的要求,系统中需要提供固定和自适应均衡。自适应均衡电路比较复杂,需要较长的训练周期。固定均衡相对简单,易于实现而且消耗较低的功率。

实验表明,相对于自适应均衡,固定均衡具有设计简单、成本低、功耗小等优势,而且能支持5Gbps数据流在FR4 PCB走线、USB 3.0电缆和连接器通道的传输。可以按照图1搭建一个简单的测试装置,包括10英寸长的FR4 PCB板走线、发送均衡器、USB 3.0电缆和接收均衡器。信号通过FR4 PCB板引线送入发送均衡器(MAX3982),然后经过3至6米的USB 3.0电缆到达接收均衡器(MAX3785)。

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图1:简单的USB 3.0固定均衡测试装置。

模板发生器向FR4 PCB发送IKJPAT数据流,与CJPAT类似,IKJPAT是针对时钟恢复电路设计的一个8B10B模板。图中的两片IC虽然不是专为USB 3.0应用而设计,但可以使USB 3.0的传输距离延长到标准规定的3米以上。发送端采用固定均衡器MAX3982,能够提供四级预加重电平;接收端采用MAX3785 1.8V固定无源均衡器和限幅放大器。两款产品均已投放市场,另外,国半和TI也可提供类似器件。固定接收均衡器由T型均衡网络和限幅放大器构成(图2)。

运行测试模板时,没有经过均衡的信号送至10英寸FR4电路板的引线,并经过3米长的USB 3.0电缆传输,可以得到图3所示波形,从图中可以看出波形劣化比较严重。加入固定均衡后,即使将电缆延长到6米也可以明显改善信号质量,得到比较好的眼图效果(图4a),高质量的眼图模板意味着较低的误码率。

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图2:固定接收均衡器由T型均衡网络和限幅放大器(图中没有给出)组成。

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图3:接收端没有经过均衡传输的信号,信号通过10英寸FR4 PCB引线和3米长的USB 3.0电缆传输到达接收端。

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图4a:经过均衡的USB 3.0数据流通过10英寸FR4 PCB引线和6米长的USB电缆后能够保持较宽的眼图模板开度。

如果放大图4a所示波形,可以测得抖动的峰缝值只有36.4ps。

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图4b:将5Gb/s眼图模板的跳变区域放大后,可以测得36.4ps的系统抖动。

将电缆替换成非均衡测试中使用的3米电缆,可以得到固定均衡电路对眼图模板的改善,能够保持稳定、较宽的眼图开度(图5a)。调整示波器放大眼图的交叉区域(图5b),可以看到非常清晰的跳变沿。从测试结果看,电缆接口似乎可以省去昂贵的自适应均衡电路。

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图5a:通过10英寸 FR4电路板引线和3米USB 3.0电缆传输后,经过均衡的信号具有较宽的眼图开度,与图3a所示6米传输的测试结果非常相似。

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图5b:经过10英寸FR4电路板、3米电缆传输后,均衡信号眼图模板的交叉区域

作者:美信集成产品公司高级科学家Haim Shafir
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