通用串行总线USB (Universal Serial Bus)协议从1.0版别开展到现在，因为数据传输速度快，接口便利，支撑热插拔等长处使USB设备被越来越多人运用，现在，市场上以USB2.0为接口的产品越来越多，而制作符合要求的PCB板在USB设备运用中起重要作用。但在实践出产规划中，因为USB的传输速率较高，而体系中电路板上元器材的散布、高速传输布局布线等各类参数，引起高速信号的完好性缺点的，所以由PCB规划所引起的信号完好性问题是高速数字PCB(印制电路板)出产规划者有必要关怀的问题。本文经过Mentor信号完好性东西“Hyperlynx” 进行仿真剖析，总结了一套高速电路规划供给布局布线的剖析办法，串行总线以及其它高速电路的布线规划供给了理论依据。
1 通用串行总线
通用串行总线(USB)技能是为了补偿传统微机外部总线的缺乏而规划的，跟着运用的扩展，USB的传输速率不断提高，USB2.0传输速度为高速480Mb/s。
关于USB信号的传输，信号完好性是中心目标。USB总线运用差分信号传输数据，在传输进程选用NRZI编码。在上位机与USB设备的交互中，依据数据传输双工或半双工的状况不同，作业于差分态、停止态和单终端三种状况，其相应的电压或电压差也有所不同，传输协议以此判别设备速率和信号数据。
在高速体系中，差分线上高速信号的限制检测阈值、断开检测阈值和共模电压也都有必定的规模要求，如表1所示。其间，共模电压典型值为200mV，别的，其差分输入信号电平有必要满意高速接纳眼图的要求。
2 信号完好性剖析
2.1 传输线根底
USB总线选用差分办法传输信号，两条传输线分别由不同的驱动器来驱动，其间一条用来传输自身的信号，另一条用来传输相应的互补信号，接纳端信号为两者的电位差，用以辨认传输线上包含的信息，从理论上来讲，两条恣意的传输线都能够用来完成差分对。
传输线内的信号在传输进程中，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稳定值时，这个值就被称为传输线的特性阻抗，表达式为：
高频频率规模内，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：
此刻的传达速度则为：
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好性问题，如反射、振铃等参量的操控。差分对匹配一般选用两种办法：π型和T型。
2.2 高速USB信号的眼图
眼图便是由多个周期的数字信号波形叠加而构成的图形，形状与眼睛相似，因而被称为眼图。数字信号的眼图能清楚反映互连规划是否导致不能容忍的误码率。在高速串行运用中，通行的做法是选用眼图验证串行链路是否满意体系的功能要求的。
关于高速USB信号的发送和接纳，USB运用眼图来描绘其各个位在传输时所需的电压幅值和时刻组织。图1展现了高速USB体系的几个眼图测试点。其间，TP1和TP4对应USB接口芯片的相应管脚(D+和D-)，它们分别被焊接在集线器和USB设备的电路板上;TP2对应A型连接器的D+和D-管脚;TP3对应B型连接器的D+和D-管脚(关于捆绑电缆，其也可能是直接连接在电路板上)。
USB界说了6种眼图模板，其间界说在集线器TP2点或在USB设备(运用非捆绑电缆)TP3点处的眼图模板，表明接纳高速USB信号时所需的电压分辨力，如图2所示。
3 信号完好性(SI)仿真
运用LineSim建立USB2.0仿真原理图，如图3所示，其间包含主机操控器和外围设备操控器，设置了从主机到外围设备运用最大答应传达推迟，模仿一个28AWG带状电缆和5米的USB电缆，以及外围设备的布线。
仿真得出差分信号的波形以及USB2.0接纳端的眼图，如图4、图5所示。其图中弱的信号质量是因为带状线的阻抗不接连发生，因而，将模型结构中带状线的差分阻抗改动规模为115 ohms~92ohms。调整之后差分信号波形如图6所示，眼图如图7所示。
由上图能够看出，经过调整带状线的特征阻抗，差分信号波形有了显着的改动，信号完好性问题得到了改进，眼图宽度和高度均有增大，均匀上升时刻、均匀下降时刻均减小，均匀下降速率和上升速率即斜率均增大，可是就其仿真来看，所得到的成果仍和抱负的成果有一段间隔，持续改进模型结构图中其他相应模块的参数，终究仿真得出了满意USB2.0标准的眼图和差分信号，如图8和9所示。
仿真数据成果为：
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
经过以上仿真进程及成果得出：眼图的各项数据能够表现信号剖析的功能目标。最主要的是经过眼的宽度、眼的高度、均匀上升时刻、下降时刻、均匀上升速率和下降速率(即斜率)这些目标能够表现信号的好坏程度。
4 定论
眼图作为数字规划的参阅依据，图中的眼宽、眼高、过冲、单位间隔和门限穿插颤动为重要参数依据。峰-峰值颤动=门限穿插颤动/单位间隔×100%。为了使接纳器能够正确地采样数据，眼图有必要满意必定的高度和宽度，其详细参数由器材的特性决议，依据眼图，能够知道实践情况是否满意体系规划。
特性阻抗一般由PCB的层叠结构和PCB走线宽度/间隔决议的，首要清晰好需求完成的信号的特性阻抗，确认要害信号的走线宽度/间隔，挑选好板材的层叠结构，一般微带线线宽、走线的铜皮厚度、微带线到最近参阅平面的间隔以及PCB板资料的介电常数一起影响其特性阻抗，而影响差分线阻抗的主要参数为微带线阻抗和两根微带线的线间隔。当两根微带线的线间隔添加时，差分线的耦合效应削弱，差分阻抗增大;线间隔减少时，差分线的耦合效应增强，差分阻抗减小。这在实践布线中的到了验证，本文总结的USB电路布线规划办法能够为高速电路规划布局布线的剖析办法，串行总线以及其它高速电路的布线规划供给理论依据。
