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USB眼图常识

发布时间 : 2023-04-20 13:33 浏览 :829

眼图测试是示波器跨接在接收滤波器的输出端,调整示波器扫描周期,使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步,此时,示波器作为接收端会受到一连串的脉冲信号(000 001 010 011 100 101 110 111),这些信号叠加在一起,会形成类似人眼的图形。同时按照协会的要求,示波器带宽至少应该为1.5GHZ,最好是2GH或者2.5GHZ。

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其主要用到了余辉方式累计叠加显示采集到串行信号的比特的结果,叠加后的图形形状也正是因为看起来和眼睛很像,所以被称为眼图。眼图表征了串行信号的比特信息,成为了衡量信号质量的重要工具。通过眼图,可以观察出码间串扰和噪声的影响,从而估计信号完整性的优劣。

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USB眼图的测量主要分为device与host。

  USB host端:D+和D-各接一个15kΩ的下拉电阻;

 USB device端:高速和全速D+接一个1.5kΩ电阻上拉到3.3V;低速在D-上接一个1.5kΩ电阻上拉 到3.3V。高速chirp KJ握手(Chirp KJ的频率大概是10KHz)成功后,自动断开D+上的1.5kΩ上拉;当高速设备进入suspend时,使能D+上的1.5kΩ上拉到3.3V,退出suspend时,断开D+上的1.5k上拉。

集线器的全速驱动器和设备的全速驱动器在功能上等效成每个都是45Ω电阻,合成90Ω的差分电阻产生一个0系数的反射。这样才产生了cable的特征阻抗是90Ω的需求。

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HS模式DP/DM对地单端阻抗为45Ω(由全速驱动器形成的一个阻抗为45Ω的终端电阻),串联的匹配电阻必须是0,否则眼图有问题;LS/FS的DP/DM上必须有大于0的匹配电阻。 HS模式DP/DM的DC-level是17.78mA x (45Ω//45Ω) = 17.78mA x 22.5Ω = 400mV,其中17.78mA是电流源(一般需要PHY外接参考电阻), 所以差模电压是800mV。DC-level of LS/FS is 3.3V。

HS PHY DP/DM上串联10Ω电阻带来的信号完整性问题如下计算所示

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Udevice = 17.78mA*(45//(10+45)) = 440.1mV, Uhost = (45/(45+10))*440.1 = 360.1mV

眼图的测量参数不同于波形的测量参数,更多情况下是一种统计意义的测量,主要关注的测量参数有眼高,眼宽,眼抖动等。

眼高的测量
眼高反映的是眼图在垂直方向张开的程度。其测量方法是先在眼图的中心位置对眼图的电平分布进行统计,根据直方图分布出现概率最大的位置得到高电平(One Level)和低电平(Zero Level)的位置;然后再根据高低电平上的噪声分布情况各向内推3个西格玛(噪声的RMS值),从而得到眼高的测量结果。

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眼宽(Eye Width)的测量

眼宽反映的是眼图在水平方向张开的程度。其测量方法是先在眼图的交叉点位置对眼图的水平分布进行统计,根据直方图分布出现概率最大的位置得到交叉点1(Cross1)和交叉点2(Cross2)的水平位置;然后再根据交叉点附近的抖动分布情况各向内推3个西格玛(抖动的RMS值),从而得到眼宽的测量结果。

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眼图的抖动(Eye Jitter)测量
眼图的抖动反映的是信号的时间不确定性,抖动过大会减小信号的眼宽。眼图的抖动是指眼图交叉点附近的信号的水平抖动,可以用RMS或者Peak-Peak值来衡量。

眼图测试常识7.png

关于眼图,我们仅仅只了解相关重点测试参数是远远不够的,还需要快速判定测试的信号是否满足总线的规范需求。在使用仪器测试时,往往会用到模板。

模板,即事先把信号高低电平的范围要求以及抖动的范围等指标事先定义好,然后在此模板上生成眼图测试文件。

眼图测试常识8.png

模板主要由三部分组成:

顶部区域定义了信号的最大幅度的要求。
底部区域定义了信号的最小幅度要求。
中间区域定义了对信号的眼图张开度的要求。

在进行眼图测试时,直接把眼图套在这个模板上,如果长时间的累计测量没有压在模板上,就说明信号质量基本满足了要求。

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PASS

如果被测信号压在了测试模板上,说明被测信号质量存在明显的问题。

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USB信号线的设计
在USB高速信号方面,我们往往喜欢在D+ D-端串电阻,电感或者并TVS管用以静电或者浪涌防护。由于属于高速信号(速率480Mbps,频率240MHZ),因此对TVS管的选取也要慎重。TVS管具有结电容,结电容的容值要格外注意,在小白所做过的项目里,TVS管结电容容值往往选取1pf以下的容值。容值过大因RC延时的影响会使得眼图的睁开程度变小,进而可能压倒中间的模板。同时串阻的选取也要适当,因为其影响到眼高。
所以日常在针对眼图压模板的debug时,要尤为注意这方面影响。眼图常识10.png

同时常见的眼图测试失败的故障可以简要以下几点
PCB设计不良:走线太长(走线长意味损耗大),走线阻抗不匹配(要求90±10%欧姆),来自其他来源的干扰(建议立体包地处理),…同时线宽建议适当的可以粗一些
电缆不良
ESD,EMI组件不符合USB要求
时钟不良,PLL
电源干扰
铁氧体磁珠和共模扼流圈
不使用最新的USBET
不良测试夹具

在眼图的调节中,我们最好让眼图睁得越大越好
眼图张开越大,对噪声和抖动的容许误差越大;
眼图张开越大,接收器判断信号的准确度越好。




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