简化USB 3.0系统的均衡设计 - 通信/网络 - 电子工程师俱乐部

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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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2009-12-14 10:59:30 上传
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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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2009-12-14 10:59:31 上传
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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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2009-12-14 10:59:32 上传
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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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2009-12-14 10:59:29 上传
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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