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USB 3.1 Gen 2 Type-C——這意味著更快的數(shù)據(jù)傳輸速率（快 2.5 倍）、更快的充電（高達 100 W），并且由于連接器更小，消費電子產(chǎn)品更小——現(xiàn)在剛剛被制造商采用. Type-C 被認為是“通用”選項至少需要幾年的時間，而要成為這樣，今天的高速數(shù)字設(shè)備設(shè)計人員將需要先進的設(shè)備和軟件來表征和建模 Type-C 物理層通道。
USB Type-C 是數(shù)字設(shè)計工程師更具挑戰(zhàn)性的架構(gòu)之一，因為它要承載的數(shù)字信號的上升時間極長。再加上這種高密度可逆連接器的小物理尺寸，增加了設(shè)計工程師在基礎(chǔ)物理層遇到不可預見的互操作性問題的風險。這些問題可以通過利用測量和模擬來充分調(diào)試和表征控制性能的互連特性和制造公差來避免。
本文討論了信號完整性工程師可以遵循的分步過程，以確保他們成功地使用 USB Type-C 設(shè)備進行設(shè)計。它涉及模擬/測試的基礎(chǔ)知識，包括處理 S 參數(shù)的一些技巧和技術(shù)。
USB Type-C 相比如何？
提高電氣性能的一種簡單方法是使體積更小。通過典型的非均質(zhì)電介質(zhì)系統(tǒng)（例如印刷電路板微帶傳輸線）的較短電延遲本質(zhì)上將比物理上較長的設(shè)備具有更少的損耗。這樣一來，比其他常用消費類連接器更小的 USB Type-C 連接器有助于降低損耗和提高帶寬。
同時，更高的密度在保持通過連接器和 PCB 上的傳輸線阻抗同時避免串擾和 EMI 問題方面帶來了新的挑戰(zhàn)?？紤]一個 USB Type-C 插座夾具和一個 USB Type-C 插頭夾具（圖 1）。在 10 Gbps 數(shù)據(jù)速率下，可以有多個 100 ps 寬的位占用發(fā)送器和接收器之間的路徑。路徑中的任何阻抗問題都會在每個上升沿和下降沿導致多次反射和耦合。多次反射會使調(diào)試完整鏈路連接變得困難。
圖 1：此處顯示的測試配置使用一組 10 個雙端口 PXI VNA 卡以及插圖中顯示的兩個特殊測試夾具。左側(cè)的燈具稱為“l(fā)ux”，是 USB Type-C 插座燈具，而右側(cè)的燈具稱為“n70515a”，是 USB Type-C 插頭燈具。
為了簡化調(diào)試過程，工程師可以模擬和測量 USB 物理層鏈路中的每個組件，從而確定哪個組件不滿足性能要求，這一點很重要。通常，必須使用先進的測量誤差校正技術(shù)從 USB Type-C 主機、設(shè)備或電纜的測量中準確地去除測試夾具。此外，建模和仿真還受益于組件的精確測量，以改善仿真與測量的相關(guān)性，這有助于減輕由于具有挑戰(zhàn)性的物理層結(jié)構(gòu)而導致的復雜性。
物理層是如何測量的？
線性無源互連，例如 USB Type-C 物理層中的那些，通常具有兩種類型的激勵/響應(yīng)測試儀器：在時域中，時域反射計 (TDR)；在頻域中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA)。無論原生儀器采集時域還是頻域數(shù)據(jù)，一個域的數(shù)據(jù)集都可以通過簡單的數(shù)學方法（例如傅里葉變換或傅里葉逆變換）轉(zhuǎn)換為另一個域的數(shù)據(jù)集；專門的信號完整性軟件（例如 Keysight 的物理層測試系統(tǒng)或 PLTS 軟件）的存在為數(shù)字和微波工程師提供了方便，以完成這一領(lǐng)域轉(zhuǎn)換。
雖然大多數(shù)信號完整性應(yīng)用都可以通過基本的四端口測量（兩個端口輸入和兩個端口輸出）來解決，但有一些高級工具可以使工作更輕松，并提供對被測設(shè)備 (DUT) 性能的更多洞察. 我們使用的基于 PXI 機箱的 20 端口 VNA 就是這種情況；此 USB Type-C 通道的 20 端口數(shù)據(jù)集測量只用了兩分鐘多一點。
以這種方式收集的大量數(shù)據(jù)被存儲為標準格式的 Touchstone 文件，隨后可以導入 SI 專業(yè)軟件進行分析。一個 20 端口的測量會產(chǎn)生一個 20 x 20 的 S 參數(shù)矩陣，在單個域中有超過 400 個圖。將其乘以可能的域（時間和頻率）和拓撲（單端或差分）的數(shù)量會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。試圖手動管理如此大量的測量數(shù)據(jù)是一場噩夢，但可以使用上述 PLTS 軟件輕松處理。
如果分析得當，這個元數(shù)據(jù)集可以前所未有地深入了解高速數(shù)字頻道。差分插入損耗、差分回波損耗、阻抗曲線、眼圖、近端和遠端串擾、模式轉(zhuǎn)換以及帶有預加重和均衡的通道優(yōu)化都可以得到充分表征。
質(zhì)量測量的技巧和技術(shù)
如圖1 所示，VNA 設(shè)置包括一個外圍組件互連擴展 (PCI-X) 機箱，其模塊可滑入和滑出以實現(xiàn)可擴展的測試能力。一個嵌入式控制器和 10 個 VNA 模塊（每個模塊是一個雙端口 VNA）產(chǎn)生一個 20 端口 VNA。VNA 模塊的測量范圍為 300 kHz 至 26.5 Hz，并提供出色的速度、高動態(tài)范圍、低跡線噪聲和持久穩(wěn)定性，以提高 USB Type-C 測量的準確性。
測試電纜扇出到被測通道——在本例中，是一個 USB Type-C 插座測試夾具和一個 USB Type-C 插頭組件。每條測試電纜末端的藍色膠帶用于穩(wěn)定測試電纜以提高校準精度。使用的校準是 Unknown Thru 方法（也稱為 Reciprocal Thru 方法），膠帶確保電纜在 DUT 的校準和測量之間不會移動。這是一個眾所周知的技巧，可以最大限度地減少敏感校準中的相移以實現(xiàn)最大精度。
進行多端口測量時，另一個有用的提示是花一些時間在邏輯上標記 S 參數(shù)數(shù)據(jù)集的每個端口。接下來，它有助于重新映射端口，以便分析軟件可以輕松地使用默認的 1 對 2、3 對 4 通道拓撲來直接繪制混合模式參數(shù)（圖 2）。使用 SI 工具可以輕松可視化單端和差分端口映射并在需要時重新排序，這在處理大型數(shù)據(jù)集時可以節(jié)省大量時間。
圖 2：Type-C 支持 USB 2.0（Dp 和 Dn）和 USB 3.1（發(fā)送 — TX1p、TX1n、TX2p、TX2n — 和接收 — RX1p、RX1n、RX2p、RX2n）的數(shù)據(jù)傳輸路徑。將 VNA 的端口清晰地映射到夾具和 DUT 可確保從 DUT 的性能方面充分理解分析。
差分 S 參數(shù)
USB 物理層使用差分信號，可以在差分對的 p (+) 和 n (-) 路徑之間包含大量耦合。這需要使用混合模式參數(shù)來正確分析 Tx 和 Rx 通道的性能。作為 S 參數(shù)的快速復習，圖 3 顯示了混合模式 S 參數(shù)的 4 x 4 矩陣。解釋這個 16 元素 S 參數(shù)矩陣并非易事，因此一次分析一個象限很有幫助。
圖 3：與理想矩陣相比，測量的 S 參數(shù)矩陣的每個象限都可以說明 DUT 的性能。
左上角的第一象限被定義為描述被測設(shè)備的差分激勵和差分響應(yīng)特性的參數(shù)。這是大多數(shù)高速差分互連的實際操作模式，因此它通常是最有用的象限并首先進行分析。
第四象限位于右下方，描述了通過被測設(shè)備傳播的公共信號的性能特征。如果設(shè)備設(shè)計得當，則模式轉(zhuǎn)換應(yīng)該最少，第四象限數(shù)據(jù)將無足輕重。但是，如果由于設(shè)計缺陷而存在任何模式轉(zhuǎn)換，則第四象限將描述該常見信號的行為方式。
在作者看來，第二和第三象限分別位于圖 3的右上和左下，是工程分析中最有趣的象限。這些也稱為混合模式象限，因為它們完全表征了被測設(shè)備中發(fā)生的任何模式轉(zhuǎn)換，無論是共模轉(zhuǎn)換（EMI 敏感性）還是差模轉(zhuǎn)換（EMI 輻射）。在嘗試優(yōu)化互連設(shè)計以實現(xiàn)千兆位數(shù)據(jù)吞吐量時，了解模式轉(zhuǎn)換的幅度和位置非常有幫助。
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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