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(dá) 100 W），并且由于連接器更小，消費(fèi)電子產(chǎn)品更小——現(xiàn)在剛剛被制造商采用. Type-C 被認(rèn)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(jìn)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(yù)見的互操作性問題的風(fēng)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(jìn)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(fèi)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?dāng)_和 EMI 問題方面帶來了新的挑戰(zhàn)。考慮一個 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(dǎo)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(jìn)的測量誤差校正技術(shù)從 USB Type-C 主機(jī)、設(shè)備或電纜的測量中準(zhǔn)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(dǎo)致的復(fù)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(xué)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)格式的 Touchstone 文件，隨后可以導(dǎo)入 SI 專業(yè)軟件進(jìn)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?fù)洌▎味嘶虿罘郑┑臄?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(dāng)，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(yuǎn)端串?dāng)_、模式轉(zhuǎn)換以及帶有預(yù)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(kuò)展 (PCI-X) 機(jī)箱，其模塊可滑入和滑出以實現(xiàn)可擴(kuò)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(zhǔn)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(lán)色膠帶用于穩(wěn)定測試電纜以提高校準(zhǔn)精度。使用的校準(zhǔn)是 Unknown Thru 方法（也稱為 Reciprocal Thru 方法），膠帶確保電纜在 DUT 的校準(zhǔn)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(zhǔn)中的相移以實現(xiàn)最大精度。

進(jìn)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(biāo)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(rèn)的 1 對 2、3 對 4 通道拓?fù)鋪碇苯永L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(fù)習(xí)，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(jìn)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(dāng)，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