改善USB 2.0開關(guān)系統(tǒng)的響應(yīng)特性
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概述
許多USB系統(tǒng)需要復(fù)用端口，但并不需要所有端口同時工作。比如，某個消費(fèi)類產(chǎn)品在前、后面板上都有用來讀取存儲器的端口，但在某個時間只使用一個端口，這是一種比較容易接受的方式。這種情況下，最好使用USB開關(guān)，因?yàn)樗恍枰獦O低的功耗(幾乎為零)，并且不會在器件和互聯(lián)設(shè)備間引入額外的電平。本應(yīng)用筆記介紹如何利用MAX4906EF實(shí)現(xiàn)USB 2.0兼容*的開關(guān)系統(tǒng)。
USB 2.0兼容性
USB 2.0 (高速USB)要求數(shù)據(jù)速率達(dá)到480Mbps，并且系統(tǒng)為了保證兼容性還需通過眼圖測試。眼圖顯示了D+和D-信號線的傳輸有效性，圖形類似于人的眼睛。圖1提供了一個USB2.0規(guī)范要求的眼圖模板，如果器件輸出通過了眼圖測試，那么這個系統(tǒng)就符合規(guī)范要求。*
圖1. 通用串行總線規(guī)范版本2.0所要求的眼圖模板(參見規(guī)范中的圖7–13)
假定被測系統(tǒng)在電路板上有一個開關(guān)，輸出端有一個連接器，那么，信號眼圖必須落在眼圖模板之外。眼睛的開度是±400mV，容許2dB的輕微損耗。MAX4906EF USB 2.0開關(guān)具有低至0.5dB的頻率損耗，對眼圖開度沒有影響。
下一個需要考慮的問題是系統(tǒng)帶寬，左右兩側(cè)的斜線給出了系統(tǒng)容許的上升、下降時間。D+ (同相數(shù)據(jù))信號必須通過并且不能接觸到六邊形。由于系統(tǒng)基本上是個RC濾波器，所以初看上去很容易計(jì)算。如果假定系統(tǒng)有良好的45Ω匹配(根據(jù)USB規(guī)范)，并且采用雙端接，信號將類似于：
V = V0 × (1 - e-t/RC)，其中R = 22.5
D+曲線需要顯示出從V = 50%至V = 100%的軌跡；根據(jù)規(guī)范要求，最左側(cè)點(diǎn)是7.5% UI (單位間隔)或(0.075) × 2.08ns，或156ps。
將MAX4906EF應(yīng)用在一塊理想的電路板時，它可以達(dá)到這些要求，很容易通過眼圖測試。
非理想電路板引入的電容問題
當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將MAX4906EF放置在一塊非理想的電路板時，也許會出現(xiàn)一些問題。通常設(shè)計(jì)人員無權(quán)決定使用何種類型的電路板，這由采購人員決定，或取決于系統(tǒng)中的其它電路板。如果設(shè)計(jì)人員對諸如材料、板層厚度、電路板的介電常數(shù)等提出約束條件，就會導(dǎo)致成本過高，或無法按時交付使用。所以設(shè)計(jì)人員幾乎沒有選擇余地，只能利用公司已經(jīng)使用的電路板類型。理想情況下，電路板可以提供很好的傳輸線。如果板層厚度可以控制，而且可以完全指定線寬和線間距，可以得到近乎于理想的傳輸線引線。對于高頻電路板設(shè)計(jì)難度較大，具有一些特殊要求：走線需要有4mil (0.1mm)的厚度、5mil (0.125mm)的寬度、間隔5mil。幾乎所有PCIe?板都由介電常數(shù)約等于4.4的FR4材料制成。如果不是板層很厚或者引線很寬，幾乎不可能得到真正的90Ω到100Ω的平衡傳輸線。
電路板設(shè)計(jì)人員通常受限于電路板和最多四層板的板層限制。如果板層均勻分布，板層尺寸固定，幾乎所有電路板材料都是62mil (1.5mm)，這樣，絕緣厚度大約為18.6mil (0.47mm)。如果引線采用一般間距(10mil至20mil)，引線的特征阻抗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于期望值，達(dá)到180Ω (幾乎是目標(biāo)值的兩倍)。如果引線很短( ?λ)，這些引線將會增大系統(tǒng)電容。
構(gòu)建USB 2.0兼容*開關(guān)
由于采用了堅(jiān)固的輸入架構(gòu)，MAX4906EF具有±15kV HBM (人體模式) ESD保護(hù)。即使該結(jié)構(gòu)增大了器件電容，但省去了二極管或其它ESD抑制器件，有效降低了系統(tǒng)的總成本。由于沒有加入其它器件，通常還會降低系統(tǒng)的總體電容。我們知道MAX4906EF在理想單板上通過了眼圖測試，但是對于很多標(biāo)準(zhǔn)電路板，眼圖開度可能不理想。低成本MAX4906EF具有較高的ESD保護(hù)，能夠滿足幾乎所有USB 2.0的要求，并向后兼容USB 1.1 (低/全速)，但還需要完成一些工作來提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性。
在器件上串聯(lián)一個分立電感，可以在一定程度上抵消容抗，增大眼圖開度。如果增加足夠大的電感，補(bǔ)償器件電容以及電路板其它寄生電容的影響，從而峰化240MHz的三次諧波，就不會對低頻信號有太多影響，并且可以提高系統(tǒng)性能。假定MAX4906EF和電路板電容總計(jì)為12pF，需要峰化500MHz的響應(yīng)時，串聯(lián)一個很小的電感即可滿足要求。
通過在電路上串聯(lián)一個小電感(5nH到15nH)，即可提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性。小電感、低Q值即可獲得較寬的峰頂，小電感對基頻幾乎沒有影響。
Maxim通過仿真確定外加電感對系統(tǒng)響應(yīng)的影響。利用MATLAB?軟件生成模擬USB信號的偽隨機(jī)代碼，提供信號源和負(fù)載端接。測試結(jié)果非常好，眼圖左側(cè)增加了裕量，這是最難通過眼圖模板測試的部分。圖2所示是在電容為12pF、沒有串聯(lián)電感的情況下，MAX4906EF生成的眼圖。
圖2. MAX4906EF生成的眼圖，12pF電容、沒有串聯(lián)電感
系統(tǒng)能夠“通過”眼圖模板的測試，但很困難，左側(cè)第1測試點(diǎn)幾乎沒有任何裕量，上升時間從信號的50%到100%明顯變緩，下降時間(右側(cè))從0到50%非?？臁軸為一個UI或2083ps，圖中第1測試點(diǎn)與眼圖起始位置相距0.375 UI或780ps。這一點(diǎn)眼圖開度必須大于300mV或幅度的75%。如果電路板電容稍微增大一點(diǎn)，或器件電容不是12pF，而是15pF，那么系統(tǒng)就無法通過眼圖測試。圖3所示仿真結(jié)果是在器件串聯(lián)了18nH的情況下測試的。
圖3. 串聯(lián)18nH后MAX4906EF生成的眼圖
MAX4906EF串聯(lián)18nH電感后，較難通過測試的第1點(diǎn)有了更多空間。通過這個電感，高頻峰化很明顯，而且信號強(qiáng)度也有所增加。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，設(shè)計(jì)者根據(jù)具體電路板，可以通過實(shí)驗(yàn)在10nH到20nH間選取電感值。
圖4. 構(gòu)建USB 2.0開關(guān)的完整電路圖，本電路經(jīng)過安裝與測試，可以明顯提高系統(tǒng)性能，實(shí)際測試結(jié)果與仿真結(jié)果非常類似
結(jié)論
為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，寬帶高頻電路在實(shí)際設(shè)計(jì)常常會遇到一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，不合理的電路板布線會增大電容，造成系統(tǒng)工作混亂并降低USB通信的性能。本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了利用MAX4906EF實(shí)現(xiàn)USB 2.0兼容*開關(guān)系統(tǒng)的電路。在電路上增加一個串聯(lián)電感，就能夠以很低成本峰化高頻響應(yīng)。從電路的本質(zhì)上講，電感值并不需要很精確，數(shù)值在±20%范圍內(nèi)即可。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以添加分立的電感或在電路板上用蛇形走線模擬所需要的電感，此
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