关联USB Type-C参考通道的仿真和测量(一)

USB 3.1 Gen 2 Type-C——这意味着更快的数据传输速率（快 2.5 倍）、更快的充电（高达 100 W），并且由于连接器更小，消费电子产品更小——现在刚刚被制造商采用. Type-C 被认为是“通用”选项至少需要几年的时间，而要成为这样，今天的高速数字设备设计人员将需要先进的设备和软件来表征和建模 Type-C 物理层通道。

USB Type-C 是数字设计工程师更具挑战性的架构之一，因为它要承载的数字信号的上升时间极长。再加上这种高密度可逆连接器的小物理尺寸，增加了设计工程师在基础物理层遇到不可预见的互操作性问题的风险。这些问题可以通过利用测量和模拟来充分调试和表征控制性能的互连特性和制造公差来避免。

本文讨论了信号完整性工程师可以遵循的分步过程，以确保他们成功地使用 USB Type-C 设备进行设计。它涉及模拟/测试的基础知识，包括处理 S 参数的一些技巧和技术。

USB Type-C 相比如何？

提高电气性能的一种简单方法是使体积更小。通过典型的非均质电介质系统（例如印刷电路板微带传输线）的较短电延迟本质上将比物理上较长的设备具有更少的损耗。这样一来，比其他常用消费类连接器更小的 USB Type-C 连接器有助于降低损耗和提高带宽。

同时，更高的密度在保持通过连接器和 PCB 上的传输线阻抗同时避免串扰和 EMI 问题方面带来了新的挑战。考虑一个 USB Type-C 插座夹具和一个 USB Type-C 插头夹具（图 1）。在 10 Gbps 数据速率下，可以有多个 100 ps 宽的位占用发送器和接收器之间的路径。路径中的任何阻抗问题都会在每个上升沿和下降沿导致多次反射和耦合。多次反射会使调试完整链路连接变得困难。

图 1：此处显示的测试配置使用一组 10 个双端口 PXI VNA 卡以及插图中显示的两个特殊测试夹具。左侧的灯具称为“lux”，是 USB Type-C 插座灯具，而右侧的灯具称为“n70515a”，是 USB Type-C 插头灯具。

为了简化调试过程，工程师可以模拟和测量 USB 物理层链路中的每个组件，从而确定哪个组件不满足性能要求，这一点很重要。通常，必须使用先进的测量误差校正技术从 USB Type-C 主机、设备或电缆的测量中准确地去除测试夹具。此外，建模和仿真还受益于组件的精确测量，以改善仿真与测量的相关性，这有助于减轻由于具有挑战性的物理层结构而导致的复杂性。

物理层是如何测量的？

线性无源互连，例如 USB Type-C 物理层中的那些，通常具有两种类型的激励/响应测试仪器：在时域中，时域反射计 (TDR)；在频域中，矢量网络分析仪 (VNA)。无论原生仪器采集时域还是频域数据，一个域的数据集都可以通过简单的数学方法（例如傅里叶变换或傅里叶逆变换）转换为另一个域的数据集；专门的信号完整性软件（例如 Keysight 的物理层测试系统或 PLTS 软件）的存在为数字和微波工程师提供了方便，以完成这一领域转换。

虽然大多数信号完整性应用都可以通过基本的四端口测量（两个端口输入和两个端口输出）来解决，但有一些高级工具可以使工作更轻松，并提供对被测设备 (DUT) 性能的更多洞察. 我们使用的基于 PXI 机箱的 20 端口 VNA 就是这种情况；此 USB Type-C 通道的 20 端口数据集测量只用了两分钟多一点。

以这种方式收集的大量数据被存储为标准格式的 Touchstone 文件，随后可以导入 SI 专业软件进行分析。一个 20 端口的测量会产生一个 20 x 20 的 S 参数矩阵，在单个域中有超过 400 个图。将其乘以可能的域（时间和频率）和拓扑（单端或差分）的数量会产生大量数据。试图手动管理如此大量的测量数据是一场噩梦，但可以使用上述 PLTS 软件轻松处理。

如果分析得当，这个元数据集可以前所未有地深入了解高速数字频道。差分插入损耗、差分回波损耗、阻抗曲线、眼图、近端和远端串扰、模式转换以及带有预加重和均衡的通道优化都可以得到充分表征。

质量测量的技巧和技术

如图1 所示，VNA 设置包括一个外围组件互连扩展 (PCI-X) 机箱，其模块可滑入和滑出以实现可扩展的测试能力。一个嵌入式控制器和 10 个 VNA 模块（每个模块是一个双端口 VNA）产生一个 20 端口 VNA。VNA 模块的测量范围为 300 kHz 至 26.5 Hz，并提供出色的速度、高动态范围、低迹线噪声和持久稳定性，以提高 USB Type-C 测量的准确性。

测试电缆扇出到被测通道——在本例中，是一个 USB Type-C 插座测试夹具和一个 USB Type-C 插头组件。每条测试电缆末端的蓝色胶带用于稳定测试电缆以提高校准精度。使用的校准是 Unknown Thru 方法（也称为 Reciprocal Thru 方法），胶带确保电缆在 DUT 的校准和测量之间不会移动。这是一个众所周知的技巧，可以最大限度地减少敏感校准中的相移以实现最大精度。

进行多端口测量时，另一个有用的提示是花一些时间在逻辑上标记 S 参数数据集的每个端口。接下来，它有助于重新映射端口，以便分析软件可以轻松地使用默认的 1 对 2、3 对 4 通道拓扑来直接绘制混合模式参数（图 2）。使用 SI 工具可以轻松可视化单端和差分端口映射并在需要时重新排序，这在处理大型数据集时可以节省大量时间。

图 2：Type-C 支持 USB 2.0（Dp 和 Dn）和 USB 3.1（发送 — TX1p、TX1n、TX2p、TX2n — 和接收 — RX1p、RX1n、RX2p、RX2n）的数据传输路径。将 VNA 的端口清晰地映射到夹具和 DUT 可确保从 DUT 的性能方面充分理解分析。

差分 S 参数

USB 物理层使用差分信号，可以在差分对的 p (+) 和 n (-) 路径之间包含大量耦合。这需要使用混合模式参数来正确分析 Tx 和 Rx 通道的性能。作为 S 参数的快速复习，图 3 显示了混合模式 S 参数的 4 x 4 矩阵。解释这个 16 元素 S 参数矩阵并非易事，因此一次分析一个象限很有帮助。

图 3：与理想矩阵相比，测量的 S 参数矩阵的每个象限都可以说明 DUT 的性能。

左上角的第一象限被定义为描述被测设备的差分激励和差分响应特性的参数。这是大多数高速差分互连的实际操作模式，因此它通常是最有用的象限并首先进行分析。

第四象限位于右下方，描述了通过被测设备传播的公共信号的性能特征。如果设备设计得当，则模式转换应该最少，第四象限数据将无足轻重。但是，如果由于设计缺陷而存在任何模式转换，则第四象限将描述该常见信号的行为方式。

在作者看来，第二和第三象限分别位于图 3的右上和左下，是工程分析中最有趣的象限。这些也称为混合模式象限，因为它们完全表征了被测设备中发生的任何模式转换，无论是共模转换（EMI 敏感性）还是差模转换（EMI 辐射）。在尝试优化互连设计以实现千兆位数据吞吐量时，了解模式转换的幅度和位置非常有帮助。

　　审核编辑：汤梓红