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　　USB Type-C具有尺寸小、正反都能插、速度快等優(yōu)點(diǎn)，一面世便受到了消費者的普遍喜愛(ài)，可以說(shuō)代表了USB接口發(fā)展的未來(lái)方向。

　　采用USB Type-C的設備可實(shí)現更快的數據傳輸速率(快2.5倍)，以及更快的充電速度(達100W)。但要想讓Type-C成為電子產(chǎn)品的“通用”標配，高速數字器件設計師們還面臨著(zhù)諸多的挑戰。

　　對于數字設計工程師而言，USB Type-C是一個(gè)更具有挑戰性的架構，主要是因為對數字信號的上升時(shí)間要求極高。同時(shí)由于高密度可逆連接器的體積較小，使設計工程師在基礎物理層設計時(shí)遇到互操作性意外問(wèn)題的幾率增加。采用測量和仿真進(jìn)行充分調試，并對性能控制互聯(lián)特性和制造公差進(jìn)行檢定，可以避免上述問(wèn)題。

　　本文對整個(gè)測量和仿真過(guò)程的每一個(gè)步驟均進(jìn)行了說(shuō)明，信號完整性工程師可以借此確保其對USB Type-C器件的設計取得成功。其中涉及到仿真/測試的基礎性?xún)热?，包括處理S參數(散射參數)所使用的一些竅門(mén)和技巧。

　　USB Type-C的優(yōu)勢

　　增加電性能的一種簡(jiǎn)單方式是使東西的體積更小。與更長(cháng)的設備相比，通過(guò)特有的非均勻介質(zhì)系統可實(shí)現更短的電延遲，所產(chǎn)生的損耗也更少，例如，印刷電路板微帶傳輸線(xiàn)。與其他常用消費性連接器相比，USB Type-C連接器的體積更小，從而實(shí)現更低的損耗和更高的帶寬。

　　同時(shí)，在避免串擾和電磁干擾(EMI)問(wèn)題時(shí)，更高的密度會(huì )在連接器和PCB(印刷電路板)上維持傳輸線(xiàn)阻抗時(shí)產(chǎn)生新的問(wèn)題。參看USB Type-C插座和USB Type-C插頭(圖1)。當數據速率達到10-Gb/s時(shí)，多個(gè)脈沖寬度為100ps的存儲單元會(huì )占據發(fā)送器和接收器之間的通路。通路中的任何阻抗問(wèn)題，以及每個(gè)上升沿和下降沿，都會(huì )導致多次反射和耦合。多次反射使整個(gè)鏈路連接電路的調試變得困難。 

　　圖1 此處所示測試配置采用10個(gè)二端口PXI(面向儀器系統的PCI擴展)

　　VNA(矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀)卡，以及小圖中的二個(gè)特殊測試夾具。左側標有“l(fā)ux”的夾具是USB Type-C插座，右側標有“n70515a”的夾具是USB Type-C的插頭

　　為了簡(jiǎn)化調試流程，有一點(diǎn)非常重要，即工程師需能夠對USB 物理層鏈路的第一個(gè)組件進(jìn)行仿真和測量，并確定哪一個(gè)組件未達到性能要求。通常，在對USB Type-C主機，設備或電纜進(jìn)行測量時(shí)，必須使用先進(jìn)的測量誤差校正技術(shù)對測量夾具進(jìn)行準確去嵌入。另外，仿真和測量的關(guān)聯(lián)性有助于減輕復雜物理層結構所導致的問(wèn)題，為改善其關(guān)聯(lián)性對組件的準確測量同樣可使建模和仿真受益。

　　物理層的測量方式

　　線(xiàn)性無(wú)源互連(例如USB Type-C物理層中所使用的)通常采用兩種類(lèi)型的刺激/響應測試設備進(jìn)行檢定：在時(shí)域內，使用時(shí)域反射儀(TDR);在頻域內，使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)。不論主機儀器收集時(shí)域數據，還是收集頻域數據，一個(gè)域的數據設置都會(huì )被傳輸至另一域數據中，采用的是簡(jiǎn)單的算法(例如，傅里葉變換或傅里葉逆變換);采用專(zhuān)門(mén)的信號完整性軟件(例如，Keysight的物理層測試系統，或PLTS軟件)可使數字和微波工程師更容易完成上述域轉換。

　　大多數信號完整性應用可以通過(guò)基本的四端口測量(兩個(gè)端口在外，兩個(gè)端口在內)解決，還有一些更先進(jìn)的工具可以讓工作變得更加容易，并可以對被測試器件(DUT)性能了解的更多。我們所使用的20端口PXI框架的VNA即是如此;針對上述USB Type-C通道所進(jìn)行的20端口數據集測量?jì)H用時(shí)兩分鐘。

　　采用此方式所收集的大量數據被儲存為標準格式的Touchstone文件，該文件可隨后導入SI專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行分析。20端口的測量產(chǎn)生20×20的S參數矩陣，在單個(gè)域中具有超過(guò)400個(gè)曲線(xiàn)。將其乘以域(時(shí)間和頻率)和拓撲(單端或差分)的數量可能產(chǎn)生大量的數據。嘗試手動(dòng)管理如此多的測量數據是一場(chǎng)噩夢(mèng)，但用前述的PLTS軟件處理則容易多了。

　　正確分析后，通過(guò)所獲得的元數據集可以對高速數字通道了解的更加深入?？梢猿浞謾z定差分插入損耗、差分回波損耗、阻抗分布、眼圖、近端和遠端串擾、模式轉換和具有預加重和均衡的信道優(yōu)化。

　　測量竅門(mén)和技巧

　　如圖1所示，VNA設置包括一個(gè)外圍組件互連擴展(PCI-X)機箱，具有可滑動(dòng)進(jìn)出的模塊，用于可擴展的測試功能。一個(gè)嵌入式控制器和10個(gè)VNA模塊(每個(gè)模塊為兩端口VNA)構成一個(gè)20端口VNA。VNA模塊測量范圍為300 kHz至26.5 Hz，提供出色的速度，高動(dòng)態(tài)范圍，低跟蹤噪聲和持續穩定性，以及可提高USB Type-C測量的精度。

　　測試電纜扇出到被測通道——在此情況下，由一個(gè)USB Type-C插座測試夾具和一個(gè)USB Type-C插頭組件構成。每條測試電纜末端的藍色膠帶用于固定測試電纜以增加校準精度。使用的校準是未知穿透法(也稱(chēng)為交互穿透法)，并且該膠帶可確保電纜在DUT的校準和測量過(guò)程中不移動(dòng)。這是一種眾所周知的竅門(mén)，這種方法可以使靈敏校準中的相移最小化，從而獲得最大精度。

　　進(jìn)行多端口測量時(shí)，需花些時(shí)間按照一定的邏輯標記S參數數據集的每個(gè)端口，這種方法也非常有用。而且，這種方法還有助于重新映射端口，以便分析軟件可以輕松使用默認設置。

　　1到2，3到4通道拓撲，用于直接繪制混合模式參數(圖2)。在需要的情況下，SI工具使單端和差分端口映射和重新排序實(shí)現可視化變得更加容易，在處理大數據集時(shí)，擁有一個(gè)SI工具可以節省大量時(shí)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)的數據傳輸通路。將VNA的端口清晰地映射到夾具和DUT，可以確保完全理解對被測試器件(DUT)性能的分析

　　差分S參數

　　USB物理層使用差分信號，差分信號可包含差分對的p(+)和n(-)通路之間的大量耦合。這需要使用混合模式參數來(lái)正確分析Tx和Rx通道的性能。為了快速了解S參數的更新，圖3給出了多模式S參數的4x4矩陣。對這個(gè)16元素S參數矩陣的解釋并非沒(méi)有意義，這對一次分析一個(gè)象限是有幫助的。

　　圖3 與理想矩陣相比，測量S參數矩陣的每個(gè)象限，可以更多地了解被測試器件(DUT)的性能

　　左上方的第一象限被定義為描述被測試設備的差分刺激和差分響應特性的參數。這是大多數高速差分互連的實(shí)際工作模式，通常是最有用的象限，因此會(huì )被首先進(jìn)行分析。

　　第四象限位于右下方，描述了通過(guò)被測器件傳播的公用信號的性能特性。如果器件設計正確，則應進(jìn)行最小模式轉換，那么，第四象限數據也變得不重要了。但是，如果由于設計缺陷，而需進(jìn)行任何模式轉換，則第四象限將說(shuō)明該公用信號的行為方式。

　　第二和第三象限分別位于圖3右上方和左下方，這兩個(gè)象限對于工程師分析來(lái)說(shuō)是最令人感興趣的象限。這兩個(gè)象限也被稱(chēng)為混合模式象限，因為它們可以完全檢定在被測試器件中發(fā)生的任何模式轉換，無(wú)論是共模-差模轉換(EMI敏感性)還是差模-共模轉換(EMI輻射)。在嘗試優(yōu)化千兆位數據吞吐量的互連設計時(shí)，了解模式轉換的幅度和位置非常有用。

　　在本文第一部分中，我們了解了差分S參數背后的基本概念?，F在我們可以開(kāi)始研究多通道Touchstone文件中的大量信息(圖4)。雖然起初看起來(lái)很復雜，但有一些基本的分析方法可以重復使用，并且可以獲得非常成功的結果。我們現在將討論一些分析的竅門(mén)和技術(shù)，這些竅門(mén)和技術(shù)是了解器件性能最快捷的方式。

　　圖4 在位于左上位置的20端口.s20p Touchstone文件象限中，可以一次查看400個(gè)S參數，或一次查看多個(gè)曲線(xiàn)圖

　　完美的對稱(chēng)

　　大型多通道S參數文件分析的第一階段中的一個(gè)步驟是使用時(shí)域。VNA S參數測量可以用快速傅里葉逆變換(IFFT)函數來(lái)修改，以提取TDD11時(shí)域參數，該時(shí)域參數被描述為電阻對時(shí)間的阻抗曲線(xiàn)，其中時(shí)間表示距離(信號傳播和電阻變化或不連續反射所花費的時(shí)間)。

　　為什么這種方式優(yōu)于使用SDD11頻域數據?因為頻域不能提供任何空間信息。而在時(shí)域中，可以快速定位壞的電纜、開(kāi)路、短路和其他異常的位置。對于保存數據之前的測量設置，在對其進(jìn)行“健全性檢查”時(shí)，繪制所有差分通道的差分阻抗曲線(xiàn)是一種快速方式。

　　所有差分通道(圖5)的曲線(xiàn)圖顯示出所有正向和逆向阻抗曲線(xiàn)波形之間存在完美的對稱(chēng)。因為我們已經(jīng)自動(dòng)正向和逆向測量了每個(gè)通道，因此會(huì )顯示大量的鏡像波形。這就是擁有高端口計數儀器的好處。

　　圖5 所有差分通道的曲線(xiàn)圖顯示出所有正向和逆向阻抗曲線(xiàn)波形之間存在完美的對稱(chēng)

　　右上方的波形圖例表明我們已經(jīng)繪制了TDD11到TDD88的波形。TDD11通道的正向差分阻抗曲線(xiàn)與TDD22完全相同，除了TDD22只是逆向差分阻抗曲線(xiàn)。所以這兩種測量曲線(xiàn)應為對稱(chēng)，事實(shí)的確如此。其余的曲線(xiàn)對也是如此。

　　正向和逆向通道阻抗曲線(xiàn)

　　分析數據通道的下一步是對位于中間的USB Type-C連接器進(jìn)行空間定位(我們知道它在中間附近，但需知道其確切的位置)。為此，我們再次查看時(shí)域數據，并在我們物理斷開(kāi)兩個(gè)夾具后對通道進(jìn)行簡(jiǎn)單地測量。當斷開(kāi)兩個(gè)夾具時(shí)，我們會(huì )看到一個(gè)夾具的阻抗曲線(xiàn)終止于一個(gè)開(kāi)路。當定位到連接器位置時(shí)，可以看到無(wú)限阻抗的位置突然出現垂直線(xiàn)(圖6)。

　　圖6 當夾具斷開(kāi)時(shí)，垂直的紅線(xiàn)表示開(kāi)路。這表明每個(gè)夾具結束和開(kāi)始的位置

　　為了驗證和仔細檢查我們的工作，我們會(huì )看到斷開(kāi)夾具的具有相同的阻抗曲線(xiàn)，但現在從另一個(gè)方向來(lái)看(圖7)。正如我們之前所提到的，TDD22只是TDD11通道的逆向阻抗曲線(xiàn)。就在一個(gè)夾具結束和開(kāi)始的位置，我們可以看到相同的垂直紅線(xiàn)。很明顯，在看這兩個(gè)TDD11和TDD22波形時(shí)，這兩個(gè)夾具彼此完全不同。

　　圖7 通過(guò)將此圖與圖6進(jìn)行比較，可以看出兩個(gè)夾具不同之處

　　測量通道

　　過(guò)去，通常使用兩種方法來(lái)消除測量夾具對被測試器件或DUT的影響(圖8)。

　　圖8 為了準確測量被測試器件(DUT)，必須首先移除夾具的影響

　　第一種方法是使用電磁仿真器對夾具進(jìn)行建模，并使用仿真的S參數結果來(lái)去嵌入夾具的影響。但為夾具建立一個(gè)準確的模型需要一些時(shí)間。第二個(gè)技巧是在用于建造夾具的同一塊PCB上建立一個(gè)校準用標準。

　　這些傳統的校準方法是將基準面放置在夾具PCB上可放置定制標準的位置。類(lèi)似TRL的校準用標準在基準面上需要一個(gè)TEM模式;也就是說(shuō)，機械結構反映在基準面上。此種類(lèi)型校準的最終結果通常使匹配的連接器性能作為DUT的一部分，例如，USB主機、電纜或設備?？梢詮娜窂綔y量中移除夾具，以獲得DUT的S參數，其中包括匹配連接器的性能(圖9)。這通常是所期望的結果，因為通道中這些不同組件的供應商需要表明他們的產(chǎn)品可以與匹配的連接器兼容。

　　圖9 雖然可以從全路徑測量中移除夾具，以獲得包含匹配連接器性能的DUT的S參數，但是為了提供正確的通道延遲，需要采用什么類(lèi)型的校準將基準面放置在匹配的連接器中呢?

　　盡管在DUT中包括匹配的連接器，對于檢定和比較通道中不同組件的性能非常有效，但是當將組件級聯(lián)在仿真中以與測量的全路徑性能進(jìn)行比較時(shí)，則存在困難。對于觀(guān)察者而言，顯而易見(jiàn)的是，應當在匹配表面處分開(kāi)匹配的連接器，并且僅留下插頭或插座作為DUT的一部分。而難題就在于，采用什么類(lèi)型的校準將基準面放置在匹配連接器的中呢?

　　自動(dòng)夾具移除

　　幾年前引入了一種相對較新的技術(shù)，該技術(shù)被稱(chēng)為自動(dòng)夾具移除(AFR)，只需要一個(gè)校準用標準，而不是像TRL需要多個(gè)標準。該標準可以是一個(gè)背對背2x夾具直通路徑，或在某些情況下，只是一個(gè)開(kāi)放的1x夾具結構。直通路徑只是所連接夾具的左半部分和右半部分，并且不包含DUT。此處進(jìn)行了一個(gè)大膽假設，即直通路徑必須是對稱(chēng)的。在采用USB Type-C連接器的情況下，由于插座不能與另一插座匹配，因此難以建立一個(gè)背對背直通路徑。

　　圖10 通過(guò)比較傳統的TRL校準結構(左)和使用AFR技術(shù)(右)的校準結構，AFR采用第二層AFR校準將測量基準面移到最終位置

　　1端口A(yíng)FR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠將基準面自動(dòng)放置在Type-C插頭和插座所需匹配表面上(圖11)。這樣可以獲得在仿真中級聯(lián)的主機、電纜或設備的S參數行為模型，從而改進(jìn)仿真-測量的相關(guān)性，并且具有精確的電延遲。

　　圖11 1端口A(yíng)FR技術(shù)能夠將基準面自動(dòng)放置在Type-C插頭和插座的匹配表面上

　　每個(gè)組件的電延遲可以利用頻域中的群延遲或時(shí)域中脈沖響應到達的峰值來(lái)測量(圖12)。通過(guò)1端口A(yíng)FR對插頭時(shí)間延遲和插座時(shí)間延遲的測量，可獲得對插入在一起的兩個(gè)夾具所測量的全路徑時(shí)間延遲。

　　圖12 通過(guò)1端口A(yíng)FR對插頭時(shí)間延遲和插座時(shí)間延遲的測量，可獲得對插入在一起的兩個(gè)夾具所測量的全路徑時(shí)間延遲