改善USB 2.0開(kāi)關(guān)系統的響應特性
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概述
許多USB系統需要復用端口，但并不需要所有端口同時(shí)工作。比如，某個(gè)消費類(lèi)產(chǎn)品在前、后面板上都有用來(lái)讀取存儲器的端口，但在某個(gè)時(shí)間只使用一個(gè)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(kāi)關(guān)，因為它只需要極低的功耗(幾乎為零)，并且不會(huì )在器件和互聯(lián)設備間引入額外的電平。本應用筆記介紹如何利用MAX4906EF實(shí)現USB 2.0兼容*的開(kāi)關(guān)系統。
USB 2.0兼容性
USB 2.0 (高速USB)要求數據速率達到480Mbps，并且系統為了保證兼容性還需通過(guò)眼圖測試。眼圖顯示了D+和D-信號線(xiàn)的傳輸有效性，圖形類(lèi)似于人的眼睛。圖1提供了一個(gè)USB2.0規范要求的眼圖模板，如果器件輸出通過(guò)了眼圖測試，那么這個(gè)系統就符合規范要求。*
圖1. 通用串行總線(xiàn)規范版本2.0所要求的眼圖模板(參見(jiàn)規范中的圖7–13)
假定被測系統在電路板上有一個(gè)開(kāi)關(guān)，輸出端有一個(gè)連接器，那么，信號眼圖必須落在眼圖模板之外。眼睛的開(kāi)度是±400mV，容許2dB的輕微損耗。MAX4906EF USB 2.0開(kāi)關(guān)具有低至0.5dB的頻率損耗，對眼圖開(kāi)度沒(méi)有影響。
下一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是系統帶寬，左右兩側的斜線(xiàn)給出了系統容許的上升、下降時(shí)間。D+ (同相數據)信號必須通過(guò)并且不能接觸到六邊形。由于系統基本上是個(gè)RC濾波器，所以初看上去很容易計算。如果假定系統有良好的45Ω匹配(根據USB規范)，并且采用雙端接，信號將類(lèi)似于：
V = V0 × (1 - e-t/RC)，其中R = 22.5
D+曲線(xiàn)需要顯示出從V = 50%至V = 100%的軌跡；根據規范要求，最左側點(diǎn)是7.5% UI (單位間隔)或(0.075) × 2.08ns，或156ps。
將MAX4906EF應用在一塊理想的電路板時(shí)，它可以達到這些要求，很容易通過(guò)眼圖測試。
非理想電路板引入的電容問(wèn)題
當系統設計人員將MAX4906EF放置在一塊非理想的電路板時(shí)，也許會(huì )出現一些問(wèn)題。通常設計人員無(wú)權決定使用何種類(lèi)型的電路板，這由采購人員決定，或取決于系統中的其它電路板。如果設計人員對諸如材料、板層厚度、電路板的介電常數等提出約束條件，就會(huì )導致成本過(guò)高，或無(wú)法按時(shí)交付使用。所以設計人員幾乎沒(méi)有選擇余地，只能利用公司已經(jīng)使用的電路板類(lèi)型。理想情況下，電路板可以提供很好的傳輸線(xiàn)。如果板層厚度可以控制，而且可以完全指定線(xiàn)寬和線(xiàn)間距，可以得到近乎于理想的傳輸線(xiàn)引線(xiàn)。對于高頻電路板設計難度較大，具有一些特殊要求：走線(xiàn)需要有4mil (0.1mm)的厚度、5mil (0.125mm)的寬度、間隔5mil。幾乎所有PCIe?板都由介電常數約等于4.4的FR4材料制成。如果不是板層很厚或者引線(xiàn)很寬，幾乎不可能得到真正的90Ω到100Ω的平衡傳輸線(xiàn)。
電路板設計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(xiàn)采用一般間距(10mil至20mil)，引線(xiàn)的特征阻抗將遠遠高于期望值，達到180Ω (幾乎是目標值的兩倍)。如果引線(xiàn)很短( ?λ)，這些引線(xiàn)將會(huì )增大系統電容。
構建USB 2.0兼容*開(kāi)關(guān)
由于采用了堅固的輸入架構，MAX4906EF具有±15kV HBM (人體模式) ESD保護。即使該結構增大了器件電容，但省去了二極管或其它ESD抑制器件，有效降低了系統的總成本。由于沒(méi)有加入其它器件，通常還會(huì )降低系統的總體電容。我們知道MAX4906EF在理想單板上通過(guò)了眼圖測試，但是對于很多標準電路板，眼圖開(kāi)度可能不理想。低成本MAX4906EF具有較高的ESD保護，能夠滿(mǎn)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(lái)提高系統的響應特性。
在器件上串聯(lián)一個(gè)分立電感，可以在一定程度上抵消容抗，增大眼圖開(kāi)度。如果增加足夠大的電感，補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(huì )對低頻信號有太多影響，并且可以提高系統性能。假定MAX4906EF和電路板電容總計為12pF，需要峰化500MHz的響應時(shí)，串聯(lián)一個(gè)很小的電感即可滿(mǎn)足要求。
通過(guò)在電路上串聯(lián)一個(gè)小電感(5nH到15nH)，即可提高系統的響應特性。小電感、低Q值即可獲得較寬的峰頂，小電感對基頻幾乎沒(méi)有影響。
Maxim通過(guò)仿真確定外加電感對系統響應的影響。利用MATLAB?軟件生成模擬USB信號的偽隨機代碼，提供信號源和負載端接。測試結果非常好，眼圖左側增加了裕量，這是最難通過(guò)眼圖模板測試的部分。圖2所示是在電容為12pF、沒(méi)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(méi)有串聯(lián)電感
系統能夠“通過(guò)”眼圖模板的測試，但很困難，左側第1測試點(diǎn)幾乎沒(méi)有任何裕量，上升時(shí)間從信號的50%到100%明顯變緩，下降時(shí)間(右側)從0到50%非?？?。x軸為一個(gè)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(kāi)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，那么系統就無(wú)法通過(guò)眼圖測試。圖3所示仿真結果是在器件串聯(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(guò)測試的第1點(diǎn)有了更多空間。通過(guò)這個(gè)電感，高頻峰化很明顯，而且信號強度也有所增加。為了實(shí)現最佳性能，設計者根據具體電路板，可以通過(guò)實(shí)驗在10nH到20nH間選取電感值。
圖4. 構建USB 2.0開(kāi)關(guān)的完整電路圖，本電路經(jīng)過(guò)安裝與測試，可以明顯提高系統性能，實(shí)際測試結果與仿真結果非常類(lèi)似
結論
為了達到標準要求，寬帶高頻電路在實(shí)際設計常常會(huì )遇到一些設計挑戰，不合理的電路板布線(xiàn)會(huì )增大電容，造成系統工作混亂并降低USB通信的性能。本應用筆記詳細介紹了利用MAX4906EF實(shí)現USB 2.0兼容*開(kāi)關(guān)系統的電路。在電路上增加一個(gè)串聯(lián)電感，就能夠以很低成本峰化高頻響應。從電路的本質(zhì)上講，電感值并不需要很精確，數值在±20%范圍內即可。系統設計者可以添加分立的電感或在電路板上用蛇形走線(xiàn)模擬所需要的電感，此
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