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Rechner für USB-Abschluss und Signalintegrität

Berechnen Sie die Werte für den USB-Bus-Abschlusswiderstand, die Differenzimpedanz, die Kabelausbreitungsverzögerung, die Signalanstiegszeit und die Augenöffnung für USB 2.0 und USB 3.0

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Formel

Rterm=Z0;tpd=L/vpropR_term = Z₀; t_pd = L/v_prop
R_term— Abschlusswiderstand (Ω)
Z₀— charakteristische Impedanz (Ω)
t_pd— Ausbreitungsverzögerung (ns)
v_prop— Signalausbreitungsgeschwindigkeit (~0,2c) (m/s)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner bestimmt die Werte für den USB-Differenzabschlusswiderstand für die Signalintegrität bei Hochgeschwindigkeitsdatenraten (480 Mbit/s), SuperSpeed (5 Gbit/s) und SuperSpeed+ (10-20 Gbit/s). Leiterplattendesigner und Hardwareingenieure verwenden ihn, um die USB-IF-Konformitätsanforderungen zu erfüllen. Gemäß Abschnitt 7.1.2 der USB 2.0-Spezifikation (Universal Serial Bus Specification Revision 2.0, USB Implementers Forum) und IEC 62680-1-2 (Universal Serial Bus Interfaces für Daten und Stromversorgung — Teil 1-2: Allgemeine Komponenten — USB Power Delivery-Spezifikation) erfordert der Hochgeschwindigkeitsmodus eine Differenzimpedanz von 90 Ohm (+/ -15%) mit einem 45-Ohm-Abschluss zur Masse an jeder Datenleitung. USB 3.2 (SuperSpeed) spezifiziert eine Differenzimpedanz von 85 Ohm gemäß Abschnitt 6.5.2 der USB 3.2-Spezifikation. Ohne einen ordnungsgemäßen Anschluss führen Signalreflexionen an Impedanzdiskontinuitäten dazu, dass das Augendiagramm geschlossen wird. Bei USB-IF-Tests werden Geräte mit einer Augenhöhe unter 150 mV (HS) oder 100 mV (SS) abgewiesen. Eine 10 cm lange USB-3.0-Leiterbahn weist bei 5 Gbit/s einen Augenschluss von 30% auf, während ein ordnungsgemäßer 42,5-Ohm-Anschluss diesen Wert auf unter 5% reduziert. Der USB-Empfänger verfügt über einen On-Die-Anschluss (ODT) von 45 Ohm zur Masse, für die Impedanzanpassung an der Steckverbinderschnittstelle sind jedoch externe Serienwiderstände (in der Regel 22-33 Ohm) erforderlich.

Bearbeitetes Beispiel

Ein USB 3.2 Gen 2-Hub-Design (10 Gbit/s) erfordert eine Terminierungsberechnung für eine 4-lagige Leiterplatte mit 8 cm SuperSpeed-Leiterbahnen. Gemäß Abschnitt 6.5.2.1 der USB 3.2-Spezifikation: Differenzielle Zielimpedanz = 85 Ohm (+/ -15%). Leiterbahngeometrie (1 Unze Kupfer, 5 mil Leiterbahn, 5 mil Abstand auf 8 mil FR4): Berechneter Z_Diff = 90 Ohm. Reihenabschlusswiderstände: R_Series = (90 - 85)/2 = 2,5 Ohm pro Leitung. Auf den nächsten Standardwert gerundet: 2,7 Ohm (Serie E96). Mit TUSB1002-Redriver (On-Die-Anschluss 42,5 Ohm): Gesamtanschluss = 42,5 Ohm gegen Masse pro Leitung, entspricht den Anforderungen von USB 3.2. Die Simulation des Augendiagramms zeigt eine Augenhöhe von 180 mV bei 10 Gbit/s und überschreitet damit den Mindestwert von 100 mV mit einer Marge von 80%.

Praktische Tipps

  • ✓Platzieren Sie gemäß den Richtlinien für das Design von USB-IF-PCB-Anschlüssen die Abschlusswiderstände der Serie 22-33 Ohm in einem Abstand von 500 mil (12,7 mm) vom USB-Anschluss, um die Reflexionen des Steckers zu absorbieren
  • ✓Halten Sie bei USB 2.0-High-Speed die Leiterbahnimpedanz innerhalb von 90 Ohm +/ -10% (81-99 Ohm), um die USB-IF-Konformitätsprüfung der Augenmaske zu bestehen
  • ✓Verwenden Sie 0402 oder kleinere SMD-Widerstände für den SuperSpeed-Abschluss, um die parasitäre Induktivität unter 0,5 nH zu minimieren (kritisch über 5 Gbit/s)

Häufige Fehler

  • ✗Der vollständige Verzicht auf Reihenabschlusswiderstände erfolgt ausschließlich auf den Anschluss am Chip. Dadurch schließen sich die Augen bei hoher Geschwindigkeit um 15-25% und bei Nichteinhaltung der Konformität
  • ✗Verwendung von 0805-Paketwiderständen für den SuperSpeed-Abschluss — die parasitäre Induktivität von 1-2 nH verursacht eine Einfügedämpfung von 10 dB bei 10 Gbit/s
  • ✗Routing von USB 3.x TX- und RX-Paaren mit nicht übereinstimmenden Längen — eine Abweichung von 5 mm führt zu einer Abweichung von 50 ps und überschreitet damit die USB 3.2-Spezifikationsgrenze von 30 ps

Häufig gestellte Fragen

Gemäß den USB 2.0/3.2-Spezifikationen verhindert die Terminierung Signalreflexionen, die das Augendiagramm des Empfängers schließen. Bei 480 Mbit/s verursacht eine Impedanzfehlanpassung von 10% eine Reflexion von 20 mV — tolerierbar. Bei 10 Gbit/s verursacht dieselbe Fehlanpassung eine Interferenz von 100 ps zwischen den Symbolen, wodurch die Augenöffnung unter den Grenzwert von 100 mV sinkt.
USB 2.0:45 Ohm gegen Masse pro Leitung (90 Ohm Differenz). USB 3.x: 42,5 Ohm gegen Masse pro Leitung (85 Ohm Differenz). Diese Werte werden in kompatiblen Transceivern durch On-Die-Terminierung bereitgestellt. Externe Serienwiderstände (22-33 Ohm) passen sich den Schwankungen der Stecker- und Leiterbahnimpedanz an.
Berechne: R_Series = (Z_Trace - Z_Target)/2. Für eine 100-Ohm-Spur, die auf 90 Ohm abzielt: R_Series = 5 Ohm pro Leitung. Verwenden Sie Widerstände mit einer Toleranz von 1% (0402 oder kleiner für USB 3.x). Stellen Sie anhand einer TDR-Messung sicher, dass die Gesamtimpedanz am Empfänger den Spezifikationen entspricht (+/ -15% für USB 2.0, +/ -15% für USB 3.x).

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