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USB終端およびシグナルインテグリティ計算ツール

USB 2.0およびUSB 3.0のUSBバス終端抵抗値、差動インピーダンス、ケーブル伝搬遅延、信号立ち上がり時間、アイオープンを計算

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公式

R_term = Z₀; t_pd = L/v_prop

R_term— 終端抵抗 (Ω)

Z₀— 特性インピーダンス (Ω)

t_pd— 伝播遅延 (ns)

v_prop— 信号伝播速度 (~0.2c) (m/s)

仕組み

このカリキュレータは、高速（480 Mbps）、スーパースピード（5 Gbps）、およびスーパースピード+（10〜20 Gbps）のデータレートにおけるシグナルインテグリティのUSB差動終端抵抗値を求めます。PCB 設計者やハードウェアエンジニアは、これを使用して USB-IF コンプライアンス要件を満たします。USB 2.0仕様のセクション7.1.2（ユニバーサル・シリアル・バス仕様改訂2.0、USB実装者フォーラム）およびIEC 62680-1-2（データおよび電源用のユニバーサル・シリアル・バス・インターフェース — パート1-2：共通コンポーネント — USB給電仕様）によると、高速モードでは90オーム（+/ -15%）の差動インピーダンスが必要で、各データラインの接地には45Ωの終端が必要です。USB 3.2 (スーパースピード) は、USB 3.2 仕様セクション 6.5.2 に従い 85 オームの差動インピーダンスを規定しています。適切な終端処理を行わないと、インピーダンスの不連続点での信号反射によってアイダイアグラムが閉じます。USB-IF テストでは、目の高さが 150 mV (HS) または 100 mV (SS) 未満のデバイスは拒否されます。10 cm の終端処理されていない USB 3.0 トレースでは、5 Gbps で 30% のアイ・クロージャが見られますが、42.5 オームで適切に終端すると 5% 未満に減少します。USB レシーバにはグランドに 45 Ω のオンダイ終端 (ODT) がありますが、コネクタインタフェースのインピーダンスマッチングには外付けの直列抵抗 (通常は 22 ～ 33 Ω) が必要です。

計算例

USB 3.2 Gen 2 (10 Gbps) ハブの設計では、8 cm のスーパースピードトレースを備えた 4 層 PCB の終端計算が必要です。USB 3.2 仕様のセクション 6.5.2.1 によると、目標差動インピーダンス = 85 オーム (+/ -15%)。トレースジオメトリ (1 オンスの銅、5 ミルトレース、8 ミル FR4 に 5 ミルスペース): 計算された Z_diff = 90 オーム。直列終端抵抗:R_シリーズ = (90-85) /2 = 1ラインあたり2.5オーム最も近い標準値：2.7 オーム（E96 シリーズ）に丸めます。TUSB1002リドライバ（オンダイ終端42.5オーム）の場合：合計終端は、USB 3.2の要件に一致し、1行あたりのグランドまでの終端合計は42.5オームです。アイ・ダイアグラム・シミュレーションでは、10 Gbps でアイの高さが 180 mV で、80% のマージンで 100 mV の最小値を超えていることが示されています。

実践的なヒント

✓USB-IF PCB設計ガイドラインに従い、22～33Ωの直列終端抵抗をUSBコネクタから500ミル（12.7 mm）以内に配置して、コネクタの反射を吸収してください
✓USB 2.0ハイスピードの場合は、トレースインピーダンスを90オーム +/ -10% (81-99オーム) 以内に維持して、USB-IFコンプライアンステストのアイマスクに合格してください
✓SuperSpeed終端には0402以下のSMD抵抗を使用して、寄生インダクタンスを0.5nH未満に最小限に抑えます（5Gbps以上では重要）

よくある間違い

✗直列終端抵抗を完全に省き、オンダイ終端のみを使用する。これにより、高速およびコンプライアンス障害時にアイクロージャが15～ 25% 発生する
✗スーパースピード終端に0805パッケージの抵抗を使用。1～2nHの寄生インダクタンスにより、10Gbpsで10dBの挿入損失が発生します
✗長さが一致しないUSB 3.x TXおよびRXペアをルーティングすると、5mmのミスマッチにより50psのスキューが発生し、USB 3.2の30psの仕様制限を超えます

よくある質問

なぜUSB終端が重要なのか？

USB 2.0/3.2の仕様では、終端処理により受信機のアイダイアグラムを閉じる信号反射が防止されます。480 Mbps では、10% のインピーダンスのミスマッチにより 20 mV の反射が発生しますが、これは許容範囲内です。10 Gbps では、同じミスマッチによって 100 ps のシンボル間干渉が発生し、アイオープニングが 100 mV のコンプライアンスしきい値を下回るようになります。

USBの標準終端インピーダンスはどのくらいですか？

USB 2.0:1ラインあたりグランド対グラウンド間45オーム (90オームの差動)USB 3.x: 1ラインあたりのグランド対グラウンド間は42.5オーム (85オームの差動)。これらの値は、準拠トランシーバーのオンダイ終端によって提供されます。外付けの直列抵抗 (22～33 Ω) は、コネクタとトレースのインピーダンスの変動に対応します。

正しい終端抵抗を選ぶにはどうすればいいですか？

計算:R_Series = (Z_Trace-Z_Target)/2.90 オームをターゲットとする 100 オームのトレースの場合、R_Series = 1 行あたり 5 オーム。1% の許容誤差の抵抗 (USB 3.x の場合は 0.402 以下) を使用してください。TDR 測定により、レシーバの合計インピーダンスが仕様の範囲内にあることを確認します (USB 2.0 では +/ -15%、USB 3.x では +/ -15%)。

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