USB 3.1 Gen 2 Type-C——這意味著更快的數據傳輸速率（快 2.5 倍）、更快的充電（高達 100 W），并且由于連接器更小，消費電子產品更小——現在剛剛被制造商采用. Type-C 被認為是“通用”選項至少需要幾年的時間，而要成為這樣，今天的高速數字設備設計人員將需要先進的設備和軟件來表征和建模 Type-C 物理層通道。

USB Type-C 是數字設計工程師更具挑戰性的架構之一，因為它要承載的數字信號的上升時間極長。再加上這種高密度可逆連接器的小物理尺寸，增加了設計工程師在基礎物理層遇到不可預見的互操作性問題的風險。這些問題可以通過利用測量和模擬來充分調試和表征控制性能的互連特性和制造公差來避免。

本文討論了信號完整性工程師可以遵循的分步過程，以確保他們成功地使用 USB Type-C 設備進行設計。它涉及模擬/測試的基礎知識，包括處理 S 參數的一些技巧和技術。

USB Type-C 相比如何？

提高電氣性能的一種簡單方法是使體積更小。通過典型的非均質電介質系統（例如印刷電路板微帶傳輸線）的較短電延遲本質上將比物理上較長的設備具有更少的損耗。這樣一來，比其他常用消費類連接器更小的 USB Type-C 連接器有助于降低損耗和提高帶寬。

同時，更高的密度在保持通過連接器和 PCB 上的傳輸線阻抗同時避免串擾和 EMI 問題方面帶來了新的挑戰。考慮一個 USB Type-C 插座夾具和一個 USB Type-C 插頭夾具（圖 1）。在 10 Gbps 數據速率下，可以有多個 100 ps 寬的位占用發送器和接收器之間的路徑。路徑中的任何阻抗問題都會在每個上升沿和下降沿導致多次反射和耦合。多次反射會使調試完整鏈路連接變得困難。

圖 1：此處顯示的測試配置使用一組 10 個雙端口 PXI VNA 卡以及插圖中顯示的兩個特殊測試夾具。左側的燈具稱為“lux”，是 USB Type-C 插座燈具，而右側的燈具稱為“n70515a”，是 USB Type-C 插頭燈具。

為了簡化調試過程，工程師可以模擬和測量 USB 物理層鏈路中的每個組件，從而確定哪個組件不滿足性能要求，這一點很重要。通常，必須使用先進的測量誤差校正技術從 USB Type-C 主機、設備或電纜的測量中準確地去除測試夾具。此外，建模和仿真還受益于組件的精確測量，以改善仿真與測量的相關性，這有助于減輕由于具有挑戰性的物理層結構而導致的復雜性。

物理層是如何測量的？

線性無源互連，例如 USB Type-C 物理層中的那些，通常具有兩種類型的激勵/響應測試儀器：在時域中，時域反射計 (TDR)；在頻域中，矢量網絡分析儀 (VNA)。無論原生儀器采集時域還是頻域數據，一個域的數據集都可以通過簡單的數學方法（例如傅里葉變換或傅里葉逆變換）轉換為另一個域的數據集；專門的信號完整性軟件（例如 Keysight 的物理層測試系統或 PLTS 軟件）的存在為數字和微波工程師提供了方便，以完成這一領域轉換。

雖然大多數信號完整性應用都可以通過基本的四端口測量（兩個端口輸入和兩個端口輸出）來解決，但有一些高級工具可以使工作更輕松，并提供對被測設備 (DUT) 性能的更多洞察. 我們使用的基于 PXI 機箱的 20 端口 VNA 就是這種情況；此 USB Type-C 通道的 20 端口數據集測量只用了兩分鐘多一點。

以這種方式收集的大量數據被存儲為標準格式的 Touchstone 文件，隨后可以導入 SI 專業軟件進行分析。一個 20 端口的測量會產生一個 20 x 20 的 S 參數矩陣，在單個域中有超過 400 個圖。將其乘以可能的域（時間和頻率）和拓撲（單端或差分）的數量會產生大量數據。試圖手動管理如此大量的測量數據是一場噩夢，但可以使用上述 PLTS 軟件輕松處理。

如果分析得當，這個元數據集可以前所未有地深入了解高速數字頻道。差分插入損耗、差分回波損耗、阻抗曲線、眼圖、近端和遠端串擾、模式轉換以及帶有預加重和均衡的通道優化都可以得到充分表征。

質量測量的技巧和技術

如圖1 所示，VNA 設置包括一個外圍組件互連擴展 (PCI-X) 機箱，其模塊可滑入和滑出以實現可擴展的測試能力。一個嵌入式控制器和 10 個 VNA 模塊（每個模塊是一個雙端口 VNA）產生一個 20 端口 VNA。VNA 模塊的測量范圍為 300 kHz 至 26.5 Hz，并提供出色的速度、高動態范圍、低跡線噪聲和持久穩定性，以提高 USB Type-C 測量的準確性。

測試電纜扇出到被測通道——在本例中，是一個 USB Type-C 插座測試夾具和一個 USB Type-C 插頭組件。每條測試電纜末端的藍色膠帶用于穩定測試電纜以提高校準精度。使用的校準是 Unknown Thru 方法（也稱為 Reciprocal Thru 方法），膠帶確保電纜在 DUT 的校準和測量之間不會移動。這是一個眾所周知的技巧，可以最大限度地減少敏感校準中的相移以實現最大精度。

進行多端口測量時，另一個有用的提示是花一些時間在邏輯上標記 S 參數數據集的每個端口。接下來，它有助于重新映射端口，以便分析軟件可以輕松地使用默認的 1 對 2、3 對 4 通道拓撲來直接繪制混合模式參數（圖 2）。使用 SI 工具可以輕松可視化單端和差分端口映射并在需要時重新排序，這在處理大型數據集時可以節省大量時間。

圖 2：Type-C 支持 USB 2.0（Dp 和 Dn）和 USB 3.1（發送 — TX1p、TX1n、TX2p、TX2n — 和接收 — RX1p、RX1n、RX2p、RX2n）的數據傳輸路徑。將 VNA 的端口清晰地映射到夾具和 DUT 可確保從 DUT 的性能方面充分理解分析。

差分 S 參數

USB 物理層使用差分信號，可以在差分對的 p (+) 和 n (-) 路徑之間包含大量耦合。這需要使用混合模式參數來正確分析 Tx 和 Rx 通道的性能。作為 S 參數的快速復習，圖 3 顯示了混合模式 S 參數的 4 x 4 矩陣。解釋這個 16 元素 S 參數矩陣并非易事，因此一次分析一個象限很有幫助。

圖 3：與理想矩陣相比，測量的 S 參數矩陣的每個象限都可以說明 DUT 的性能。

左上角的第一象限被定義為描述被測設備的差分激勵和差分響應特性的參數。這是大多數高速差分互連的實際操作模式，因此它通常是最有用的象限并首先進行分析。

第四象限位于右下方，描述了通過被測設備傳播的公共信號的性能特征。如果設備設計得當，則模式轉換應該最少，第四象限數據將無足輕重。但是，如果由于設計缺陷而存在任何模式轉換，則第四象限將描述該常見信號的行為方式。

在作者看來，第二和第三象限分別位于圖 3的右上和左下，是工程分析中最有趣的象限。這些也稱為混合模式象限，因為它們完全表征了被測設備中發生的任何模式轉換，無論是共模轉換（EMI 敏感性）還是差模轉換（EMI 輻射）。在嘗試優化互連設計以實現千兆位數據吞吐量時，了解模式轉換的幅度和位置非常有幫助。

　　審核編輯：湯梓紅