为什么USB的特性阻抗是90欧姆？

USB设备具有简单易用、支持热插拔、速度快等特点,很快被广泛应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品,并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。

可以说USB是目前最为成功的I/O技术,而且随着目前USB4标准的发布,USB接口的应用范围必然更加的广泛。

不过我们今天的话题是为什么USB的特性阻抗是90欧姆,而不是同轴线的50欧姆,75欧姆或者HDMI,Displayport的100欧姆呢?

什么是特性阻抗

特征阻抗是对于交流信号(或者说高频信号)来说的.特征阻抗属于长线传输中的一个概念,信号在传输线中传输的过程中,在信号到达的一个点,传输线和参考平面之间会形成电场,由于电场的存在,会产生一个瞬间的小电流,这个小电流在传输线中的每一点都存在。

同时信号也存在一定的电压,这样在信号传输过程中,传输线的每一点就会等效成一个电阻,这个电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。

什么是特性阻抗

特性阻抗(ρ)的连续性基本上就取决于分布参数 L0、C0 比值的稳定性,我们都知道欧姆定律:U=RI,其中的 R 就是电阻或者叫电阻负载,单位为欧姆(Ω)。电阻与金属材料的电阻率 (又称导电系数)有关,但在高频信号的传输过程中,我们还需要了解传输高频信号的物理介质(比如双绞线、同轴线、波导)的传输特性,它不同于低频信号,这种传输特性与传输介质的导电材料(例如铜或银) 、导电系数(电阻率)、几何形状(最常见为圆柱形)、分布电感(L0)、分布电容(C0)、绝缘材料(的介电常数)等都有关系,而低频信号传输时则往往不考虑这些分布参数和绝缘材料介电常数的影响。

更多关于特性阻抗的解释:什么是电缆的特性阻抗?

为什么要测试特性阻抗

当一束光从空气射向水中时会发生反射,这是因为光和水的光导特性不同。同样,当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变也会发生反射。波长与频率成反比,低频信号的波长远远大于传输线的长度,因此一般不用考虑反射问题。高频领域,当信号的波长与传输线长出于相同量级时反射的信号易与原信号混叠,影响信号质量。通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射,所以我们需要测试特性阻抗,抓取平衡稳定的数值来改善由于反射造成的不良测试现象,所以阻抗稳定就显得非常重要,控制差分信号线的特性阻抗对高速数字信号的完整性是非常重要的,因为特性阻抗的值会影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压等。

USB阻抗匹配问题;为什么USB的特性阻抗是90欧姆

按照为什么要测试阻抗这里提到,如果需要得到一个合格的阻抗,需要进行阻抗匹配,如果你的USB接口如果要用在传输数据,且速度在高速范畴时,需要对PCB上的USB接口数据线进行阻抗匹配,具体可以做90 ohm左右的差分阻抗设计,只针对传输数据的一对线;如果速度要求不高,当然不做阻抗也问题不大,但是在高速场合,稳定和速度就有影响了;很多高速信号线上,如特性阻抗为75欧姆的CVBS信号线、特性阻抗为100欧姆的LVDS数据信号线、特性阻抗为90欧姆的USB高速数据线上,在信号传输的过程中,路径的每一步都有相应的瞬态阻抗,如果沿着互联线传输的电信号感到的瞬态阻抗发生变化,那么一部分将继续走下去,而另外一部分将反射后源端。由于各个信号线上所需要的特性阻抗不一致,且信号源的阻抗不匹配。当源内阻小于传输线内阻时将出现振铃,也就是过冲,过载传输线。过大的过冲往往会损坏器件。而如果源内阻大于传输线阻抗时,便会出现欠冲,这会引起电路逻辑处于不确定状态,可能导致误判或信号丢失。

网上所说的匹配电阻都是在全速和低速

刚上面说了阻抗匹配问题,我想应该打开了一扇窗,接下来我们打开一扇门,我们的USB信号一般是差分信号,差分信号为一正一负两根trace,两者之间相位差180度,可以抑制共模干扰(同样的一个干扰源,在两根信号上形成同样的干扰波形,最终一正一负正好抵消),还可以提升信号幅度(一正一负,两者的幅度相当于一根线上的幅度的两倍)。差分信号还有紧耦合和松耦合两种方式,松耦合可以在两根线之间铺地来进一步避免两者之间的耦合(串扰),紧耦合时两根线可以贴的很近,不管紧耦合还是松耦合,差分信号主要还是靠地平面来做返回路径;我们先抛砖引玉说50欧的同轴阻抗,其来历其实我也不清楚,但目前大多数射频仪器、IC、零件等都是按50欧来设计的,为搭配50欧的仪器、IC、零件等,就需要有50欧的连接器、PCB走线、连接线等来连接,从而方可将射频信号以最大功率传送到另一端。另,此处的50欧PCB走线,50欧是走线的特性阻抗;其实今天定义的USB走90欧姆,其实是协会根据应用设计验证PCB的走线宽度,间距,板材等各种实验的参数,其实我觉得USB其实也可以做100欧姆的,只不过前端实验室最佳的验证数据是90欧姆,所以后面的各种连接器、线缆都只能按90欧姆做,如果我们自己的板卡做成100欧姆或是别的了,信号传输时就会发生反射,如上阻抗匹配的问题就会发生。

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