Zaloguj
Rysunek 1. Przykładowa sytuacja, w której zachodzi potrzeba wykonania wewnętrznych połączeń USB z użyciem przewodów
Konieczność poprowadzenia szybkiego, połączenia USB 3.0 w obrębie obudowy urządzenia pojawia się tam, gdzie układ kontrolujący ten interfejs znajduje się na innej płytce drukowanej, niż zewnętrzne złącze, z którego korzysta użytkownik (rysunek 1). Ma to miejsce np. w różnego rodzaju urządzeniach komputerowych, w których złącza USB są wyprowadzane np. na panel czołowy.
Tabela 1. Porównanie parametrów specjalnego kabla USB 3.0 firmy Amphenol oraz taśmy FFC, względem wymagań określonych w standardzie USB 3.0
Podobnie może być w monitorach z wbudowanym koncentratorem USB, ponieważ zwykle nie daje się on umieścić przy krawędzi wyświetlacza i przez to złącza trzeba zamontować na oddzielnej płytce drukowanej. W takich sytuacjach, użycie do połączeń wewnętrznych gotowych kabli USB 3.0 jest kosztowne, a ponadto ogranicza elastyczność połączenia. Przewody tego typu zajmują też dużo miejsca i niemało ważą. Dlatego wielu projektantów decyduje się na użycie innego rodzaju przewodów i złączy.
Niestety, źle dobrane przewody obniżają jakość transmitowanego sygnału, zwiększają jitter, a przy dużej szybkości transmisji wydłużenie czasu narastania i opadania zboczy sygnałów cyfrowych staje się na tyle znaczące, że poprawny odbiór danych zaczyna być problematyczny.
Co więcej, sam standard USB 3.0 narzuca pewne wymagania, które jeśli nie są spełnione, negują możliwość pełnoprawnego nazywania urządzenia "zgodnym z USB 3.0". Wszystkie te wymagania zostały zebrane przez firmę Intel w opublikowanym w 2010 roku dokumencie "USB 3.0 Internal Connector & Cable Specifications".
Przetestowanie zgodności urządzenia z USB 3.0 wymaga zastosowania oscyloskopu z funkcjami analizatora, który pozwala na sprawdzenie czy poszczególne parametry linii transmisyjnej oraz sygnałów odbieranych przy zadanych pobudzeniach mieszczą się w ustalonych granicach.
Który z popularnych rodzajów przewodów i taśm, stosowanych do połączeń wewnętrznych w urządzeniach elektronicznych najlepiej nadaje się do połączeń w ramach interfejsu USB 3.0? Sprawdźmy!
Taśmy elastyczne
Fotografia 2. Gotowy przewód do połączeń USB 3.0, wyprodukowany przez firmę Amphenol
Pierwszą rzeczą, po którą zapewne sięgnęłaby większość elektroników chcących wykonać połączenie do przesyłania danych pomiędzy dwiema płytkami drukowanymi wewnątrz urządzenia, byłaby elastyczna taśma z metalizowanymi ścieżkami (FFC - Flexible Flat Cable).
Taśmę tę można przylutować na stałe, ale o ile budżet na to pozwala, inżynierowie preferują używanie złączy. Taśmę można unieruchamiać w złączu poprzez dociśnięcie jej lub skorzystać ze złączy LIF czy ZIF.
Taśmy są oferowane w kilku wersjach:
- bez ekranowania,
- z ekranem aluminiowym,
- z ekranem wykonanym z użyciem powłoki srebra.
Taśma może mieć kontakty elektryczne dla złącz na tej samej warstwie lub na przeciwnych warstwach.
Przewód płaski
Fotografia 3. Taśma elastyczna (FFC)
Innym sposobem wykonania połączenia będzie użycie wielożyłowego przewodu płaskiego (fotografia 2) ze złączem IDC. Przewody te są oferowane w wersjach o różnej średnicy żył, różnych rozstawach oraz w odmianach ekranowanych i nieekranowanych.
Bywają też wersje przystosowane do częstego zginania, czy np. pokryte tworzywem ognioodpornym. Najbardziej popularne są przewody o żyłach 26 AWG, oddalonych od siebie o 0,05 cala, otoczone PVC.
Skrętka
Fotografia 4. Układ sygnałów USB w testowanych przewodach płaskich
Trzecim rodzajem przewodu, jaki mógłby znaleźć zastosowanie do przesyłania sygnału USB jest skrętka. Jej skręcone pary przewodów mają cenną zaletę: redukują emisję zaburzeń elektromagnetycznych oraz zmniejszają wpływ oddziaływań zewnętrznych na przesyłany sygnał. Co więcej, również występują w wersji ekranowanej (STP - Shielded Twisted Pair) i nieekranowanej (UTP - Unshielded Twisted Pair).
Złącza
Tabela 2. Wyniki pomiarów parametrów przewodu płaskiego o długości 300 mm, względem wymagań standardu USB 3.0
Przy prędkości transmisji dochodzącej do 5 GB/s, niebagatelne znaczenie mają także złącza USB, do których użytkownik dołącza kablami urządzenia zewnętrzne. Konstrukcja złączy USB 3.0 jest bardzo skomplikowana, ponieważ jest wymagane zachowanie zgodności wstecznej ze standardem 2.0 i 1.1.
Biorąc pod uwagę fakt, że liczba linii sygnałowych w USB 3.0 jest większa, niż w starszych wersjach tego interfejsu z góry było wiadomo, że postawienie sobie za cel zachowania kompatybilności będzie wymagało wykonania złożonej konstrukcji.
Najbardziej złożona jest konstrukcja złączy o rozmiarze standardowym (typu B), chociaż problem przesłuchów będzie miał większe znaczenie w złączach micro USB. Z punktu widzenia projektanta, wybór sprowadza się do określenia sposobu montażu złącza (powierzchniowo lub w sposób przewlekany), a z punktu widzenia logistyki produkcji - do wyboru producenta złącza.
Warto przy tym zauważyć, że przy częstotliwościach stosowanych w USB 3.0, jakość złącza może stanowić o niezawodności połączenia nawet, jeśli pochodzi ono od renomowanego producenta. O ile wszyscy ci wytwórcy oferują gniazda USB zgodne ze standardami, nawet niewielkie odstępstwa w prowadzeniu linii sygnałowych oraz ich długość wpływają na parametry toru transmisyjnego.
Pomiary
Fotografia 5. Podwójnie ekranowana skrętka (drut)
Inżynierowie firmy Microchip przeprowadzili szereg pomiarów, mających na celu określenie, które z opisanych przewodów i złączy lepiej nadają się do przesyłania sygnałów interfejsu USB 3.0. Testy wykonano na dwa sposoby. Pierwszy obejmował użycie reflektometru do zbadania charakterystyki toru sygnału.
Pomiar wykonano cyfrowym oscyloskopem Tektronix TDS-8000 wyposażonym w dwukanałowy moduł 80E04. Przeprowadzono też badania pod kątem zgodności całego interfejsu (tzn. przewodu ze złączami i z układem scalonym) z oficjalną specyfikacją USB 3.0. W tym celu użyto zautomatyzowanego testera LeCroy QualiPHY z oscyloskopem SDA 8Zi-A i aplikacją QPHY-ISB3-TX-RX. Wyniki pomiarów zebrano w tabelach.
Podsumowanie
Wyniki pomiarów wskazują na to, że choć gotowe kable USB są bardzo proste i wygodne w zastosowaniu, zbliżone, a pod pewnymi względami nawet lepsze rezultaty można osiągnąć stosując inne rodzaje przewodów - zarówno ekranowane taśmy elastyczne z ze złączami ZIF lub LIF, jak i przewody płaskie. Każda z nich, dla testowanych długości, spełnia wymagania standardu USB 3.0, choć z różnymi marginesami.
Marcin Karbowniczek, EP
Artykuł napisano na podstawie pomiarów przeprowadzonych przez Mohammeda Rahmana z firmy Microchip Technology
