USB 連接 PCB 設計中的串聯電阻
在電路設計中，經常會在原理圖上看到與 USB 介面的線（D+ 和 D−）串聯的電阻。這些電阻通常被解釋為用於阻抗匹配。然而，在查看多個原理圖後，您會注意到這些電阻器的值有所不同 - 有時它們是 22Ω，有時是 33Ω，而在某些情況下，根本沒有電阻器。那麼，這些串聯電阻有必要嗎？如果是這樣，應該使用什麼值？ 0Ω電阻的用途是什麼？這些就是我們今天要探討的問題。
USB 標準和阻抗匹配
首先，我們參考USB標準來了解阻抗匹配要求。 USB 2.0 標準指定了三種資料傳輸速度：低速（1.5 Mbps，與 USB 1.0 相容）、全速（12 Mbps，與 USB 1.1 相容）和高速（480 Mbps）。本標準第 7 章概述了與傳輸線和驅動器阻抗匹配相關的要點：
- 全速 USB 連接：使用差分特性阻抗為 90Ω ±15% 的屏蔽雙絞線。
- 在全速或低速模式下運作的高速收發器：驅動器阻抗必須為 45Ω ±10%。
- 不支援高速模式的收發器：驅動器的輸出阻抗必須在28Ω到44Ω之間。
對於電路設計和 PCB 佈局，有兩個關鍵點：
- PCB 走線的 90Ω 差分阻抗：走線的寬度和間距必須根據電路板材料的特性進行計算，佈局軟體通常包含幫助進行此計算的工具。
- 驅動器阻抗匹配：驅動器的內部阻抗加上串聯電阻必須等於45Ω，容差小於5Ω，以符合傳輸線的45Ω單端阻抗。
驅動器阻抗和串聯電阻
若要確定驅動器的內部阻抗，您應該查閱晶片的資料表。例如，ATMEL Mega 32 晶片的設計指南建議在 USB 線串聯一個容差為 22% 的 5Ω 電阻。這就是為什麼你經常在Arduino開發板的原理圖上看到22Ω電阻。
同樣，TI 的 USB 集線器晶片需要與所有 USB DP/DM 訊號線串聯約 27Ω 電阻，以確保正確的端接匹配。 AD USB隔離晶片的datasheet中規定，在Full-Speed模式下，設備側的每條D+和D−數據線都應該串聯一個24Ω±1%的電阻，而在Low-Speed模式下，不需要串聯電阻。
這些範例強調，所需的串聯電阻值可能會根據晶片的不同而有所不同，這強調了查閱資料表的重要性。在某些情況下，製造商已將這些電阻器整合到晶片本身中。例如，STM32晶片的數據表指出，USB數據線不需要串聯電阻，因為它們已經內建在晶片中。
0Ω 電阻器和後製調整
如果PCB走線無法完全達到90Ω差分阻抗，可以使用0Ω電阻以方便後製調整。最終電阻值可以根據訊號完整性指標（例如眼圖）來確定。
結語
總之，USB數據線的串聯電阻值應根據驅動器的內部阻抗和設計要求來選擇。是否需要串聯電阻以及應使用什麼值應由晶片的數據表確定。這個結論也可以擴展到其他資料匯流排的阻抗匹配，例如乙太網路、HDMI、PCIe 和 1394。
