USB - warum einfach, wenns auch kompliziert geht.

[Frank B. (f-baer)]

Hallo zusammen,

Bin gerade mal wieder etwas am basteln und nutze meine Stromversorgung 
wegen Platzüberschuss gleich noch als USB-Adapterplatine.
Sieht also so aus, dass ich zwei USB-Geräte, am liebsten mittels zweier 
Doppelbuchsen, durchschleifen möchte. Ungünstigerweise sitzen die 
Buchsen an gegenüberliegenden Kanten der LP, was mich in die glückliche 
Lage versetzt, den Bus nicht vernünftig routen zu können, da sich alle 
Leiterbahnen kreuzen.

Daher brauche ich zu dem Thema ein paar Auskünfte:

- Das Längenproblem - Längenunterschiede beim HF-Routen sind kritisch, 
soweit klar, nur in welchen Größenordnungen bewegen die sich?
- Schirmung - die Signalleitungen durch Masse trennen bzw. komplett 
durch Masseflächen verlegen? Sinnvoll oder nicht?
- Common Ground ist klar, gibts Bedenken gegen Common-VCC? Das würde das 
Routing erheblich vereinfachen.
- Hat jemand Eagle-Modelle für THT-USB-Buchsen? A oder B soll keine 
Rolle spielen.
- Wenn kein THT, kann ich im Zweifelsfall auf die L-Seite 
durchkontaktieren?


Gruß, Frank

[Falk B. (falk)]

@  Frank Bär (f-baer)

>- Das Längenproblem - Längenunterschiede beim HF-Routen sind kritisch,
>soweit klar, nur in welchen Größenordnungen bewegen die sich?

Bei Full Speed USB mit 12 Mbit/s im Bereich 1cm, ggf. mehr.
Bei High Speed USB mit 480 Mbit/s sollte man unter 5mm bleiben.

>- Schirmung - die Signalleitungen durch Masse trennen bzw. komplett
>durch Masseflächen verlegen? Sinnvoll oder nicht?

Sinnvoll ist hier differentielle Leitungsführung/Aufbau, denn USB ist im 
wesentlichen differentiell.

>- Common Ground ist klar, gibts Bedenken gegen Common-VCC?

Geht auch, man muss aber aufpassen, dass die HF per günstig platzieren 
Kondesatorn wieder nach Masse kommt.

>- Wenn kein THT, kann ich im Zweifelsfall auf die L-Seite
>durchkontaktieren?

Sicher.

MfG
Falk

[Frank B. (f-baer)]

Vielen Dank, Falk!

Könnte ich quasi so machen? Hab vorerst noch keine Commons gelegt, den 
Ground halte ich von der Stromversorgung getrennt, die ist im 
Zweifelsfalle wichtiger als eine nicht-funktionierende USB-Verbindung.
Das ist jetzt mit je 2 USB-B-Buchsen in SMD realisiert, wenn jemand noch 
Modelle für THT-Buchsen kennt, wäre ich überaus dankbar. Wäre schlecht, 
wenn ein Servicetechniker beim dritten Anschliessen den Steckverbinder 
"entlötet"...

Frank

[Stefan Salewski (Gast)]

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum: 31.07.2009 11:15

>@  Frank Bär (f-baer)

>>- Das Längenproblem - Längenunterschiede beim HF-Routen sind kritisch,
>>soweit klar, nur in welchen Größenordnungen bewegen die sich?

>Bei Full Speed USB mit 12 Mbit/s im Bereich 1cm, ggf. mehr.
>Bei High Speed USB mit 480 Mbit/s sollte man unter 5mm bleiben.

Ach Falk, ich verstehe dich mal wieder nicht so richtig...
40 fach höhere Datenrate, und bei der Längendifferenz nur Faktor 2.

20cm entsprechen ja einer Laufzeit von 1ns,

Aber warum klicke ich diesen Thread auch an, der Betreff ist doch 
dümmlich um es freundlich auszudrücken.

[Reinhard R. (reinhardr)]

Hi,

bevor ich jetzt zu spekulieren beginne frage ich besser. Was soll die 
Schaltung genau tun? Auf den ersten Blick sieht das nämlich wie etwas 
aus das nicht funktionieren wird (2 USB-Hosts miteinander verbinden).

Reinhard

[Frank B. (f-baer)]

@Reinhard - Wie gesagt, einfach nur durchschleifen, mehr nicht. Genauso 
könnte ich auch das Kabel durch eine Muffe aus dem Gehäuse führen, aber 
das ist die einfachere Methode.
Extern wird ein PC zur Auswertung der Daten angeschlossen, die zwei 
interne Messverstärker aufbereitet per USB bereitstellen. Da ich auf der 
Platine noch Platz hatte, hab ich das auf externe Schnittstellen 
adaptiert, statt das Kabel wartungs- und montageunfreundlich nach außen 
zu führen.

[Andreas W. (andreasw)]

Nach außen hin sollte das Gerät dann aber eine USB-B Buchse (Slave) 
haben.

> Hat jemand Eagle-Modelle für THT-USB-Buchsen? A oder B soll keine
> Rolle spielen.

Hast du schon mal auf der Cadsoft Seite nach einer Bibliothek gesucht?

[Frank B. (f-baer)]

Andreas Watterott schrieb:
> Nach außen hin sollte das Gerät dann aber eine USB-B Buchse (Slave)
> haben.

Soweit, so richtig... kann ich dann morgen gleich mit der Bibliothek 
zusammen (s.u.) einpflegen...

>
>> Hat jemand Eagle-Modelle für THT-USB-Buchsen? A oder B soll keine
>> Rolle spielen.
>
> Hast du schon mal auf der Cadsoft Seite nach einer Bibliothek gesucht?

Wäre ja auch zu einfach gewesen... typischer Fall von Brett vorm Kopf, 
mea culpa.

Hat noch jemand was zu meckern, bevor ich dann vor der LP stehe und 
langsam und genüsslich in die Tischkante beisse? Ich bin für jeden 
Hinweis dankbar!

[Reinhard Kern (Gast)]

Frank Bär schrieb:
> Hat noch jemand was zu meckern, bevor ich dann vor der LP stehe und
> langsam und genüsslich in die Tischkante beisse? Ich bin für jeden
> Hinweis dankbar!

Hallo,

natürlich übernehme ich keine Haftung, aber bei der geringen 
Leitungslänge ist es äusserst unwahrscheinlich, dass du Probleme mit der 
LP bekommst.

Das einzige, was du tun könntest: da USB differenziell ist, verlegt man 
die Datenleitungen in möglichst geringem Abstand zueinander, z.B. 0.5 
mm.

Gruss Reinhard

[Frank B. (f-baer)]

Habe leider das Projekt im Büro, aber die Datenleitungen dürften 
durchgängig unter 20mil Abstand haben, werde morgen nochmal nen 
intensiveren Blick drauf werfen. Ich habe mit 12mil Breite verlegt, 
Common-GND flächig und VCC mit 24mil (bissl overkill, aber naja...)

[kurz (Gast)]

Wenn Deine Platine doppelseitig wäre, so könntest Du eine Buchse auf den 
Top-Layer und die andere auf den Botton-Layer legen. Dabei sparst Du Dir 
das Kreisen der Leitungen. Ist nicht wirklich was gespart dabei, aber 
der Aufbau wird etwas kompakter. Nur ne Anregung gegen Bretter vor dem 
Kopf.

[Frank B. (f-baer)]

Sie ist doppelseitig, L-Seite führt derzeit ideenlos flächig Masse.
Wenn ich die Buchse runterziehe, ist der Bestückungsaufwand höher, weil 
ich nicht alles im Reflowofen (nein, nicht im Herd ;) ) machen kann. 
Dafür sollte es dann schon was relevanteres als 5mm Leiterbahn sein.
Trotzdem danke für den Hinweis, hatte noch gar nicht daran gedacht.

[O. D. (odbs)]

Warum kompliziert, wenn es auch einfach geht? Für das Problem "USB-Host 
auf Platine im Inneren ordentlich an die Frontplatte führen" gibt es 
diese Lösung:

http://www.neutrik.com/fl/de/dataconnectors/204_1047652869/USB_productlist.aspx

Dazu brauchst du nur noch ein normales USB A nach B Kabel. Da spart man 
sich die Platine und den ganzen Aufwand. Sind glaube ich sogar bei 
Reichelt erhältlich.

Edit: Gerade gesehen, du brauchst es anders herum. Geht aber auch, die 
Einsätze in dem Neutrik-Teil lassen sich umdrehen.

[Karl (Gast)]

- Es gibt auch einen differentiellen Wellenwiderstand der mit "möglichst 
geringem Abstand" wahrscheinlich nicht der Spec entspricht

- USB Verlängerungen sind im Standard AFAIK nicht vorgesehen. Ich hab 
hier tatsächlich ein billig-China Kabel mit dem mein Drucker nicht 
richtig tut. Und das ist nur fullspeed.

- Wenn es einigermaßen sauber werden soll, bau dir nen Hub auf deine 
Platine. Gibt es für < 2 Euro beim Reichelt.

- wenn Dich all die Theorie-Grütze nicht juckt, achte auf die Symmetrie 
der Leitungen und bau dir im Layout ein paar Stiftleisten ein, so dass 
du notfalls Kabel verlegen kannst ;) (<- würd ich mal versuchen)

[Stefan Salewski (Gast)]

Da sollte alles zu finden sein -- ich werde es aber heute nicht mehr 
nachlesen...

http://www.usb.org/developers/docs/hs_usb_pdg_r1_0.pdf

[Reinhard Kern (Gast)]

Karl schrieb:
> - Es gibt auch einen differentiellen Wellenwiderstand der mit "möglichst
> geringem Abstand" wahrscheinlich nicht der Spec entspricht

Hallo,

mit dem Abstand hat das nur sekundär zu tun, die Impedanz stimmt sowieso 
nicht und mit einer 2seitigen LP ist das auch praktisch nicht lösbar - 
ein allgemein bekanntes Problem. Bei 1.5 mm Dicke und 12 mil 
Leiterbahnen in 20 mil Abstand ergibt sich eine diff. Impedanz von 175 
Ohm, doppelt so viel wie spezifiziert. Berechnet man die bei 1.5mm LP 
nötige LB-Breite, ergeben sich völlig unrealistische Werte von mehr als 
60 mil. Wie gesagt, allgemein bekannt , aber es gibt ja auch praktisch 
keine 2seitigen HiSpeed-Leiterplatten. Üblicherweise werden 
USB-Leitungen als differential pair stripline zwischen 2 GND-Flächen 
eines Mutlilayers verlegt.

Ich habe spasseshalber nachgerechnet, ob sich so etwas mit dünnerem 
Material realisieren lässt. Bei 0.5 mm Dicke ginge es mit 30-mil-LB in 
20mil Abstand, ein brauchbarer Kompromiss, aber Kilometer entfernt vom 
vorliegenden Layout.

Tut mir ja leid, aber die Physik lässt sich nicht mit frommen Wünschen 
umgehen.

Gruss Reinhard

[Frank B. (f-baer)]

werd mich morgen dann gleich mal mit den specs vertraut machen, soweit 
ich das von hier aus sagen kann, brauche ich kein HS-USB, der eine 
Wandler hängt an Centronics, den anderen muss ich nochmal beaugapfeln, 
aber ich schätze, das auch da die Datenmenge für FS-USB ausreicht.
Ich reiche für die Interessierten morgen nach, wie es aussieht.

[Frank B. (f-baer)]

Wie schön... also, mit 50mil-Autobahnen und 12mil Mittelstreifen bin ich 
jetzt auf ~95 Ohm Crosstalk-Impedanz runter. Technologisch geht nicht 
mehr.
Desweiteren findet sich in den Specs ein maximales Leitungsdifferential 
von 150mil, das lässt sich noch recht simpel realisieren.
Es scheitert an der Impedanz gegen GND. Die wird laut Specs mit 30-45 
Ohm angegeben, auf Außenlagen kaum schaffbar, da bleibt nur der Weg auf 
Innenlagen offen.

Danke an euch alle, ich schau mich derweil nach passenden 
Steckverbindern um...

[Uwe (Gast)]

Hallo Frank,

eine Möglichkeit gibt es noch: Coplanare Impedanzen. Hier sind die 
Signale von einer GND-Fläche umgeben. Geht natürlich nur da, wo Platz 
dafür ist.

Wobei ich mir nicht sicher bin, ob du für die kurzen Verbindungen 
wirklich Impedanzen benötigst. Ich habe USB Geräte gesehen, die auf 
einer einseitigen Pertinax-Platine funktionierten (wahrsch. nur Full 
Speed USB)
grusel

Was ist eigentlich Crosstalk-Impedanz ??

Gruss Uwe

[Frank B. (f-baer)]

Uwe schrieb:
> Hallo Frank,

Hallo Uwe,

>
> eine Möglichkeit gibt es noch: Coplanare Impedanzen. Hier sind die
> Signale von einer GND-Fläche umgeben. Geht natürlich nur da, wo Platz
> dafür ist.

Platz ist da, aber rein rechnerisch kommt man auch da nicht auf die 
spezifizierten 45R.

>
> Wobei ich mir nicht sicher bin, ob du für die kurzen Verbindungen
> wirklich Impedanzen benötigst. Ich habe USB Geräte gesehen, die auf
> einer einseitigen Pertinax-Platine funktionierten (wahrsch. nur Full
> Speed USB)
> *grusel*

Irgendwo habe ich während der Recherchen einen Artikel gelesen: 
USB-Slave mit 110R Impedanz aufgrund eines Rechenfehlers, der dann 
massive CRC-Fehler aufwies.

>
> Was ist eigentlich Crosstalk-Impedanz ??
>
> Gruss Uwe

Die Impedanz zwischen den differentiellen Signalen. Die möchte ja nicht 
zu hoch sein, sonst bringt die differentielle Übertragung nichts mehr.

Gruß,
Frank

[Uwe (Gast)]

@ Frank,

Benötigst du für deine Differentiellen Impedanzen nicht einen Wert um 
die 110 Ohm ? (Woher die 45 Ohm ?)

Ich hab mal eine Berechnung des Field Solvers für Coplanare Strukturen 
angehängt. Nur mal so zur Inspiration.

Meine Rückfrage galt nicht Impedanzen (davon hab ich schon gehört :) ),
ich wollte speziell wissen was es mit dem Crosstalk auf sich hat in 
diesem Zusammenhang. (Crosstalk ist mir ebenfalls ein Begriff)

Gruss Uwe

[Frank B. (f-baer)]

@ Uwe 90 Ohm differentielle Impedanz, 45 Ohm Impedanz gegen GND

laut: http://www.usb.org/developers/docs/hs_usb_pdg_r1_0.pdf

[Reinhard Kern (Gast)]

Frank Bär schrieb:
> @ Uwe 90 Ohm differentielle Impedanz, 45 Ohm Impedanz gegen GND
>
> laut: http://www.usb.org/developers/docs/hs_usb_pdg_r1_0.pdf

wäre logisch, ist aber nicht so:

für Full Speed Kabel diff 90 Ohm +-15%, single 30 Ohm +-30% Lt. Spec.

Fragt nicht warum, ist eben so. Spezifiziert ist ein Twisted Pair Kabel, 
als Leiterplatte geht das garnicht exakt. Der beste Kompromiss liegt 
wahrscheinlich bei 85/40 Ohm.

Crosstalk ist bei differential pairs kein Gesichtspunkt, es ist ja das 
gleiche Signal, nur invertiert.

Gruss Reinhard

[Frank B. (f-baer)]

Reinhard Kern schrieb:
> Crosstalk ist bei differential pairs kein Gesichtspunkt, es ist ja das
> gleiche Signal, nur invertiert.
>
> Gruss Reinhard

Da wage ich doch zu widersprechen. Laut Design-Guidelines 50mil Abstand 
zu HF/Clock, 20 mil zu NF/aperiodisch. Kann mir schwer vorstellen, dass 
die das aus Spaß reinschreiben... Abgesehen davon machts ja auch Sinn. 
In relativer Nähe ändert sich die Gegeninduktivität noch recht drastisch 
mit zunehmender Entfernung, daher sind die Induktionsspannungen in den 
einzelnen Leitern dementsprechend unterschiedlich. Je weiter weg, desto 
kleiner wird das Induktivitätsdelta, desto kleiner das Delta der 
induzierten Spannungen.

Hab das vorhin etwas unglücklich als Crosstalk-Impedanz bezeichnet, wie 
geschrieben meinte ich die differentielle Impedanz der Signale. 
Crosstalk kommt ja p.d. nur von fremden Quellen, insofern mea culpa.

Und in der Guideline wird auch klar von 90 Ohm "differential trace 
impedance" gesprochen

[Reinhard Kern (Gast)]

Frank Bär schrieb:
> Da wage ich doch zu widersprechen. Laut Design-Guidelines 50mil Abstand
> zu HF/Clock, 20 mil zu NF/aperiodisch.

Hallo,

klares Misssverständnis, ich dachte nur an das differential pair selbst. 
Wenns irgend geht halte ich davon so grossen Abstand ein, dass sich die 
Frage zum Crosstalk woandershin garnicht erst stellt.

Übrigens wird Crosstalk auch wesentlich durch die Überlappung der 
Rückströme auf GND erzeugt, da dieser Rückstrom aber bei diff. pairs 
hauptsächlich in der jeweils anderen Leiterbahn fliesst, müsste der von 
einen diff. pair ausgehende Crosstalk geringer sein als bei einer 
einfachen Leitung. Nachgerechnet habe ich das nicht, ich weiss nicht ob 
meine Systeme das könnten. Gehört ja auch nicht hierher.

Gruss Reinhard