USB識別及阻抗匹配

1、USB識別及阻抗匹配2016/11/22修改記錄:修訂號作者日期簡要說明31.概述 1.1.USB 傳送數(shù)率 .1.2.USB 接口定義 .2.USB 識別 2.1.全速和低速識別2.2.高速識別 3.USB 匹配 .3.3.3.3.4.8.1.概述USB是英文universal serial bus通用串行總線的縮寫，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦和外部設(shè)備的鏈接和通信。1.1. USB傳送數(shù)率USB版本理論最大傳輸速率速率稱號最大輸出電流USB1.01.5Mb ps(192KB/s)低速(Low-S peed)5V/ 500mAUSB1.112Mb ps(1.5MB/s)全速(Full-

2、S peed)5V/500mAUSB2.0480Mb ps(60MB/s)高速(High-S peed)5V/500mAUSB3.05Gb ps(500MB/s)超高速(Super-Speed)5V/900mA1.2. USB接口定義USB信號使用分別標(biāo)記為 D+和D-的雙絞線傳輸，它們各自使用半雙工的差分信號并協(xié)同工作, 抵消長導(dǎo)線的電磁干擾。觸點(diǎn)功能（主機(jī)）功能（設(shè)備）1VBUS (4.75 - 5.25 V)VBUS (4.4 - 5.25 V)2D-D-3D+D+4接地接地2. USB識另我們知道USB2.0向下兼容USB1.X，即高速2.0的hub能支持所有的速度類型的設(shè)備，而USB

3、1.X的hub不能支持高速設(shè)備（High Speed Device ）。因此，如果高速設(shè)備掛到 USB1.X的hub上，那該設(shè)備只能工作在全速模式下。不管是hub還是設(shè)備（device），對于速度的區(qū)分是非常重要的，否則，后續(xù)的通信根本無法進(jìn)行。2.1.全速和低速識別根據(jù)規(guī)范，全速（Full Speed）和低速（Low Speed）很好區(qū)分，因?yàn)樵谠O(shè)備端有一個1.5k的上拉電hub根阻，當(dāng)設(shè)備插入hub或上電（固定線纜的 USB設(shè)備）時，有上拉電阻的那根數(shù)據(jù)線就會被拉高,據(jù)D+/D-上的電平判斷所掛載的是全速設(shè)備還是低速設(shè)備。如下兩圖:Host orHub PortR,Rpu=1.SKQ &#

4、177;5%Fullhspeed or Low-speed USB TransceiverrspdD-Za=90n 115%>>Full-sUSB TransceiverHub Upstream PortorFul|-£pee<J FunctionUSB全速設(shè)備上電連接(Full-speed Device Cable and Resistor Connection®Fulkspeed orLow-speed USBTransceiverD+Rpd D*RmR,=15KC3 - 5%rLow-speed USB Tfansceiv&rSlow Sle

5、w RateHp&t orHub PortLoW'Speed FunctionUSB低速設(shè)備上電連接(Low-speed Device Cable and Resistor Connections)2.2.高速識別USB全速/低速識別相當(dāng)簡單，但 USB2.0，USB1.X就一對數(shù)據(jù)線,不能像全速/低速那樣僅依靠數(shù)據(jù)線上拉電阻位置就能識別 USB第三種速度：高速。因此對于高速設(shè)備的識別就顯得稍微復(fù)雜些。高速設(shè)備初始是以一個全速設(shè)備的身份出現(xiàn)的，即和全速設(shè)備一樣,D+線上有一個1.5k的上拉電阻。USB2.0的hub把它當(dāng)作一個全速設(shè)備之后，hub和設(shè)備通過一系列握手信號確認(rèn)雙方

6、的身份。在這里對速度的檢測是雙向的，比如高速的hub需要hub是檢測所掛上來的設(shè)備是高速、全速還是低速，高速的設(shè)備需要檢測所連上的USB2.0的還是1.x的，如果是前者，就進(jìn)行一系列動作切到高速模式工作，如果是后 者，就以全速模式工作。下圖展示了一個高速設(shè)備連到 USB2.0 hub上的情形:IdleHubk-jChirpF 時qDeviceapptisEt&rrrinatiorEnc of0.SV fhub檢測到有設(shè)備插入/上電時，向主機(jī)通報(bào)，主機(jī)發(fā)送Set_Port_Feature請求讓hub復(fù)位新插入的設(shè)備。設(shè)備復(fù)位操作是hub通過驅(qū)動數(shù)據(jù)線到復(fù)位狀態(tài)SE0(Single-end

7、ed0，即D+和D-全為低電平)，并持續(xù)至少10ms。高速設(shè)備看到復(fù)位信號后，通過內(nèi)部的電流源向D-線持續(xù)灌大小為17.78mA電流。此時高速設(shè)備的1.5k上拉電阻還未撤銷，在hub端，全速驅(qū)動器形成一個阻抗為45歐姆(Ohm)的終端電阻，所以在hub端看到一個約800mV的電壓(45歐姆*17.78mA)，這就是Chirp K信號。Chirp K信號的持續(xù)時間是1ms7mso在hub端，雖然下達(dá)了復(fù)位信號，并一直驅(qū)動著 SE0,但USB2.0的高速接收器一直在檢測Chirp K信號，如果沒有Chirp K信號看到，就繼續(xù)復(fù)位操作,直到復(fù)位結(jié)束,之后就在全速模式下操作。如果只是一個全速的hub

8、，不支持高速操作，那么該hub不理會設(shè)備發(fā)送的Chirp K信號，之后設(shè)備也不會切換到高速模式。設(shè)備發(fā)送的Chirp K信號結(jié)束后100us內(nèi)，hub必須開始回復(fù)一連串的KJKJKJ.序列，向設(shè)備表明這是一個 USB2.0的hub。這里的KJ序列是連續(xù)的，中間不能間斷， 而且每個K或J的持續(xù)時間在40us60us之間。KJ序列停止后的100500us內(nèi)結(jié)束復(fù)位操作。hub發(fā)送Chirp KJ序列的方式和設(shè)備一樣，通過電流源向差分?jǐn)?shù)據(jù)線交替灌17.78mA的電流實(shí)現(xiàn)。再回到設(shè)備端來。設(shè)備檢測到 6個hub發(fā)出的Chirp信號后(3對KJ序列)，它 必須在500us內(nèi)切換到高速模式。切換動作有：1

9、. 斷開1.5k的上拉電阻。2. 連接D+/D-上的高速終端電阻(high-s peed term in atiorj)，實(shí)際上就是全速/低速差分驅(qū)動器。3. 進(jìn)入默認(rèn)的咼速狀態(tài)。執(zhí)行1, 2兩步后，USB信號線上看到的現(xiàn)象就發(fā)生變化了： hub發(fā)送出來的Chirp KJ序列幅值降到了原先的一半，400mV。這是因?yàn)樵O(shè)備端掛載新的終端電阻后,配上原先hub端的終端電阻，并聯(lián)后的阻抗是 22.5歐姆。400mV就是由17.78mA*22.5Ohm得來。以后高速操作的信號幅值就是 400mV而不像全速/低速那樣的3V。至此，高速設(shè)備與USB2.0 hub握手完畢，進(jìn)行后續(xù)的480Mbps高速信號通

10、信。最后附上幾幅實(shí)際USB高速識別的示波器抓圖，圖中藍(lán)色信號是 D+,黃色信號是D-。1. 數(shù)據(jù)線D+在T點(diǎn)之前掛上1.5K電阻，在T點(diǎn)被host拉成EP0狀態(tài)。在近2ms后，設(shè)備發(fā)送第一個Chirp K，向host通知說：我是一個高速設(shè)備，如果可能，請用高速方式與我通信。其幅度是 800mV（ 17.78mA * （45Ohm | 1.5kOhm） = 800mV，見上文解釋）。在這里，Chirp K的持續(xù)時間是2.13ms（ a，b兩點(diǎn)之間）。PrgVu91 oovO 1.0(1 VICiioaps4%tl ;- Hr ._； VllfIflllfItllllllllllltllllfli

11、ltdII1*1U II HHtiHiMIHI Ilf MH Mill 1111111IliitlllllCllviflllllliltllllllllllMItllSOOmV A760mV443 3Srn號poin估9 1S4ms ® 3.e7rnsA2.13ms2. 這幅圖顯示了 host發(fā)出的chirp KJ信號的幅度，頭幾個KJ是800mv（a, b之間），隨后 的是400mV。圖中可以看到設(shè)備在收到第三個 chirp J （藍(lán)色短條）后馬上把1.5k電阻取消, 導(dǎo)致 chirp J 的幅值下降到 400mV。(17.78mA * (45Ohm | 45Ohm) = 17.7

12、8mA * 22.5Ohm = 400mV)卩 reVuKi3*47m34 1 em*iA6E1USECOmV0.00 VABOOmVI® soy=- - - J loops2.5OGS/SI-ltPT.£g2g5ins 5V1 points3. 量測了一個chirp J的寬度：43.5usoP reVu3.S3ms3.S7rnsA43.5US00O VSOOrnVAJiOOnV(O i.oov l.Otl V_J loops2.5OGSZS一叫JEH監(jiān) sq/s昌 tTK 另iM poinrw3. USB匹配USB控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示:1) R串=3ohm , RT

13、mean = 3.30ns; FTmean = 2.80ns;+3 3VRpu_Fnnt>leHSniirrprii Sniifce En話hSH 3_D mre_F nntile H £_Dat'a_Driver_lr pmk-iqh 刁pcK CLTTorrt DirvoiL5 softerMain-. The- Rpu pul-k<7 rnclnr, ancA.由k1_hp-5=tnhani ndnqLST 5_Data_Dnve_l npulAssertSinqle Ended ZerorS Eilge Mode Sel I Sf FS_r?rvRr_Oi

14、j lpLit_Frka ble DwiaikvuiA/WAwftl EBPS/VH S_r>iffefenTiaLRi?<eive r_n urfujt ISquelch 4TrwMniudWiL S；r S_Difforential_Receiv(?r_OuTpJt 斗LS；FS OFTsantiJ DdLd 尺HS DisconnectOHCOREhcni Envrlgo fJctrriVSE_D £na+_Receiver_OulpinSt_Lfe ta-_KeceFvei'_Output<15inala =roed maeaianj< Rpu

15、Oatj*Diiti-NM： 7r( iQ (HHtn » Qrourwl <ie- Ewi rtimd ERpdRpd由上圖可知，USB的高速模式和低速/全速使用不同的驅(qū)動器，USB使用差分特性阻抗為90ohm的線,USB全速模式下驅(qū)動器的輸出阻抗和輸入阻抗不為45ohm,信號會發(fā)生反射造成信號質(zhì)量下降，需要對電路進(jìn)行匹配來減小信號的反射；常用的匹配方式有：串聯(lián)匹配、并聯(lián)匹配、戴維南匹配等。USB全速驅(qū)動器的輸出阻抗一般比較小，USB線的阻抗匹配必1.若輸出阻抗 特性阻抗，則可以通過串聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)匹配，要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器和須在USB D+和D-上串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻的要求為 Rs+R

16、串=USB線特性阻抗;以下分別為串聯(lián) Oohm、3ohm、22ohm、33ohm、51ohm 和 68ohm 眼圖，RT mean和p FT mean 為上升和下降時間的平均值。2)>6pcm+a43O01020QOi70 2 Qa40SOtim電.KR串=22ohm , RTmean = 3.71 ns; FTmean = 3.12ns;4320011叮30eoso加50timt. ni3)R串=33ohm , RTmean = 4.36ns; FTmean = 3.61 ns;D1020307080O50time, nsA +05)R串=68ohm , RTmean = 6.85ns

17、; FTmean = 7.16ns;4)AM PS i0102030CO70804325nos £536050R串=51ohm , RTmean = 4.88ns； FTmean = 4.50ns;4050nf3.532-520.5Q0.5Q1020SO7030a40 tiim*, rr2.當(dāng)阻抗 特性阻抗時，則要通過并聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)匹配，而在高速模式下，信號是通過電流源驅(qū)動的，以上匹配電阻的存在都將降低信號質(zhì)量，下面分別舉串聯(lián)lOohm、22ohm和 33ohm 為例;1)沒有串聯(lián)電阻時的眼圖如下:0.5 ' 0 5-'040 30 20 10Q 102-0 3O斗tiimm, nf161 S 200.20.4 oe o.e2)R 串=lOohm">EL 09e" L.o寸寸*(0L+g寸)/9寸 Hlo >EL 0寸寸"(9寸+0L)/g寸*8、卜L "g>epnCl006ow oOo寸 o0oo« ccQCM oLOLMIIIOOOXlrz jA iFU瞰s|tuu*JSM卩45 u-jzLhmpH5 wkUdevice = 17.78*45/(22+45) = 478.6mV , Uhost = 45/(45+22)*478.6 = 321.5mV ;-