USB識別及阻抗匹配

1、usBm別及阻抗匹配2016/11/22修改記錄:修訂號作者日期簡要說明1. 概述11.1. USB傳送數(shù)率1.1.2. USB接口定義1.2. USB識另1I1.2.1. 全速和低諫識別1.22高束識另I12.3. USB兀配,3.1.概述USB是英文universalserialbus通用串行總線的縮寫，是一個外部總線標準，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USB1.01.5Mbps(192KB/s)低速(Low-Speed)5V/500mAUSB1.112Mbps(1.5MB/s)全速(Full-Speed)5V/5

2、00mAUSB2.0480Mbps(60MB/s)高速(High-Speed)5V/500mAUSB3.05Gbps(500MB/s)超高速(Super-Speed)5V/900mA1.2. USB接口定義2. US識別USB信號使用分別標記為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，以抵消長導(dǎo)線的電磁干擾。觸點功能（主機）功能（設(shè)備）1VBUS(4.75-5.25V)VBUS(4.45.25V)2D-D-3D+D+4接地接地我們知道USB2.0向下兼容USBI.x,即高速2.0的hub能支持所有的速度類型的設(shè)備，而USBI.x的hub不能支持高速設(shè)備（HighSpeed

3、Device）。因此，如果高速設(shè)備掛到USBI.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)的通信根本無法進行。2.1. 全速和低速識別根據(jù)規(guī)范，全速（FullSpeed）和低速（LowSpeed）很好區(qū)分，因為在設(shè)備端有一個1.5k的上拉電阻，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，hub根據(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:USB全速設(shè)備上電連接(Full-speedDeviceCableandResistorConnectionUSB低速設(shè)

4、備上電連接(Low-speedDeviceCableandResistorConnections)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雙方的身份。在這里對速度的檢測是雙向的，比如高速的hub需要檢測所掛上來的設(shè)備是高速、全速還是低速，高速的設(shè)備需要檢測所連

5、上的hub是USB2.0的還是1.x的，如果是前者，就進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USB2.0hub上的情形：hub檢測到有設(shè)備插入/上電時，向主機通報，主機發(fā)送Set_Port_Feature青求讓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-ended0,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

6、在hub端看到一個約800mV的電壓(45歐姆*17.78mA),這就是ChirpK信號。ChirpK信號的持續(xù)時間是1ms7ms=在hub端，雖然下達了復(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ChirpK信號，如果沒有ChirpK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,不支持高速操作，那么該hub不理會設(shè)備發(fā)送的ChirpK信號，之后設(shè)備也不會切換到高速模式。設(shè)備發(fā)送的ChirpK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

7、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ChirpKJ序列的方式和設(shè)備一樣，通過電流源向差分數(shù)據(jù)線交替灌17.78mA的電流實現(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 .斷開1.5k的上拉電阻。2 .連接D+/D-上的高速終端電阻（high-speedtermination,實際上就是全速/低速差分驅(qū)動器。3 .進入默認的高速狀態(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ChirpKJ序列幅值降到了

8、原先的一半，400mVo這是因為設(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USB2.0hub握手完畢，進行后續(xù)的480Mbps高速信號通信。最后附上幾幅實際USB高速識別的示波器抓圖，圖中藍色信號是D+,黃色信號是D-o1 .數(shù)據(jù)線D+在T點之前掛上1.5K電阻，在T點被host拉成EP0狀態(tài)。在近2ms后，設(shè)備發(fā)送第一個ChirpK,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。具幅度是800mV（1

9、7.78mA*（45Ohm|1.5kOhm）=800mV,見上文解釋）。在這里，ChirpK的持續(xù)時間是2.13ms（a,b兩點之間）。2 .這幅圖顯示了host發(fā)出的chirpKJ信號的幅度，頭幾個KJ是800mv（a,b之間），隨后的是400mVo圖中可以看到設(shè)備在收到第三個chirpJ（藍色短條）后馬上把1.5k電阻取消，導(dǎo)致chirpJ的幅值下降到400mVo（17.78mA*（45Ohm|45Ohm）=17.78mA*22.5Ohm=400mV）3 .量測了一個chirpJ的寬度：43.5uso3. US匹配USB控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示:H S_Differential_Rece

10、 ive r_O urtput HS DflWQnilaJ Data RL S/FSjDiffere ntialjReceiver_OutpiJt <+3 3VRpu_Enat>leRpuData+Data-Squelch HS DisconnectSE Data+_Receaver_O ut put.Note TTie Rpu pulLup resistor, and 11* circuitry r6uiired k> erkabiE andl dfiuible- il. ;we only recfuired in upfitre舐n laeing Er&nscei

11、wers；H S_C urTent_Source_Ena ble HS_Dnve_E naibl e H$_Data_Driver_lnputLS/FS_Data_DrlMer_l 叩5 Assert_Simg le_Ended_Zero AFSJEdge_Mode_Sel A LS/FS_Driver_OutputJEnable »LSZFSS ESflfeTWnH卻 口匕 RAssert SEC3VWRsSE Data- Receiver Output TL5x-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

12、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，1 .若輸出阻抗特性阻抗，則可以通過串聯(lián)電阻來實現(xiàn)匹配，要實現(xiàn)驅(qū)動器和USB線的阻抗匹配必須在USBD+和D-上串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻的要求為Rs+R*USB線特性阻抗；以下分別為串聯(lián)0ohm、3ohm、22ohm、33ohm、51ohm和68ohm眼圖，RTmea河口FTmean為上升和下降時間的平均值。1) R串=3ohm ,2) R 串=22ohm3) R 串=33ohm4) R串=51ohm5)

13、R 串=68ohmRTmean = 3.30ns;RTmean = 3.71ns;RTmean = 4.36ns;RTmean = 4.88ns;RTmean = 6.85ns;FTmean = 2.80ns;FTmean = 3.12ns;FTmean = 3.61ns;FTmean = 4.50ns；FTmean = 7.16ns;2 .當(dāng)阻抗特性阻抗時，則要通過并聯(lián)電阻來實現(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)10ohm、22ohm和33ohm為例;1) 沒有串聯(lián)電阻時的眼圖如下:2) R串=10ohmUdevice=17.78*45(10+45)=440.1mV,