（信号与信息处理专业论文）usb20中物理层接口的设计.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 u s b 2 o ( 通用串行总线) 是目前p c 外设接口的标准，也正是因为u s b 接口出 现，才诞生了诸如移动硬盘、闪存等一批新颖的外设。但是u s b 2 o 接口技术在国内 还是一片空白，只被包括i n t e l ，p l l i l i p s 等少数国外大型半导体厂商占有。无论是从市 场需求，还是促进我国芯片设计能力来说，开发u s b 2 o 接口芯片都是非常迫切的一 个问题。本文物理层接口电路是u s b 2 o 接口芯片中的最关键的高速模拟与混合信号 电路。 在深入分析u s b 2 o 物理层接口的设计的基础上，采用正向设计方法：芯片定义 一系统设计一电路设计一电路仿真一版图绘制。 论文详细论述了u s b 2 0 物理层接口电路的基本原理、结构和实现。提出总体设 计方案，搭建了系统整体框图，并提出具体的设计指标。利用h s p i c e 进行了电路的 仿真，仿真结果与预期一致。给出了后端的版图实现。 文章重点在于双模发送器结构设计、数字化模拟技术实现高速d l l 模块以及提 出一种全新的混合信号中复杂数字模块的设计方法。 双模发送器的设计，采用电压模式和电流模式实现了全速( 1 2 m b p s ) 和高速 ( 4 8 0 m b p s ) 模式的兼容，取代了传统的全速和高速发送器分开设计的模式，大大节省 了芯片的面积。 数字化模拟技术也就是利用数字算法将大部分电路设计放在数字一边，只留一小 部分模拟电路。采用这样的设计，增加了d l l 电路的稳定性，减小了时钟抖动，同 时避免了模拟电路参数设计和工艺控制的难点。 全新的混合信号中的复杂数字模块的设计方法，实现了设计真正的自动化。这种 设计方法，不仅具有a s i c 电路设计周期短的优点，而且获得了全定制电路性能优良 的特点。 关键词：通用串行总线，收发器，物理层，包络检测器 北方工业大学硕士学位论文 一_ 一一 t h ed e s i g no fu s b 2 0p h y s i c a ll a y e r i n t e r f a c e a b s t r a c t u s b 2 o ( u 1 1 i v c r s a ls 砸a lb u s ) i sn o w a d a y sb e c o m i n gas t a n d 疵io ft 1 1 ep e r s o n a l c o m p u t e rp 舐p h e r a li n t e r f a c e ，d u et ot h a t ，1 0 t so fn o v e ld c v i c e se m 吲昏e d ，s u c h a sm o b l l e h a r dd i s k ，n a s hm 锄o we t c h o w e v t h ek e yt ec _ h n 0 1 0 9 yo fu s b 2 oi n t e 血c ei so i l l y p o s s e s s e db yaf e wc o m p a l l i e sa b r o a ds u c ha si n t e l ，p h i l i p s ，w h i l e b l a i l l 【i n 跚n a t om e e t m em 啦e tr e q u i r 锄e n ta n db o o s tt h ea b i l 蚵o f i cd e s i 印，w ea r es t r i n g e l l tt od e v e l o po u r o w nu s b 2 0i n t e r f a c ec h i p t h e 仃a n s c e i v e ri n t e r f a c ec i r c u i ti nt h i sd i s s e r t a t i o ni sm e m o s t i m p o r t 枷p a no fu s b 2 oi n t 曲c ew h i c h i sah i g l ls p e e dm i x e ds i 弘a 1c i r c u i t t h ep r i n c i p l e so fap h y s i c a ll a y 盯( p h y ) u s b 2 ot m s c e i v e rc h i pa r e d i s c u s s e d6 r s t l y t 1 1 e nm ed e s i 印u s e st h et o p - d o w nd e s 蜘m e t h o d t h ea r c l l i t e c t u r ea i l dd e s i 盟m e t h o d so fap h y s i c a l1 a y e r ( p h y ) u s b 2 ot r a n s c e i v e r 幽pa r es t i l d i e d b a s e do ni t ，p r o p o s a lt h eo v e r a l ld e s i 班，西v et h es y s t e mc o n s t m c t a n d s p e c i j e i cd e s i g ni n d e x u s i n gt h eh s p i c et oe i 】1 u l a t et h em o d u l a r c i r c u i t a tl a s t ，a c c o m p l l s h t h el a y o u td e s i g n n ed i s s e n a t i o ni se m p h a s i z e do nd l l a l 一m o d et r a l l s m i t t e ra r c h i t e c t u r e ，i m p l 锄e n t a t l o n o fh i 曲s p e e dd l lu s i n gd b a ( d i 酏a l - b a s e da n a l o 曲t e c t l l l o l o 斟a 1 1 d an e wd e s l 印 m e t h o d 0 1 0 9 yf o rc o m p l e xd i 或a lm o “e si n “x e d - s i 印a l 洲t t h ed u a lm o d e 蛾l i l s m i t t e rc 锄b ec o n 6 9 u r e di nv o l t a g em o d es u p p o n i n g12 m b p s d a t ar a t eo fc 1 】r r e l l tm o d es u p p o r t i n g4 8 0 m b p sd a t ar a t e i tr e d u c e s 孕e a t l ym e 血p a r e a r e s u l t i n g 舶m t ：i l i sa rc _ i l i t e 曲吁e d b ad e s i 印i st od e s i 铲m em o s tp a r to fc i r c u i tw 池d i 西t a l 舳e t i c ，l e 撕n g b 出n daf e wa 1 1 a l o gc i r c u i t d b ad e s i 印c a l le 1 1 h a i l c em ed l l c i r c u i t i sr o b u s n l e s s 锄d m i i l i m i z et h ec l o c kf i t t 既na l s oa 、r o i d sm ed i 伍c u l t yo fa 1 1 a l o gp a r 锄e t e rd e s i g na n d p r o c e s sc o n t i d l 1 1 l en e wd e s i 盟m e m o d o l o g yf o rc 0 m p l c xd i 孚t a lm o d u l ei nm i x e ds i 印a lc 讹u i t r e a l i z e sar e a ld e s i 印a u t o m a t i o n i tc a i ls h o n e i lt h ed e s i 印c y c l e 姐dm a k em e c i r c u i th a v e ac o m p e t i t i v ep e r f o 衄觚c ew i mt h e 如1 1 - c u s t o m e dc i r c u i t k e yw o r d s ：u s b2 o ，t r a l l s c e i v e r ，p h y ，d i s c o 衄e c t i o ne n v e l o p d e t e c t o r l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得三匕友王些塞堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 。 学位论文作者签名：琶晶晶 签字日期_ d 辑多月2 阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 匕友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权北方工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：晋晶晶 签字日期：丑孵岁月如日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 琢t 荡白 签字日期：2 确i 年5 月2 d 日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1u s b 的发展背景及特点 无论作为网络终端还是作为独立个体，电脑的主要功能是对外界信息的采样、处 理、存储以及传输，接口电路是实现以上功能的重要手段。 在u s b ( u 1 1 i v 懿a ls 嘶a lb u s ) 技术诞生之前，计算机对不同的外围设备的联接主 要通过不同的外围接口( 如串行接口、并行接口等) 来实现。但是上述类型的接口具 有如下缺点：首先，多种接口芯片占用了过多的p c 主板面积；其次，一个接口在同 一个时刻往往只能连接一个特定的外围设备；再次，很多接口设备在插到p c 上时需 要重新启动电脑，安装驱动程序，给用户带来很大的不便；最后，在传统的i o 模式 下，接口占用i o 地址和i r q 中断资源，经常导致i o 地址冲突等问题。这些潜在的 问题驱使硬件设计工程师去思考用一种通用的技术来代替现有的接口技术，u s b 技 术正是在这种背景下产生的。 u s b 设备接口的构想是将计算机的各种外围接口统一起来，用带四根线( 两根 电源线和两根数据线) 的接口来实现任意设备和p c 间的通讯。外围设备可以通过 u s b 接口的电源线供电，解决了外围设备自带电源线带来的不便。1 9 9 5 年，c o m p a q 、 d i 西t a le q u i p m e n tc o r p 、i b m 、i i l t e l 、m i e r o s o n 、n e c 和n o 劬锄t e l e c o m 七家世界 著名的计算机和通信领域公司组成的联盟提出了u s b 0 9 通用串行总线规范并加以推 广。1 9 9 6 年，u s b i f ( u s bh i l p l e m e n t f o n l m ) 公布了第一个u s b 产品设计标准u s b l o 规范。1 9 9 8 年，在对以前版本的标准进行阐述和扩充的基础上，u s b i f 发布了支持 1 5 m b p s 的低速模式和1 2 m b p s 的全速模式的u s b l 1 规范【。 虽然u s b l 1 规范支持1 5 m b p s ( 低速) 和1 2 m b p s ( 高速) 数据传输，但是对于 大容量数据传输，这种带宽还远远不能满足数据传输的要求。1 9 9 9 年，u s b i f 正式 制定了u s b 2 o 的规范，它不仅向下兼容u s b l 1 规范，而且还支持4 8 0 m b p s 的高速 数据传输。新规范保证了u s b 接口可以用于彩色扫描打印、高清晰数字会议视频、 高速硬盘等一些以往受限于u s b 速度瓶颈的设备上。u s b 2 o 满足了高端应用中对总 线带宽的需求，u s b 2 o 设备于2 0 0 2 年下半年大规模出现，到2 0 0 4 年，其市场规模 超过了u s b l 1 设备【引。 随着设备与设备之间直接的数据交互变得越来越频繁，为解决u s b 设备对p c 的依赖问题，2 0 0 1 年1 2 月底，u s b o t g ( o n t h e g o ) 技术被提出。在这个规范中， u s b 接口既可以作为设备又可以作为主机。该技术的出现解决了u s b 设备对p c 的 北方工业大学硕士学位论文 依赖，扩大了u s b 的应用范围。 u s b 接口有很多优点和特性，简单归纳如下【3 】： ( 1 ) u s b 接口把各种设备的接口统一成一种类型的接口，并且采用相同的u s b 接 口规范。 ( 2 ) u s b 接口覆盖广泛的数据传输速率范围。u s b 2 o 不仅支持低速的1 5 m b p s 以及全速的1 2 m b p s 数据传输，而且还支持高达4 8 0 m b p s 的数据传输，比一般的串口 快大约4 0 0 0 倍，比一般的并口快将近4 0 0 倍。 ( 3 ) u s b 接口具有即插即用的特点，能够由主机自动检测并且配置相应的驱动程 序。 ( 4 ) u s b 接口具有很好的扩充性。u s b 通过使用h u b 扩展，最多能同时挂接1 2 7 个设备。 ( 5 ) u s b 接口使用灵活。它不但支持三种不同速度的数据传输，而且还支持四种 不同类型的数据传输方式：控制传输、中断传输、等时传输和批量传输，这四种传输 方式分别适用于不同应用领域。 ( 6 ) u s b 接口具有自动供电能力，并且能自动进入省电模式。 上述优点使得u s b 接口的应用越来越广泛，并成为当今计算机设备的主流接口。 1 2u s b 2 o 发展现状及课题意义 在国外，设计者拥有相当成熟的u s b 接口设计技术和经验，不断地优化和提升 u s b 接口的功能。u s b 产品在国外市场上也相当普遍。 在国内，与u s b 技术相关的研发主要集中在u s b 的应用和系统的开发上，u s b 设备接口的设计技术相对薄弱。目前，国内已有企业涉足u s b l 1 设备接口的设计， 并在技术上有所突破。u s b 2 o 比u s b l 1 在速度上有大幅度提高，对硬件设计的要求 提高到了更高层次，这种设计难度对于国内现有的设计水平来说是一个挑战。目前， 国内的u s b 2 o 芯片基本依靠进口。因此无论从市场的需求还是从提高国内自身的设 计水平来说，研究u s b 设备接口电路，并且设计开发自主产权的u s b 2 0 设备接口 都具有重要的现实意义【4 】。 1 3 论文主要工作 论文主要目标是设计u s b 2 o 物理层接口电路，该接口电路主要包括接收器 ( r e c e i v e r ) 、发送器( t r a i l s m i t t 哪、相应的状态控制逻辑，u s b 信号检测与输出缓冲 2 北方工业大学硕士学位论文 器。主要遵循u t m i ( u s b 2 ，o t r a n s c e i v e rm a c r oh l t e m c e ) 协议和u s b 2 0 协议要求。 发送器采用双模发送器，在一个结构电路中兼容高速和全速模式，不仅大大降低 了芯片的复杂程度，而且降低了芯片面积。 接收器的结构则取决于数据恢复的方案。一般采用p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 结构 进行时钟恢复，进行这种数据恢复对p l l 时钟要求过高，然后对数据进行恢复。但 是本设计采用对从c a b e l 接收的数据进行过采样的设计方案，然后对多相数据进行 正确的选择恢复出原始数据，因此接收器采用d l l 来产生多相时钟，此时p l l 的时 钟只需要和数据传输速率相等即可。 信号包络检测器检测u s b 信号的连接与断开。输出缓冲是将集成电路中低驱动 能力产生的输入信号，变成高驱动能力的信号。 基准电压源采用带隙基准电压源。高速发送电路要求在电源电压波动士1 0 温度 从2 0 到8 5 变化时，能够正常工作，因此高速发送电路设计的关键是设计一个高 精度参考电压源。本电路内部的工作点以及电流源的大小都由该电压参考源决定，所 以对于这样一个高精度的电压源，必然要采取能隙电压源结构( b a n d g a p ) 。 1 4 各章节安排 第一章主要介绍u s b 的发展背景，特点，发展现状及课题意义论文的主要工作 和各章节安排。 第二章介绍设计流程。 第三章给出了u s b 2 0 收发器的体系结构，包括系统介绍，芯片管脚说明。 第四章讲述了论文主要组成模块的设计和实现，包括双模发送器，接收器，包络 检测器，输出缓冲，基准电压和电流源的设计，双模发送器由控制逻辑，前置驱动和 主驱动单元组成，接收器分为高速和全速接收器，基准电压源采用带隙基准电压源结 构。电流源的设计由电压源转化而来。最后分别给出了各部分电路图，h s p i c e 仿真结 果和版图。 第五章给出了论文的结论与展望。 北方工业大学硕士学位论文 2 设计流程 2 1a s i c 的分类和设计流程 专用集成电路( a s i c ，a p p l i c a t i o ns p e c i 丘ci n t e 琴a t e dc i r c u i t ) 是一种为专门目的而 设计的集成电路，具有设计自由度大、芯片中没有无用的单元或晶体管、面积小、性 能高、大批量生产时成本低的特点。目前，a s i c 的设计已经在整机系统与电路的设 计中占有重要的地位1 5 j 。 a s i c 按应用特性分类，有数字a s i c 、模拟a s i c 和数模混合a s i c 三种。 按a s i c 芯片制造方法分，a s i c 设计可以分为全定制方法和半定制方法。全定制方 法是一种基于晶体管级的a s i c 设计方法，设计者使用版图编辑工具，从晶体管版图 尺寸、位置及互连线开始设计，这些设计全部是按用户的要求进行的。这种设计方法 是以得到尽可能小的芯片面积和尽可能高的系统性能为目标，在大批量生产时具有成 本低的优点，常用于大批量的a s i c 生产中，但全定制方法设计周期长，开发阶段投 资风险大。 半定制集成电路指所有的逻辑单元预先进行设计，但其中一些或所有的掩膜版按 定制方式进行制作的集成电路。使用单元库中预先设计好的单元可以大大简化设计， 设计者不必涉及单元电路内部器件之间的互连，只需要将这些基本单元进行合理的布 局和互连就行了。在这里将半定制集成电路分为标准单元集成电路和门阵列集成电 路。 在标准单元设计中，是以精心设计的逻辑电路单元及版图为基础，按具体电路的 要求可将它们放在芯片上的任意位置按行排列，单元行之间留出空隙作为单元间布线 的通道，标准单元可以是等高的，单元的宽度随逻辑电路的规模大小而变化。有的标 准单元设计系统亦可以接受高度、宽度均可变的宏单元。标准单元设计过程中，从库 中调出电路单元，单元行放置的位置及布线通道宽度均可由设计者确定，故标准单元 设计中，电路性能、芯片利用率以及灵活性较门阵列好，但因其需要用户设计全部的 掩膜版并要经过全部的工艺过程，故生产周期较长且成本也较门阵列高【6 】。 门阵列在a s i c 市场中占有很大的比重，这是由于它在设计过程中的自动化程度 高、生产周期短且价格较低，较适于批量小的a s i c 设计。门阵列的器件结构是在硅 片上预先制定好固定的晶体管阵列、固定的输入及输出的压焊块位置、固定的布线通 道。这种阵列分布的晶体管基片就称为门阵列母片。用它来实现的a s i c 是通过母片 上阵列分布的晶体管之间的金属化互连来实现的。 4 北方工业大学硕士学位论文 下图2 1 描述了a s i c 的设计步骤( 当然对于不同的软件开发系统，在设计步骤 上会有所不同) ，下面对每一步的功能作一个简单的介绍。 开始 + 设计输入 逻 辑 设 逻辑综合 计 l 葊線紑皜虁詟謤箑 蕗穩藔 局 线 数提取 测试码l 后仿真、d r c 、e r c 、l v s 版、流片 试、封装、考核 2 1s i c 的设计步骤 1 ) 设计输入，采用草图或硬件描述语言的方式将电子系统输入到a s i c 设计系 ； 2 ) 逻辑综合，对于h d l 输入的方式，采用逻辑综合工具建立网表： 3 ) 布局前模拟，检查系统功能的正确性，包括逻辑仿真和静态时序分析； 4 ) 布局布线，确定各功能块的位置及对功能块之间和单元之间进行布线。此时 考虑到芯片尺寸、电路的最高工作频率、最长的关键路径，以及电源地线、时钟树 布和芯片压焊点是否合理等； 5 ) 参数提取，确定各个连接处的电阻和电容等电学参数值； 6 ) 布局后模拟，加入布局布线时增加的各种寄生电学参数之后，再次检查系统 否正常工作。 北方工业大学硕士学位论文 从以上说明可以看出，步骤1 3 主要是电子系统的逻辑设计，逻辑设计的目的是 通过门电路级( 由n a n d ，n o t ，d f f 等基本门构成) 来确定可以满足所期望的逻 辑规格的那种逻辑构成。这时，逻辑信号作为数值1 ，0 来处理，设计结果用逻辑电 路图、布尔式或特定的语言来表示。 步骤4 6 主要是物理设计，即版图设计，是根据设计规则把经验证的电路设计成 制造芯片所用的掩模版图。 由于a s i c 电路的专用性决定了a s i c 产品的灵活性、多样性和快速性，所以可 充分发挥系统设计人员的灵感，以最快的速度负责电路系统和版图的设计，而把实现 电路工艺制造留给电路厂家来完成。 本课题最终采用的是在全定制设计思想( 按照需求制定芯片性能及参数指标，并 对模拟部分进行自行设计底层电路) 的基础上结合半定制设计中标准单元电路库的帮 助( 实现数字电路的设计) ，从而完成整个芯片的设计。 2 2 全定制版图设计技术 全定制版图就是在一定的设计规则( d e s i 舭m l e ) 下把原理图转化为g d s i i 格式的 文件，从而使得芯片制造厂家能够根据你提供的数据制造出相应工艺的芯片。只有在 符合这些设计规则的前提下，芯片的成品率才会较高，也是设计版图的基本要求。在 满足基本要求的前提下，要考虑到芯片的成本、性能，所以同时必要采取一些版图技 术降低成本，提高芯片的性能。 在集成电路的制造中，器件的几何图形受加工( 光刻和腐蚀) 精度的限制，物理 学对器件的图形大小和间距也有要求，这些制约用设计规则来表达。设计规则通常用 图形的最小宽度、最小间隔、最小围绕、最小重叠以及最小延伸等来表达。因为各个 工艺线的加工能力不同，每个集成电路制造工厂都有自己的规则。本课题采用的是华 润上华科技有限公司的0 6 p m d p d m 混合信号工艺的设计规则。 本课题的版图设计采用的是t a n n e r 公司的l e d i t 软件，在确定设计规则后， 将采用的设计规则输入到l e d i t 软件中去，用于后面的自动设计规则检查。 版图设计中用到的基本器件包括p m o s 晶体管、n m o s 晶体管、电容和电阻。 其中，p m o s 管由t o 、s p 、g t 、1 1 3 及w 1 五层组成，有效宽长比是由t o 和g t 的重叠部分决定；n m o s 管由t o ，s n ，g t 及w 1 四层组成，有效宽长比是由t o 和 g t 的重叠部分决定。 6 北方l 业大学硕士学位论文 在采用t a n n e r 公司的l - e d i t 软件绘制电路的整体版图时需要注意以下几个方 面叽 ( 1 ) 布局对称性 模拟电路的版图最大的特点就是非常讲究对称性。在版图设计时，按照信号通路 从左向右，从上而下的原则，需要合理规划好电源线和地线的分布，使得电源线和地 线对称分布，并能很好地将各个模块的版图隔离丌。 ( 2 ) 降低寄生参数 通常在实际的工艺制造过程巾，不可避免的会引入寄生电阻、寄生电容等一些寄 ，匕参数，这些都会直接影响芯片的性能。因此，在版图设计时要尽量减小关键路线的 走线路程，从而减小连线的寄生电阻和寄生电容。对于一般的金属连线，尽量避免并 行走线，可以减小寄生电容。 ( 3 ) 减小噪声干扰 噪声干扰将严重损坏：芯片性能，因此，在版图设计时，必须采用一些方法来降低 噪声的干扰。如在各模块电路布局时外围用电源或地线包围，或者是多加保护环。对 于高频电路，尽量减小高频线的走线。联系较多的功能块尽量靠近，以缩短连线，减 少噪声干扰。增加地与衬底的接触，在没有器件和走线的空白处多打衬底接触孔，并 且与地线连接，有利于收集衬底噪声电流，稳定衬底电位，减小干扰与被干扰。 除了上面的一些需要注意的方面以外，还要遵守一些电学规则： 天线效应：由于m o s 管栅极很薄，所以与栅极直接相连的多晶硅、金属的面积 要小，以防止工艺流程中产生的静电击穿。对于不可避免的较长栅极引线可以采用跨 层金属连线来消除天线效应，例如：与栅相连的金属1 面积较大，可在接近栅附近的 地方切断金属1 ，并用第二层金属线跨接。 密度原则：工艺要求金属、多晶硅的平铺面积不低于陔芯片总面积的3 0 以保证 芯片的平整性，散热均匀性等。对电路设计中不满足3 0 比例的层应在芯片适当的地 方添加不足的面积，并尽量合理地利用添加的部分。如不添加，j 签片制造过程中会自 北方工业大学硕士学位论文 动添加。 线电流密度：铝金属线允许通过的最大电流密度为o 8 m a 心，金属1 、金属 2 ( o 7 岬厚) 的电流密度应小于o 5 6 m a 心设计，更高层金属的线电流密度按小于 o 9 6 m a 心设计。若电流过大，使用年限较长，会产生原子迁移最终导致金属线断 路，加速芯片老化。 北方工业大学硕士学位论文 3u s b 2 o 收发器的体系结构 3 1 收发器芯片的定位以及应用场合 u s b 2 o 收发器是连接u s b 2 o 主控制器( h o s tc o n 纳l l 砷、集线器( h u b ) 、外设 ( d e v i c e ) 的物理层接口，它的作用主要是处理来自链接层的u s b 协议控制信号，发送 或者接收u s b 总线上的串行数据并进行数据恢复【引。 u s b 设备都是由设备相关逻辑( d e v i c es p e c i f i cl 0 西c ) 、串行接口引擎s i e ( s e r i a l i n t e 渤c ee n 西n e ) 和u s b 2 0 收发器宏单元( u s b 2 ot r a n s c e i v e rm a c r o c e l l ) 三部分组成。 u t m 的作用是对上行数据进行并串转换、位填充、n i 屹i 编码且发送到u s b 电缆； 对下行数据进行数据接受、n r z i 解码和位剔除，串并转换。英特尔为推动u s b 2 o 外设的设计发布了u t m 接口( u t m i ) 的详细说明书，并大力推动它成为标准。 图3 1u t m 功能模块图 图3 1 为u t m 功能模块图，它由以下几个主要部分组成例； ( 1 ) 收发器接口芯片( 上图中左边的发送器和接收器) ：负责发送数据至u s b 电缆 和接收来自u s b 电缆的数据，它分为高速和全速两个部分； ( 2 ) 高速和全速的数据恢复电路：高速d l l 和全速数据恢复电路( 6 0 m ) ； ( 3 ) 选择器( m u x ) ：从高速或全速数据中选择一路接收数据； ( 4 ) 链接层模块：接收数字功能( 1 ) n r z i 解码( 2 ) 位剔除( 3 ) 串行转并行；类似的， 链接层模块发送逻辑由( 1 ) n r z i 编码( 2 ) 位填充( 3 ) 并行转串行三部分组成。而我们要讨 9 北方工业大学硕士学位论文 论的是收发器接口芯片( 上图中左边的发送器和接收器) 设计。 目前市场上已有的较有竞争力的u t m 产品如下： ( 1 ) p h i l i p si s p l 5 0 l ：u s b 2 op e r i p h e r a lt r a | l s c e i v e r ( 2 ) n e cu p d 7 2 0 1 2 0u s b 2 op h y ( 3 ) l u c e n tt e c l l l l 0 1 0 百e su s b 2 0u s s 2 x lp h yc h i p s 3 2 系统框架图介绍 本文主要研究目标和主要研究内容是研制一种符合u s b 2 o ( 通用串行总线) 标 准的收发器接口芯片。 链接层 物理层 图3 2u s b 2 o 体系结构图 上图为u s b 2 o 设备的全局结构图。这是一个混合信号系统，由物理层和链接层 组成。物理层主要功能为数据的发送与接收，是一个数据传输模块，属于模拟电路； 链接层主要完成编码、解码、c r c 校验、同步序列功能，完全遵照协议进行的数字 化处理【1 0 1 。 其中物理层的组成为：发送器、接收器、d l l 、数据恢复电路、4 8 0 mp l l 上图斜纹模块为u s b 2 0 收发器接口芯片的组成，为本论文着重讲述的部分，下 面的章节将详细介绍这些关键模块。 该u s b 芯片由5 大功能模块组成，如下表： l o 北方工业大学硕士学位论文 表3 1u s b 功能模块表 序号模块名说明 1 t x ( 发送器)信号发送 2 i ( 接收器) 信号接收 3 数据恢复电路数据恢复 c o n t r o l 逻辑控制 4 其它物理层设计 r e 向e n c e 参考电源 e n c 编码 d e c 解码 5 链接层设计 c r c 校验 s y n c 同步 其中： t x 模块用于高速和全速数据发送。在设计中应针对两种工作模式( f s ，h s ) 设计 合适的电路结构及电阻、电容参数。难点在于保证电阻、电容参数在给定的流片工艺 条件下的准确性和稳定性，需要大量的仿真测试工作。在u s b 设备中通常不再兼容 低速模式，毕竟低速逐渐被淘汰，当然在u s b 主机中还是要求兼容比较低的u s b 设 备【1 1 1 。 r x 模块用于高速和全速数据接收。在设计中同样应针对两种工作模式( f s ，h s ) ， 设计合适的电路结构及电阻、电容参数。难点与t x 相同。 d r c 电路用于从接收数据中恢复出原始数据。u s b 通讯中没有独立的时钟通道， 因此数据到接收方时，数据必定丢失同步，因此必须从数据流中恢复数据并和发射端 保持同步，这是本课题的难点。本课题利用p l l 提供参考时钟，通过d l l 产生多项 时钟过采样接收数据，然后根据过采样算法进行数据恢复，从而使得接收数据与发送 数据同步。 链接层设计包括d e c ，e n c ，c r c ，s y n c 等子模块，完成u s b 协议帧的处理。 包括n r z i 编码和解码，循环冗余校验码生成、帧同步检测等。 设计芯片主要模块应该达到的详细技术指标如下【8 】： ( 1 ) t x 发送模块的技术指标 输出电阻( r o u t ) ： 4 5o h m s ( 4 0 5 4 9 5 ) 输出电容( c o u t ) ：小于3 p f 高电平( v o h ) l s f si o = o m a ：3 3 v ( 2 9 7 v 一3 6 3 北方工业大学硕士学位论文 h si o = 0 r n a ： 4 0 0 m v ( 3 6 0 1 1 1 v 一4 4 0 i i l l v ) 低电平( v o l ) l s f si o = 0 1 i 认：o v ( 一0 3 3 v 一+ o 3 3 v ) l s f si o = 6 m a ：o 3 v ( o 8 h si o = o l n a ：0 1 1 1 v ( 一4 0 m v 一+ 4 0 m v ) 输出共模电压( v m ) l s f s ：1 6 5 v ( 1 4 5 v 1 8 5 v ) h s ： o 2 v ( o 1 7 5 v o 2 2 5 上升下降时间( t r 册) l sm o d e ：8 7 5 n s ( 7 5 1 1 s 一3 0 0 l l s ) f sm o d e ：1 2 n s ( 4 n s 一2 0 1 1 s ) h sm o d e ：1 o i l s ( - o 8 n s 一1 2 n s ) ( 2 ) r x 接收模块的技术指标 敏感电平( r s e n s ) l s f s ：+ 2 5 0 m v h s ：+ - 2 5 m v 共模电压( r c m ) l s h s ：1 6 5 v ( o 8 v 一2 5 v ) h s ：o 2 v ( 0 1 v 一0 3 v ) ( 3 ) 其它技术指标 符合u s b 2 o 标准，传输速度达到4 8 0 m b p s 3 3 芯片管脚说明 v l s i u s 跎0 t r a n s e l v e r c h i p 图3 3 芯片管脚说明图 1 2 北方工业大学硕士学位论文 下表为芯片管脚说明： 表3 2 芯片管脚说明 信号名称信号类型 信号说明 d +u s b 差分数据线，包含全速和 输入 d 高速状态 e n 输入 芯片使能信号( 高电平有效) h s = 1 ，高速数据发送或者接收； h s 输出 h s = o ，全速数据发送或者接收 t x = l ，芯片处于发送数据状 t x 输入 态；t x = o ，芯片处于接收状态 接收数据时，d l l 的初始化信 r s t 输入 号 来自p l l 的4 8 0 m 时钟，作为 c l k 输入 时钟源 v c c 输入电源 g n d 输入 地 d + f s 输出全速输出差分信号 d f s r x lh s 输出高速差分信号数据输出 脱h s 输出高速差分信号数据输出 r x 3h s 输出高速差分信号数据输出 刚h s 输出高速差分信号数据输出 r x 5h s 输出高速差分信号数据输出 3 4 收发器设计能耗的考虑 随着集成度和时钟频率的大幅度提高，使得能耗问题日益突出。从热点预测、封 装选择、散热方案及可靠性方面来说，随着集成密度的提高，能耗正成为面积和速度 之外的设计的第三维度。基于以上理由，能耗已成为v l s i 技术中的关键性的限制性 因素之一。减小能耗已成为v l s i 设计的一个活跃的研究领域，在收发器系统的设计 中，能耗也是我们要考虑的非常重要的一个因素。 影响收发器系统能耗的因素有：信号传输模式( 电压模式电流模式) ，匹配方式 ( 发送端匹配，接收端匹配，双端匹配) ，信号极性( 单极性双极性) ，系统的电源 北方工业大学硕士学位论文 电压等。下面一一讨论【12 1 。 3 4 1 电压模式与电流模式能耗的比较 v t z o 、 土l r t 之 i厂 ( a ) 电压发送模式 b 、 上l r t 乏 一 彳广_ li ( b ) 电流发送模式 图3 4 发送器的两种发送模式 上图为发送器的两种发送模式，分为电压和电流模式。为了比较两种模式功耗的 差别，假设电压模式与电流模式都发送一位数据“1 ”，数据的宽度为1 0 n s 。由传输线 理论，信号不在l c 传输线上消耗能量，只在终端上被吸收。电压模式在终端匹配阻 抗r t 上消耗的能量为： 矿2 耳= 挚o ( 3 1 ) 么0 其中v d d 为发送端的电源电压，设为3 3 v ，z o 为传输线特征阻抗，设为5 0 欧姆， 在匹配条件下与终端匹配阻抗的值相等。t 为一位数据“1 ”的宽度，为l o n s 。那么由方 程3 1 可以得到，电压模式下传输一位数据“1 ”，在接收器的终端匹配阻抗上消耗的 能量为2 2 n j 。传输同样信号，电流模式在终端匹配阻抗r t 上消耗的能量为： 历= 2 z o 。 ( 3 2 ) 其中i t 为发送端对应“l ”时的电流，取8 i l 认，就一些资料以及设计经验来看，这 么大的一个电流已经足够了。由方程3 2 可以得到，电流模式下传输一位数据“l ”， 在接收器终端匹配阻抗上消耗的能量为3 2 p j 。 可以看出在同样的条件下，电压模式信号的能量约是电流模式信号能量的7 0 倍。 但实际上，电流模式消耗的能量不止3 2 p j ，因为电流模式的8 m a 电流是从电源电压 流下来的，电源本身要消耗一部分能量，其值为： 1 4 北方工业大学硕士学位论文 咖= ( 一厶五) 厶f ( 3 3 ) 由方程3 3 可以得到，电流源本身消耗的能量为2 3 2 p j ，电流模式发送一位宽度 为1 0 n s 的数据“l ”所消耗的总能量为： e n o 矧= e l + e 呻m 眵 q q 由方程3 4 可得，电流模式消耗总能量为2 6 4 p j ，比起电压模式的2 2 l l j 来，还是 小了很多。 由以上的讨论可以知道，就功耗角度而言，电流模式比电压模式节能得多，一般 相差1 0 倍左右。 3 4 2 不同终端匹配方式能耗的比较 终端匹配的方式有很多种，本节讨论常用的3 种匹配方式：发送器端匹配( 串联 匹配) ，接收器端匹配( 并联匹配) ，以及发送器接收器端匹配( 双端匹配) 。 ( 1 ) 串联匹配的能耗分析 串联匹配模式如图3 5 所示： v t 所以发送一位长度大于等于2 t l 的数据，串联匹配系统消耗的能量为： e ：警毗等 b 5 ， z o l z o 。 同理分析可以得到，当发送一位长度短于2 t l 的数据，即t b 而双极性信号消耗的能量为： e ：( 红每2 ( 3 1 0 ) 单极性信号消耗能量约为双极性信号消耗能量的两倍。 3 4 4 电源电压对能耗的影响 电源除了提供发送数据所需要的能量外，其余都消耗在两个饱和管上了，并且， 饱和管上消耗的能量与电源电压成线性关系。往往在饱和管上消耗的能量要大于发送 信号所需要的能量。 所以，从能量角度来看，应尽可能的减小电源电压。 3 5u s b 中的差分信号 u s b 的物理接口包括电气和机械两个方面。电气方面：u s b 通过一种4 线电缆 与主机或u s b h u b 相连接来传输信号和电源，如下图所示。在每个点到点段中，通 过两根导线( d + 和d ) 传送信号【1 3 】。 警囊錾鑫 渺 伊 9 籍囊 图3 8 采用差模信号传送方式的u s b u s b 接口之所以能够获得很高的数据传输率，主要是因为其摒弃了常规的单端 1 7 北方工业大学硕士学位论文 信号传输方式，转而采用差分信号( d i 虢锨1 t i a ls i 印a 1 ) 传输技术，有效地克服了因天线 效应对信号传输线路形成的干扰，以及传输线路之间的串扰。u s b 接口中两根数据 线采用相互缠绕的方式，形成了双绞线结构【l 们。 由两根信号线缠绕在环状铁氧体磁芯上构成的扼流线圈。在单端信号传输方式 下，线路受到电磁辐射干扰而产生共模电流时，磁场被叠加变成较高的线路阻抗，这 样虽然降低了干扰，但有效信号也被衰减了。而在差分传输模式下，共模干扰被磁芯 抵消，但不会产生额外的线路阻抗。换句话说，差分传输方式下使用共模扼流线圈， 既能达到抗干扰的目的，又不会影响信号传输。 差分信号传输技术是2 0 世纪9 0 年代出现的一种数据传输和接口技术，与传统的 单端传输方式相比，这种技术具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点，其传 输介质可以是铜质的p c b 连线，也可以是平衡电缆，最高传输速率可达1 9 2 3 g b p s 。 i n t e l 倡导的第三代i o 技术( 3 g i o ) ，其物理层的核心技术就是差分信号技术。那么， 差分信号技术究竟是怎么回事呢? 我们知道，在传统的单端( s i n 西e 饥d e d ) 通信中，一条线路来传输一个比特位。高 电平表示“1 ”，低电平表示“o ”。倘若在数据传输过程中受到干扰，高低电平信号完全 可能因此产生突破临界值的大幅度扰动，一旦高电平或低电平信号超出临界值，信号 就会出错，如图3 9 所示【1 5 】。 在差分传输电路中，输出电平为正电压时表示逻辑“1 ”，输出负电压时表示逻辑 “o ”，而输出“o ”电压是没有意义的，它既不代表“1 ”，也不代表“o ”。而在图3 1 0 所示 的差分通信中，干扰信号会同时进入相邻的两条信号线中，在信号接收端，两个相同 的干扰信号分别进入差分放大器的两个反相输入端后，输出电压为o 。所以说，差分 信号技术对干扰信号具有很强的免疫力。对于串行传输来说，l v d s 能够低于外来干 扰；而对于并行传输来说l v d s 可以不仅能够抵御外来干扰，还能够抵御数据传输线 之间的串扰。 干扰信号 叭 二一 | ololo1 图3 9 单端信号传输 l 无效区域 一j 北方工业大学硕士学位论文 夕扰信号 l 于扰信号 ololooolollo 图3 1 0 差分信号传输 1 9 北方工业大学硕士学位论文 4 主要组成模块