USB识别及阻抗匹配

1、USB识别及阻抗匹配2016/11/22修改记录:修订号作者日期简要说明31.概述 1.1.USB 传送数率 .1.2.USB 接口定义 .2.USB 识别 2.1.全速和低速识别2.2.高速识别 3.USB 匹配 .3.3.3.3.4.8.1.概述USB是英文universal serial bus通用串行总线的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑和外部设备的链接和通信。1.1. USB传送数率USB版本理论最大传输速率速率称号最大输出电流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接口定义USB信号使用分别标记为 D+和D-的双绞线传输，它们各自使用半双工的差分信号并协同工作, 抵消长导线的电磁干扰。触点功能（主机）功能（设备）1VBUS (4.75 - 5.25 V)VBUS (4.4 - 5.25 V)2D-D-3D+D+4接地接地2. USB识另我们知道USB2.0向下兼容USB1.X，即高速2.0的hub能支持所有的速度类型的设备，而USB

3、1.X的hub不能支持高速设备（High Speed Device ）。因此，如果高速设备挂到 USB1.X的hub上，那该设备只能工作在全速模式下。不管是hub还是设备（device），对于速度的区分是非常重要的，否则，后续的通信根本无法进行。2.1.全速和低速识别根据规范，全速（Full Speed）和低速（Low Speed）很好区分，因为在设备端有一个1.5k的上拉电hub根阻，当设备插入hub或上电（固定线缆的 USB设备）时，有上拉电阻的那根数据线就会被拉高,据D+/D-上的电平判断所挂载的是全速设备还是低速设备。如下两图: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全速设备上电连接(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低速设备上电连接(Low-speed Device Cable and Resistor Connections)2.2.高速识别USB全速/低速识别相当简单，但 USB2.0，USB1.X就一对数据线,不能像全速/低速那样仅依靠数据线上拉电阻位置就能识别 USB第三种速度：高速。因此对于高速设备的识别就显得稍微复杂些。高速设备初始是以一个全速设备的身份出现的，即和全速设备一样,D+线上有一个1.5k的上拉电阻。USB2.0的hub把它当作一个全速设备之后，hub和设备通过一系列握手信号确认双方

6、的身份。在这里对速度的检测是双向的，比如高速的hub需要hub是检测所挂上来的设备是高速、全速还是低速，高速的设备需要检测所连上的USB2.0的还是1.x的，如果是前者，就进行一系列动作切到高速模式工作，如果是后 者，就以全速模式工作。下图展示了一个高速设备连到 USB2.0 hub上的情形:IdleHubk-jChirpF 时qDeviceapptisEt&rrrinatiorEnc of0.SV fhub检测到有设备插入/上电时，向主机通报，主机发送Set_Port_Feature请求让hub复位新插入的设备。设备复位操作是hub通过驱动数据线到复位状态SE0(Single-end

7、ed0，即D+和D-全为低电平)，并持续至少10ms。高速设备看到复位信号后，通过内部的电流源向D-线持续灌大小为17.78mA电流。此时高速设备的1.5k上拉电阻还未撤销，在hub端，全速驱动器形成一个阻抗为45欧姆(Ohm)的终端电阻，所以在hub端看到一个约800mV的电压(45欧姆*17.78mA)，这就是Chirp K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms7mso在hub端，虽然下达了复位信号，并一直驱动着 SE0,但USB2.0的高速接收器一直在检测Chirp K信号，如果没有Chirp K信号看到，就继续复位操作,直到复位结束,之后就在全速模式下操作。如果只是一个全速的hub

8、，不支持高速操作，那么该hub不理会设备发送的Chirp K信号，之后设备也不会切换到高速模式。设备发送的Chirp K信号结束后100us内，hub必须开始回复一连串的KJKJKJ.序列，向设备表明这是一个 USB2.0的hub。这里的KJ序列是连续的，中间不能间断， 而且每个K或J的持续时间在40us60us之间。KJ序列停止后的100500us内结束复位操作。hub发送Chirp KJ序列的方式和设备一样，通过电流源向差分数据线交替灌17.78mA的电流实现。再回到设备端来。设备检测到 6个hub发出的Chirp信号后(3对KJ序列)，它 必须在500us内切换到高速模式。切换动作有：1

9、. 断开1.5k的上拉电阻。2. 连接D+/D-上的高速终端电阻(high-s peed term in atiorj)，实际上就是全速/低速差分驱动器。3. 进入默认的咼速状态。执行1, 2两步后，USB信号线上看到的现象就发生变化了： hub发送出来的Chirp KJ序列幅值降到了原先的一半，400mV。这是因为设备端挂载新的终端电阻后,配上原先hub端的终端电阻，并联后的阻抗是 22.5欧姆。400mV就是由17.78mA*22.5Ohm得来。以后高速操作的信号幅值就是 400mV而不像全速/低速那样的3V。至此，高速设备与USB2.0 hub握手完毕，进行后续的480Mbps高速信号通

10、信。最后附上几幅实际USB高速识别的示波器抓图，图中蓝色信号是 D+,黄色信号是D-。1. 数据线D+在T点之前挂上1.5K电阻，在T点被host拉成EP0状态。在近2ms后，设备发送第一个Chirp K，向host通知说：我是一个高速设备，如果可能，请用高速方式与我通信。其幅度是 800mV（ 17.78mA * （45Ohm | 1.5kOhm） = 800mV，见上文解释）。在这里，Chirp K的持续时间是2.13ms（ a，b两点之间）。PrgVu91 oovO 1.0(1 VICiioaps4%tl ;- Hr ._； VllfIflllfItllllllllllltllllfli

11、ltdII1*1U II HHtiHiMIHI Ilf MH Mill 1111111IliitlllllCllviflllllliltllllllllllMItllSOOmV A760mV443 3Srn号poin估9 1S4ms ® 3.e7rnsA2.13ms2. 这幅图显示了 host发出的chirp KJ信号的幅度，头几个KJ是800mv（a, b之间），随后 的是400mV。图中可以看到设备在收到第三个 chirp J （蓝色短条）后马上把1.5k电阻取消, 导致 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. 量测了一个chirp J的宽度：43.5usoP reVu3.S3ms3.S7rnsA43.5US00O VSOOrnVAJiOOnV(O i.oov l.Otl V_J loops2.5OGSZS一叫JEH監 sq/s昌 tTK 另iM poinrw3. USB匹配USB控制器的内部结构如下图所示: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由上图可知，USB的高速模式和低速/全速使用不同的驱动器，USB使用差分特性阻抗为90ohm的线,USB全速模式下驱动器的输出阻抗和输入阻抗不为45ohm,信号会发生反射造成信号质量下降，需要对电路进行匹配来减小信号的反射；常用的匹配方式有：串联匹配、并联匹配、戴维南匹配等。USB全速驱动器的输出阻抗一般比较小，USB线的阻抗匹配必1.若输出阻抗 特性阻抗，则可以通过串联电阻来实现匹配，要实现驱动器和须在USB D+和D-上串联电阻，串联电阻的要求为 Rs+R

16、串=USB线特性阻抗;以下分别为串联 Oohm、3ohm、22ohm、33ohm、51ohm 和 68ohm 眼图，RT mean和p FT mean 为上升和下降时间的平均值。2)>6pcm+a43O01020QOi70 2 Qa40SOtim电.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.当阻抗 特性阻抗时，则要通过并联电阻来实现匹配，而在高速模式下，信号是通过电流源驱动的，以上匹配电阻的存在都将降低信号质量，下面分别举串联lOohm、22ohm和 33ohm 为例;1)没有串联电阻时的眼图如下: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 ;-