USB识别及阻抗匹配

1、实用标准文档usBm别及阻抗匹配2016/11/22修改记录:修订号作者日期简要说明文案大全目录1. 概述 31.1. USB传送数率 31.2. USB接口 定义 32. USBW 别 32.1. 全速和低速识别 32.2. 高速识别 43. USB 匹配 81. 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USB1.01.5Mbps(192KB/s)低速(Low-Speed)5V/ 500mAUSB1.112Mbps(1.5MB/s

2、)全速(Full-Speed)5V/500mAUSB2.0480Mbps(60MB/s)高速(High-Speed)5V/500mAUSB3.05Gbps(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，以 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U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

3、 USB1.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 ）和低速电阻，当设备插入 hub或上电（固定线缆的（Low Speed）很好区分，因为在设备端有一个1.5k的上拉USB设备）时，有上拉电阻的那根数据线就会被拉高，hub根据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:US晖速设备上电连接(Full-spee

4、d Device Cable and Resistor Connections6Low-speed FunctionHost or Hub PortLow-speed USB T ransceiv&rFull-speed or Law-speed USB TransceiverRpd=15KQ 5%1 1寸FSlow Slew Rate Buffer 带USBf氐速设备上电连接(Low-speed Device Cable and Resistor Connections )2.2. 高速识别USEr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

5、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嗡上有一个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的身份。在这里对速度的检测是双向的，比如高速的 hub需要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hub是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：HubEnd ofRese

6、thub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-ended 0 ,即D日口 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勺电压（45欧姆*17.78mA）, 这就是Chirp K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms7ms在hub端，虽然下

7、达了复位信号，并一直驱动着SEQ ! 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,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 K

8、J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 .断开1.5k的上拉电阻。2 .连接D+/D-上的高速终端电阻（high-speed termination ）,实际上就是全速/低速 差分驱动器。3 .进入默认的高速状态执行1, 2两步后，USB言号线上看到的现象就发生变化了：hub发送出来的ChirpKJ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

9、。400mVft是由17.78mA*22.5OhmW 来。以后高速操作的信号幅值就是 400mVB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-o 1.数据线D+S 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。具幅度是 800mV( 17.78mA * (45Ohm | 1.5kOhm) = 800mV ,见上文解 释)

10、。在这里，Chirp K的持续时间是2.13ms (a, b两点之间)。2.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)= 17.78mA* 22.5Ohm=400mV)3 892院植 5M points 1J2VJL3.量测了一个chirp J 的宽度：43.5us实用标准文档3. USB匹配US粉制器的内部结构如下图所示:H S_Dif

11、ferenhal jReceiver_O urtput HS OdTefeniJal Data RL S/FSjDiffere ntialjReceiver_Output <LS/FS DiflfeT/ntiwl Data RSE _Data+_Receaver_O Lit put+3 3VRpu_EnableRpuData InputSEQSquelch 4HS DisconnectNote TTie Rpu pull-up mistor, and Hie orcuitr 吐quird k> erkblE andl dsabJe- il. are only required in

12、 upstream laeing Er&naraiwersHS_C Lnrent_Source_Ena ble HS_Dnve_E nabl e HS_D*ita_Driwer_lnputLS/FS_Data_DiiverJnptrt Assert_Simg le_Ended_Zero AFSJEdge_Mode_Sel ALS/FS_Driveir_Output_Enable »WvRbData+Data-SE Data- Receiver Output <VTLSX-Ms鹏 The Rpd resold to grgmdwc gmiy incqiimd in dfe

13、wrertnwmfgcir¥g ifrwiSDCiwcrsRpd由上图可知，USB勺高速模式和低速/全速使用不同的驱动器，US微用差分特性阻抗为90ohm勺线，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。US阶速驱动器的输出阻抗一般比较小，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US酸的阻抗匹配必须在USB D+和D-上串联电阻，串联电阻的要求为Rs+舟=US酸特性阻抗；以下分别为串联 0ohm> 3ohmr 22o

14、hm 33ohm 51ohmf口68ohmi艮图，RTmearf口 FTmear上升和下降时间的平均值。1) R串=3ohm , RTmean = 3.30ns ; FTmean = 2.80ns ;文案大全实用标准文档文案大全4A：二：.I二 r"J.:*, l1 . “-'力m% n鼻J 23) R串=33ohm , RTmean = 4.36ns ; FTmean = 3.61ns ;102) R串=22ohm , RTmean = 3.71ns ; FTmean = 3.12ns ;5) R串=68ohm , RTmean = 6.85ns ; FTmean = 7.

15、16ns ;实用标准文档0 52 .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10ohmv 22ohmf口33ohm为例;1) 没有串联电阻时的眼图如下：2) R 串=10ohm文案大全二一一后广金6-而是？*僚tp实用标准文档文案大全Udevice = 17.78*45/(10+45) = 440.1mV, Uhost = 45/(45+10)*440.1 = 360.1mV0 5 4 0,3 2 ,10 102 -0 3 0.4 0,50020.4060.311.21.41 0 IBtim% ns：3) R 串=22ohm1 gcUH传输线17.73mA=17