usb阻抗匹配

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1、 USB 阻抗匹配阻抗匹配 2016/11/22 目录目录 1. 概述 . 2 1.1. USB 传送数率 . 2 1.2. USB 接口定义 2 2. USB 识别 2 2.1. 全速和低速识别 . 2 2.2. 高速识别 . 3 3. USB 匹配 7 第 1 页共 14 页 1. 概述概述 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 USB1.0 1.5Mbps(192KB/s) 低速(Low-Spe

2、ed) 5V/500mA USB1.1 12Mbps(1.5MB/s) 全速(Full-Speed) 5V/500mA USB2.0 480Mbps(60MB/s) 高速(High-Speed) 5V/500mA USB3.0 5Gbps(500MB/s) 超高速(Super-Speed) 5V/900mA 1.2. USB 接口定义接口定义 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） 1 VBUS (4.755.25 V) VBUS (4.45.25 V) 2 D- D- 3 D+

3、 D+ 4 接地 接地 2. USB 识别识别 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 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 阻，当设备插入

4、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，hub 根 第 2 页共 14 页 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： USB 全速设备上电连接 （Full-speed Device Cable and Resistor Connections） USB 低速设备上电连接 （Low-speed Device Cable and Resistor Connections） 2.2. 高速识别高速识别 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

5、 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 版本（A/1）第 3 页共 14 页 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

6、.0 hub 上的情形： hub 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+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

7、 K 信号。Chirp K 信号的持续时间是 1ms7ms。 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，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

8、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. 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。 版本（A/1）第 4 页共 14 页 3. 进入默认

9、的高速状态。 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

10、 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）。 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

11、阻取消， 导致 chirp J 的幅值下降到 400mV。(17.78mA * (45Ohm | 45Ohm) = 17.78mA * 22.5Ohm = 400mV) 版本（A/1）第 5 页共 14 页 3.量测了一个 chirp J 的宽度：43.5us。 版本（A/1）第 6 页共 14 页 3. USB 匹配匹配 USB控制器的内部结构如下图所示： 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

12、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， 1. 若输出阻抗特性阻抗时，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10ohm、22ohm和33ohm为例； 1) 没有串联电阻时的眼图如下： 版本（A/1）第 10 页共 14 页 2) R串 = 10ohm Udevice = 17.78*45/(10+45) = 440.1mV，Uhost = 45/(45+10)*440.1 = 360.1mV； 版本（A/1）第 11 页共 14 页 3) R串 = 22ohm Udevice = 17.78*45/(22+45) = 478.6mV，Uhost = 45/(45+22)*478.6 = 321.5mV； 4) R串 = 33ohm 版本（A/1）第 12 页共 14 页 Udevice = 17.78*45/(33+45) = 507.4mV，Uhost = 45/(45+33)*507.4 = 292.7mV； 1、1.5K上拉到？ 2、800mv时候的等效电路？ 版本（A/1）第 13 页共 14 页