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USB识别与阻抗匹配

2016/11/22

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简 要 说 明

目 录
1. 概述 3
1.1. USB 传送数率 3
1.2. USB接口定义 3
2. USB识别 3
2.1. 全速和低速识别 3
2.2. 高速识别 4
3. USB匹配 8

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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
USB1.0
1.5Mbps(192KB/s)
低速(Low-Speed)
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
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 (4.75－5.25 V)
VBUS (4.4－5.25 V)
2
D-
D-
3
D+
D+
4
接地
接地
2. USB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
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
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：

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 K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms~7ms。
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，中间不能间断，而且每个K或J的持续时间在40us~60us之间。KJ序列停止后的100~500us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。
3. 进入默认的高速状态。
　　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电阻取消，导致chirp J的幅值下降到400mV。(17.78mA * (45Ohm || 45Ohm) = 17.78mA * 22.5Ohm = 400mV)

3.量测了一个chirp J的宽度：43.5us。

3. USB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，则可以通过串联电阻来实现匹配，要实现驱动器和USB线的阻抗匹配必须在USB D+和D-上串联电阻，串联电阻的要求为Rs+R串=USB线特性阻抗；
以下分别为串联0ohm、3ohm、22ohm、33ohm、51ohm和68ohm眼图，RTmean和FTmean为上升和下降时间的平均值。

1) R串 = 3ohm，RTmean = 3.30ns；FTmean = 2.80ns；

2) R串 = 22ohm，RTmean = 3.71ns；FTmean = 3.12ns；

3) R串 = 33ohm，RTmean = 4.36ns；FTmean = 3.61ns；

4) R串 = 51ohm，RTmean = 4.88ns；FTmean = 4.50ns；

5) R串 = 68ohm，RTmean = 6.85ns；FTmean = 7.16ns；

2. 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10ohm、22ohm和33ohm为例；
1) 没有串联电阻时的眼图如下：

2) R串 = 10ohm

Udevice = 17.78*45//(10+45) = 440.1mV，Uhost = 45/(45+10)*440.1 = 360.1mV；

3) R串 = 22ohm

Udevice = 17.78*45//(22+45) = 478.6mV，Uhost = 45/(45+22)*478.6 = 321.5mV；

4) R串 = 33ohm

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？