原创 USB的电气特性

USB2.0规范要求hubs支持高速模式，而USB2.0设备不需要支持高速模式。高速收发器的上游不支持低速信号模式，而一个USB 2.0收发器下游必须要支持高速、全速和低速模式。

为了保证能够在高速的数据传输速率上可靠的运行，这一规格所要使用的电缆要符合目前所有电缆的规格。

一、信号的发送

总观高速信令

图1.高速能收发电路

    图1显示的是基本上采用USB1.1收发器内容的一个例子，并为高速运行补充了新的内容。

高速运行模式支持480M/s的信号速率。如果以此速度，为了实现信号传输的可靠性，电缆两端的终点必须有电阻连接在每根电线和地面连接之间。这种电阻的值在数值上设置为电缆的差分阻抗的1/2，或45Ω。这带来了一个90Ω的差分终端。

对于连接在高速模式的情况，当电缆两端收发器的高速端子面向地面，或者收发信号时电流驱动器没有把电流送入D+和D-线路时，高速空闲状态就会发生。这种状况是通过使用低/全速驱动使用单一的端点0，并紧密控制内在驱动器的所有输出阻抗和遥感阻抗（数值上是45Ω）来实现的。建议的做法是是使内在驱动阻抗尽可能的处在低的水平，让Rs贡献越多的45Ω越好。这通常会带来最佳的准确性和终止尽量少的载入寄生。

动态开关的电流进入的D+、D-线路遵循同样的NRZI数据编码方案。这使用在低速和全速操作和比特填充中。

电流源的幅值和终端电阻的值被控制在指定的公差范围内，并且他们共同确定实际电压驱动的水平。当无负荷测量时，从D+或者D-线出发链接到装置地面的直流电阻需要在45Ω±10%内。当D+和D-终端有精确地45Ω电阻接地时，在整个线上测量的差分输出电压必须在±400mV±10％范围内。

下表介绍了对于高速能力的收发器所需要的功能要素，图1作为一个例子。

(一)USB 驱动器的特性及其使用

一个USB设备端的连接器是由D+、D-及Vbus、GND和其它数据线构成的简短连续电路，并要求连接器上有电缆屏蔽，以免设备在使用过程中被损坏。它有两种工作状态，即低态和高态。在低态时，驱动器的静态输出端的工作电压Vol变动范围为0～0.3V，且有一个15kΩ的接地负载。处于差分的低态和高态之间的输出电压变动应尽量保持平衡，以能很好的减小信号的扭曲变形。

在任何驱动状态下，USB设备必须要能够接收如图1所示的波形。这些波形从一个输出阻抗为39Ω的电压源直接进入每一个USB数据口。

高速驱动特性：

一个高速USB设备的连接是通过阻抗为90Ω±15%，最大单路时延为26ns 的屏蔽双绞线电缆进行的，其到达的最大速率为12Mb/s，并且每个驱动器的阻抗必须在28Ω～44Ω之间。图2描述了高速驱动器的信号波形。

低速驱动器特性

     一个低速USB设备在插口端必须要有一个带有串行A口连接器的可控制电缆，其速率为1.5Mb/s。当电缆与设备相连时，在D+/D-线上必须要有一个200～450PF的单终端电容器。低速电缆的传播时延必须小于18ns，从而保证信号响应在其上升沿或下降沿的第一个中点处产生，以允许电缆与一块电容器相连。图3列出了低速驱器的信号波形。

图4和图5分别列出了高速和低速USB设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备。从图我们可以看出在电缆的下形端的电阻Rpu在两图中的连接位置不同的：

·图4 高速设备中的Rpu 电阻是接在D+线上的。

·图5 低速设备中的Rpu 电阻是接在D-线上的。

·下形端口处的Rpu 电阻是与地相连的，其电阻为15KΩ±5%。

这个Rpu电阻的选取要满足一定的条件，为了在一个复位操作结束后方便的确定可被执行的总线状态，那么选取Rpu时要能使D+/D-线上的电压在2.5us的最大复位松弛时间内可在0~Vih内自有变动。为了满足这一条件，带有可分电缆的设备必须使用加载电压在3.0~3.6V间阻抗为1.5kΩ±5%的电阻；而具有可控电缆的设备可以使用两种方法中的任一种。注意：终端电阻不包括主机/HUB上的15kΩ±5%的电阻。

所有集线器和高速的功能设备上行端口（朝主机方向的）必须使用高速的驱动器，上行集线器端口既可以高速又可以低速来传送数据。但是在信号发送时，总是使用高速和边缘速率。低速数据的传输不改变驱动器的特性，低速设备的上行端口必须使用低速驱动器。

所有集线器（包括主机的）外部下行端口必须能适用于两种特性的驱动器，也就是说，任何类型的设备都能被插入这些端口中。当收发器工作在高速模式时，它使用高速和边缘速率来进行信号的发送；工作在低速时，它使用低速和边缘速率来发送数据。

（二）接收器特性

一个差分输入接收器用来接收USB数据信号，当两个差分数据输入处在共同的0.8~2.5V的差分模式范围时，如图6所示，接收器必须具有至少200mv的输入灵敏度。

除了差分接收器外，还必须有为两个数据线中任一个所用的单终端接收器，此时该接收器的合并磁滞现象可以减少它们对噪声的灵敏度。

在差分信号传送期间，D+和D-线上的电压小于Vih。对于高速传送而言，这个阶段可以延续到14ns；对于低速传送，可以延续到I/Vns之久。接收器的逻辑设备用于保证这种情况不会被当做SE0态来处理。

（三）输入特性

A.全/低速的输入特性

收发器终端的输入阻抗允许值为7300kΩ（ZINP）。

在每一引脚测量可以测得端口的输入电容，下游的端口可以使用不同的输入电容。下游端口D+、D-线上最大允许的输入电容为150pF。它由以下几部分构成：

（1）每一个收发器和连接器的集总电容：75pF；

（2）接口和收发器间的每一根导线的75pF的电容。

面向上游端口的最大电容在可分离式的电缆情况下为100pF，这由以下几部分构成：

（1）每一个收发器和连接器的集总电容：75pF；

（2）接口和收发器间每一根导线的电容：25pF，D+和D-线上电容的差异必须小于10%。

全速束缚型电缆的设备本身可能具有在D+、D-线上的75pF的集总电容。

低速的设备要求使用束缚型的电缆，低速设备的电容应该包括线缆上的电容。最大的单端或是差分输入电容为450pF（CLINVA）。对于采用束缚型线缆的设备，单端束缚电容必须能够将D+和D-线上的电压在2.5us内控制在0V~VIH之间。D+或D-线上的电容包括单端的设备输入电容和大小为150pF的主机/集线器输入电容。

B.高速的输入特性

简单的高速接收模式下的等效电路如下图所示。

图：高速模式下的接收电路

收发器工作于高速模式下时必须能够满足下列规范：

l DC输出电压和电阻规定

l DTR加载规范

另外，工作在此信号模式下的收发器应该满足以下电容要求：

l DC输出电压和电阻规范：高速模式下的收发器必须在它的每一只数据引脚处都连入一个标称值为45kΩ的电阻到地线。

l TDR加载规范：高速模式下的空闲状态的AC加载规范被称为差分的TDR（Time Domain Reflectometer）。

l 收发器不见得集总电容向导。当将一个收发器芯片作为一个独立的部件时，可以在不同USB连接器或线缆的情况下，在芯片的边缘进行测量。测量仪器的寄生电容的影响可以通过测量结果中叠加部分的影响而得到。如果终端设备是片外的，那么应该在测量过程中加入离散的Rs电阻，测量应该在电阻的“连接端”进行。在测量过程中，收发器应该处于Test_SE0_NAK模式。

l 允许的每一条线到地的电容：CHSLOAD<=10pF。

l 允许的到地的匹配电容：<=1.0pF。

上面介绍了USB驱动器和接收器以及输入特性，下面将介绍有关USB的信号发送情况。首先介绍信号的发送标准。

（一）信号的发送标准

表2总的概括了USB信号的发送标准。在该表中，J和K这两个数据态是两个逻辑电平，在系统中，通常被用来进行交换差分数据。差分数据信号的发送并不关心信号经过出的电平情况，它只要求桥电压1.3~2.0之间。另外，在接收端，空闲态和工作态在逻辑上分别与J态和K态等价。

表2.信号电平

注释1：以位时定义的EOP宽度与传送的速度有关。

注释2：以位时定义的EOP宽度与接收EOP的设备类型有关。位时是近似的。

注释3：紧跟在EOP后的J态的宽度以位时来衡量，它与缓冲器的边缘速率有关。来自低速缓冲器的J态必须要有低速的位时宽；来自高速的，则必须要有高速的位时宽。

注释4：始终处于或动态的是低速的EOP。

一般而言，数据、空闲及唤醒信号的发送标准均由端口的设备类型所决定。如果连接的是高速设备，则USB使用所规定的高速率来发送信号，并且有很快的上升沿和下降沿时间，甚至还可用低速率来发送数据，而对于表二中所示的低速信号发送标准仅用在低速设备与其所连接的端口之间（上升沿和下降沿时间较长）。

（二）连接与中断信号的发送

USB设备是一个智能型的设备，当它发现主机或集线器的下行端口上没有设备连接时，存在的Rpu电阻将是D+和D-上的电压低于主机或集线器端口的单终端电压，此时该端口不是由集线器控制的，这将在下行端口产生一个SE0态。如果主机或集线器不在控制数据线并且下行端口的SE0态的持续时间超过2.5ns，则此时USB设备将中断信号的发送。

如果集线器发现其中一根集线器上的电压大于它的临界值的持续时间超过2.5us，则便开始信号的发送。

下面将分别对各种信号的发送进行讨论。

（一）数据信号的发送

    通过差分信号来实现数据包的传送。

通过控制D+和D-线从空闲态到相反的逻辑电平（K态），就可以实现源端口的包发送（SOP）。同步字中的第一位代表了这种在电平上的转换。当它的重新发送时间低于±5ns时，集线器必须对SOP中第一位的宽度变化有所限制。可以通过使用具有延迟输出使能的集线器来实现数据的匹配，这样可以使数据失真减小到最小。

SE0态通常用来表示包的发送结束（EOP），可以通过控制D+和D-两位时到达SE0态，然后控制D+和D-线一位时后到达J态，就可以实现EOP信号的发送。从SE0态到J态的变化表示接收端包发送的结束。J态持续一个位时，然后D+和D-上的输出驱动器均处于高阻抗状态，总线尾端的电阻此时控制总线处于空闲态，图7列出了包开始和结束的信号发送波形。

（二）复位信号的发送

     复位就是将一个信号从挂起态唤醒。

集线器信号通过控制端口上的持久的SE0态来实现对下行端口的复位。复位信号清除后，设备都将处于缺省状态。

根据USB系统软件的需求，复位信号可在任一个集线器或主机的控制端口产生，该复位信号的最小持续时间为10ms。复位后，集线器端口将处于能动状态。USB系统软件和主机控制器必须确保发送到根端口的复位信号持续时间足够长，以便通知当前正试图进行唤醒操作的各下行设备。根端口产生的复位信号的持续时间为50ms，但并不要求它一直是延续的。然而，如果复位信号不是连续的，则各间断的复位信号间的时间间隔应小于3ms。

一个设备如果见其上行端口的SE0态持续时间超过2.5us，则它就把该信号作为复位信号处理。在复位信号发送结束前，它必须已产生作用。

当端口处于使能状态后，集线器将传播一个活动信号到新的复位端口。连在该端口的设备必须能识别总线的活动性，并要能防止被挂起。

在复位信号清除后的10ms的复位恢复时间后，集线器必须能接收所有集线器请求，设备也必须能接受一个SetAddress()请求。如果接受这些请求失败，则设备将不能被USB系统软件所识别。

（三）挂起

所有的设备都必须能支持挂起状态，并可从任一电平状态进入挂起态。当设备发现他们的上行总线上的空闲态持续时间超过3.0ms时，它们便进入挂起态。当设备的所有端口上的总线不活动时间不超过10ms后设备必须被真正的挂起。此时它仅从总线上获得挂起电流。如果任一其它总线交通缺乏时，SOF令牌将在每帧中出现一次，以防止高速设备被挂起。当任一低速设备交通缺乏时，在SOP令牌出现的每一帧中至少有一个低速设备处于活动态，以避免它们不被挂起。

当处在挂起状态时，设备必须继续为它的D+（高速）或D-（低速）上的Rpu电阻提供电压，从而维持一个空闲态，这样上行集线器才能为设备维持正确的连接状态。

挂起又可分为全局挂起和局部挂起。

l 全局挂起

当在总线的任何地方没有通信需要时，就要用到全局挂起，此时所有总线都处在挂起状态。主机通过中止它所有的传送（包括SOF令牌）来发送开始全局信号。当总线上的每个设备识别总线的空闲态持续适当时间时，它将进入挂起状态。

l 局部挂起

可以通过向集线器端口发送SetPortFeature（PORT-SUSPEND）来使与其相连的总线部分被挂起，此时处于那部分的设备经过上面所说的适当时延后进入挂起状态。

（四）唤醒

处在挂起状态的设备，当它的上行端口接收到任一非空闲信号时，它的操作将被唤醒。特别的，如果设备的远程唤醒功能被USB系统软件开启时，它将自动发信号给系统来唤醒操作。唤醒操作由主机或设备使用。唤醒设备时总有一个先后次序，这将在后面介绍。

USB系统软件必须提供10ms的唤醒恢复时间，在这段时间内，它将不对与被唤醒的部分总线相连的人一设备进行操作。

端口的中断与连接也可以使集线器发送一个复位信号，从而唤醒系统，但仅当集线器具有远程唤醒功能时，这些事件才能引起集线器发送唤醒信号。

下面将对数据信号的发送做一个详细的讨论。

（一）数据的编码与解码

在包传送时，USB使用一种NRZI（None Return Zero Invert，即无回零反向码）编码方案。在该编码方案中，“1”表示电平不变，“0”表示电平改变。图8列出了一个数据流及其它的NRZI编码，在该图的第二个波形图中，一开始的高电平表示数据线上的J态，后面就是NRII编码。

为了确信信号发送的准确性，当在USB上发送一个包时，传送设备就要进行位插入操作。所谓位插入操作是指数据被编码前，在数据流中每6个连续的‘1’后插入一个‘0’，从而强迫NRZI码发生变化，如图9所示。

位插入操作从同步格式（如图10所示）开始，贯穿于整个传送过程，在同步格式端的数据‘1’作为真正数据流的第一位。位插入操作是由传送端强制执行的，是没有例外的。如果严格遵守位插入规则，甚至在EOP信号结束前也要插入一位‘0’位。

接收端必须能对NRZI数据进行解码，识别插入位并去掉它们。如果接收端发现包中任一处有7个连续的‘1’，则会产生一个位插入错误，该数据包将被忽略。

关于位的插入有一个特例，那就是刚好在EOP前的时间间隔，EOP前的最后一个数据位可能被集线器的转换偏移而拉长，如图11.

图：比特填充流程图

（二）数据信号的发送速率

     高速数据发送率通常为12Mb/s，主机、集线器和高速设备的数据率误差为±0.25%(2.500ppm)内。集线器控制器的数据率应该准确地知道，其误差最好控制在±0.05%(500ppm)内。

低速信号发送率为1.5Mb/s,低速功能设备所允许的误差为±1.5%（15000ppm）。

以上所述的误差主要由下面的几种情况所引起：

l 负载电容量的影响

l 振荡器上电压供应的稳定性影响

l 温度的影响

l 器件的老化

（三）数据源的抖动

在数据发送的边缘时间内，数据源可能发生一些变化（即抖动）。处在任何数据变化集间的时间为N*Tperiod±抖动时间，其中N为发生变化的位数，Tperiod为具有一定范围的数据率的实际时间段。数据抖动的测量与计算最大上升沿和下降沿时所用的负载相同，并且它们在数据线的交叉点处进行测量，如图12。

l 对于高速传送，任何连续的差分数据变化的抖动时间必须在±20ns内，对于任何一个成对出现的差分数据变化（JK到下一个JK的变化或KJ到下一个KJ的变化）的抖动时间必须在1.0ns内。

l 对于低速传送，任何连续的差分数据变化的抖动时间必须在25ns内，而任一成对出现的差分数据变化的抖动时间必须在±10ns内。

这些抖动的现象包括时间的变化，主要归咎于差分缓冲器的延迟和上升沿及下降沿时间的不匹配、内部时钟抖动、噪声及其他随机因素的影响。

（四）接收端数据的抖动

当抖动存在时，任何数据类型的数据接收必须能正确地对差分数据进行编码。这种情况的抖动可能是由上面所说的时延不匹配引起的，也可能是由源端和目标端数据速率的不匹配所引起。在特定的应用中，只要抖动条件满足，输出驱动器的抖动可能对设备时钟的精确性产生影响。

（五）电缆的延迟

USB中传送信号的电缆所允许的时延为26ns，对于一个标准的USB可分电缆，其时延由从串行A口连接器端到串行B口连接器端计算而得，并且其值小于26ns；而对于其它电缆，其时延由从串行A口连接器端到该电缆所连设备端计算而得。

（六）电缆的信号衰减

对于进行高速信号发送的每根电缆而言，信号对（D+，D-）所允许的最大衰减量如下表3所示。

表3.信号时延

二、电压分部

所有USB设备的缺省电压为低电压，当设备要从低电压变化到高电压时，则是由软件来控制的。在允许设备达到高电压之前，软件必须保证有足够的电压可供使用。

USB支持一定范围的电压来源和电压消耗供应者，包括如下的部分。

l 根端口集线器

l 从总线获得电压的集线器

l 自给电压集线器

l 从总线获得电压的低电压功能设备

l 从总线获得电压的高电压设备

l 自给电压功能设备

    在前面，已经讲过了USB的挂起与唤醒，下面讲述在这两种情况下的电压分布情况。

低电压设备或高电压设备工作在低电压下时，它们所允许的挂起电流限制为500uA，如果一个设备被初始设置为高电压并且具有远程唤醒功能，则在挂起期间，它的电流可达到2.5mA。

当一个集线器处在挂起状态时，它必须仍能为每个端口提供最大电流值。对于具有远程唤醒功能的设备，当它的电压在升高而系统的其余部分仍处于挂起态时，上面的要求是十分必要的。

当设备被唤醒时（远程唤醒或由唤醒信号唤醒），它们此时必须能限制Vbus上的流入电压，集线器Vbus所允许的最大电压落差为330mV。设备必须有足够的分流电容器或要有一个可控制的电压打开顺序，以便当设备正在被唤醒的任一时间内，从集线器来的电流不能超过端口的最大电流允许值。

最后，说明一下设备的动态加载和卸载。

插入或拔掉一个集线器或其他功能设备时，不应影响网络中其余设备的正常工作为前提。卸载掉一个功能设备将中止设备与主机间的通信，此时集线器向主机警告该端口已被中断。

设备从网络中卸去时，电缆的电感系统将在设备电缆的开口端产生一个很大的回流电压，它是没有破坏性的。但在电缆设备的末端必须有一个小容量的电容器，以保证产生的回流电压不会引起设备端电压极性的改变。但回流电压会产生噪音，通常利用分流电容器进行适当分流以减少噪音，分流电容器对回流电压及其产生的噪声进行缓和。

动态加载某设备可能会产生强电流，因而会使HUB上的Vbus低于它的最小工作电压，因此必须引入一些限流装置。

在动态加载期间，通过使连接器上的信号端口处于空闲，以使其免受强电流的破坏，这样为了使电压端口首先进行联系。这就保证，在信号端口连接前，分布在下行设备上的电压是可利用的。另外，在连接期间，信号线均处于高阻抗状态，为了使标准信号线上此时没有电流流动。