Get清风USB20 OTG PHY模拟电路的设计实现.docx
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Get清风USB20OTGPHY模拟电路的设计实现
USB2.0OTGPHY模拟电路的设计实现
第一章绪论
1.1课题背景
1.1.1USBOTG技术及意义
USB(即UniversalSerialBus通用串行总线〕1.0是由Intel、Microsoft、NEC、Compaq、HP、Lucent、和Philips制定的一种计算机外设连接标准,于2000年4月27日公布。
USB2.0在原先USB1.1的1.5Mb/s和12Mb/s基础上增加到了480Mb/s(即60MB/S)的高速数据传输模式,具有即插即用、热插拔、接口体^?
、小巧、节省系统资源、传输可靠、提供电源、兼容性良好、成本低等优点[1]。
目前,USB2.0接口已经成为PC机的主流接口。
截止2008年底,全球已有超过60亿个USB设备[2]。
USB3.0推广集团在2011年11月公布了USB3.0规范的补充标准“USBOn-The-Go3.0andEmbeddedHost"OJSBOTG3.0与嵌入式主机〕,支持USB3.0接口的便携式设备之间直接通信,而无需借助PC主机担任中间过渡角色。
有了这一补充规范,手机、相机等USB3.0接口便携移动设备就可以通过一个接口直接相连,而且无论作为USBHost主机还是USBPeripheral外设均可。
对于那些需要快速同步、大容量数据流传输的设备来说,该规范尤其有用。
USBOTG3.0与嵌入式主机补充规范还包含了USBOTG2.0里提供的节能省电功能,同时保持了向下兼容,也就是说USB3.0/2.0设备之间同样可以直接互通。
USB3.0推广集团已经将这一补充规范的管理移交给USB-IF官方组织,并合并为USB3.0规范的一部分。
近年来,随着PDA、手杌、数字相机等移动装置的普及,各种移动装置的连接问题就成为了焦点。
在PC上广泛使用的USB技术属于外围设备连接主机的架构,如果没有PC的话,其余外围装置将无法彼此沟通。
如果能省去充当中介角色的PC,外围装置能够彼此直接连接,将极大地方便用户的使用,而USBOn-The-Go(OTG)正是这样的一种解决方案[3]。
USBOTG实际上是通用接口USBImplementersForum组织对于原USB规范的补充规范^,最新版本的USBOTG建立在USB2.0规范基础之上。
通过修改接口针脚定义和外形,USBOTG设备可根据不同的需要定义为主控和双重(dual)角色的两种工作方式,OTG设备相对于普通USB设备的不同之处在于它能实现一部分主机控制器的功能而且能够根据需要进行角色切换"]。
很明显,在数码便携式产品间的互联上,具有USBOTG功能的产品具有很大
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的优势。
例如带有OTG功能的MP4/PAD,相互之间可以直接进行数据交换,而不再依赖电脑这个中介,极大地方便了文件、歌曲、视频数据的传输;再比方具有OTG功能的移动硬盘,用户在硬盘盒中安装好硬盘和电池之后,只需按一下COPY键,或进入功能操作菜单项选择择“备份〞就会幵始复制,此时OTG硬盘盒的显示屏或LH)状态灯将显示复制进度。
现在很多数码产品都支持OTG功能,例如长虹佳华魔影MV570MP4,OPPOA3MP4;最近生产的android系统的手机和Pad基本都支持OTG功能如;例如三星的19100,MOTO的XT910等。
可以说OTG功能正在逐渐融入我们的生活。
有理由相信得益于USB的广泛普及,USBOTG迟早将成为不同外部设备〔非PC)间通用的快捷互连手段.下边是移动硬盘和MP4的互连图示:
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图1.1.1USBOTG设备互连示意图
1.1.2国内外研究动态
国外很早就开始对USB2.OOTG接口芯片进行了幵发,目前投入USB2.00TG芯片研发的IC设计公司主要有ST-Ericsson、SMSC(史恩希〕、Cypress(赛普拉斯〕Maxim(美信〕等欧美IC公司及巨盛等台湾IC厂商。
除此之外,MentorGraphics和Synopsys等EDA工具厂商同样推出了自己的IP,以及相应的VIP,以提供给SOC芯片厂商集成。
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助高校和研究所自主研发属于自己的'芯’,也算是一种追赶方法了。
1.2课题研究意义和目标
本课题属于实习公司USB2.0OTGPHY的一部分。
本课题的工作主要包括:
①分析USB2.0OTG补充规范,完成OTG模块的设计,并进行了电路仿真。
②完成TRANSCEIVER模块中高速接收电路和包络信号检测电路的设计,并进
行电路仿真
本课题主要研究了符合USB2.0协议规范,并根据USB2.0OTG补充规范完成了OTG模块的设计工作,并完成了接收模块的设计,并重点介绍了高速接收模块的设计方法,以及包络检测模块的设计。
本课题研究的难点在于OTG模块中比拟器的设计,由于精度要求不同需采用不同的结构,尤其是采取130nm工艺〔高压3.3V),对于4.6V阈值电压比拟器设计处理;其次对于高速传输模块需要在带宽和增益之间进行折中。
本课题的意义在于USBOTG标准在完全兼容USB2.0标准的基础上,增添了电源管理〔节省功耗〕功能,它允许设备既可作为主机,也可作为外设操作〔两用OTG)。
USBOTG技术可实现没有主机时设备与设备之间的数据传输。
例如:
数码相机可以直接与打印机连接并打印照片,手机与手机之间可以直接传送数据等,从而拓展了USB技术的应用范围。
1.3论文的组织结构
第一章简要介绍下USB2.0OTG的发展状况,论文研究的目的和意义,以及
自己的主要工作;
第二章介绍USB2.0OTGPHY的相关协议;
第三章根据协议对OTG模块进行了设计;
第四章为TRANSCEIVER模块部分模拟电路的设计
第五章为总结和展望。
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2.1.1USB发展历程
USB发展到现在从最初的最高传输速度1.5Mb/s发展到现在的USB3.0的最大传输带宽4.8Gb/s(USB3.0),当然现在用的最多的还是USB2.0,其传输速度480Mb/s满足我们的绝大部分传输的要求。
表2.1是各个版本的发表时间。
图2.1是传输速度比拟:
表2.1USB协议发展历程
USB1.01996年1月
USB1.11998年9月
USB2.02000年4月
On-The_GoSupplement1.32006年13月
USB3,02021年8月
LowSpeedUSB1.01.5Mbps
!
FullSpeedUSB1.112Mbps
HighSpeedUSB2.0480Mbj^
SuperSpeedUSB3.04.8Gbps
图2.1USB各版本传输速度比拟
第一版USB1.0在1996年面世的,其传输速度只有1.5Mb/s;两年后升级为USB1.1,速度也提升到12Mb/s,到现在对传输速度要求不高的设备上还能看到这种标准的接口;2000年4月,目前广泛使用的USB2.0推出,速度达到了480Mb/s,是USB1.1的四十倍;如今八个半年头过去了,USB2.0的速度早已经无法满足某些应用需要,USB3.0也就应运而生,最大传输带宽高达4.8Gb/s,也就是625MB/S,同时在使用A型的接口时向下兼容。
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2.1.2USB2.0体系结构
2.1.2.1USB系统的描述
USB系统主要包括个方面:
參USB的设备;
?
USB的主机;
?
USB的互连;
当设备被连接上并且编号后,这个设备就拥有唯一的一个USB地址。
设备就是通过USB地址进行操作的,每个USB设备通过一个或者多个USB控制通道与主机通信。
所有USB设备必须在零号端口有一个指定的通道,每一个USB设备的USB通道将与之连接。
通过此控制地址,所有USB设备都列入同一个共同的准入机制,以便能或得控制操作的信息。
在零号端口上,控制通道中的信息应完整地描述USB设备。
此类信息主要有
以下几种:
?
标准信息:
这类信息是对所有USB设备的共同性的定义,包括一些厂家
识别,设备种类,电源管理之类的项目。
?
类别信息:
此类信息给出了不同USB设备类的定义,主要反应其不同点。
?
USB厂家信息:
USB设备厂商可自由地提供各种有关信息,其格式不受该
规范制约。
此外,每个USB设备均提供USB的控制和状态信息。
在USB体系结构中,集线器是一种重要的设备。
如下图所示是一种典型的集线器。
从用户的观点出发,集线器极大简化了USB互联的复杂性,
_鋼TMm
rPortPortPort^
#1#2#3
upstreamhub:
圓
PortPortPort
V#7#6#5J
MMmm
图2.2典型的集线器
集线器串接在集中器上,可以让不同种类的设备连接在USB上,连接的点
称为端口。
每一个集线器可以将一个连接点分成多个连接点,并且该体系结构支
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持多个集线器连接。
每个集线器的上游端口连接到主机,下游端口可以连接另外的集线器或者其他设备,集线器可以检测到设备的廉洁或者断开,并且可以对下游端口连接的设备分配资源。
每个下游端口都有独立的功能,高速或者低俗设备均可以连接并且可以将高速和低速端口上的信号分开。
集线器包括集线控制器和放大器两部分。
集线控制器提供了用于与主机之间
通信的存放器,集线器允许主机对其特定状态和控制命令进行操作,并对端口进行监视和控制。
集线放大器是一种位于上游端口和下游端口之间的协议控制开关,在硬件上支持复位,挂起,唤醒等操作。
功能部件是一种USB设备,可以通过总线进行数据和控制信息的接收和发送。
功能设备是一种相互无关的外设。
一个物理单元中可以有一个内置集线器和多个功能部件,利用一根USB电缆连接,即一个集线器连接向主机,并有一个或者多个不可拆卸的USB设备连在其上。
每个功能部件都包含有设置信息,来描述设备的状态和所需资源。
主机在功
能器件使用前进行设置,设置的信息包括USB带宽分配,选择设备的设置信息等。
一个典型的集线器如图所示:
/4\TfUBlHft
‘""""—1A,im,initlnww-.
TYPICALUSBARCHITECTURAL
CONFIGURATION
Hub/FuncttonHub/FunctionHost/Hub
金
■■
tttTtT
FunctionFunctionFunctionFunctionFunctionHub
图2.3台式式机环境下的集线器
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2.1.2.2USB总线物理接口
2.1.2.2.1USB总线电气特性
USB传输信号以及电源是通过如图2.4的四线电缆实现的,其中两根线用于发送信号。
VBUS_VBUS
^Z1unxxmiilzo:
GND^~W~GND
图2.4USB电缆
USB2.0有下边三种数据传输率
*高速480Mb/s.參全速12Mb/s.參低速1.5Mb/s.
电缆中包括VBUS,GND两条线,向设备提供电源。
VBUS使用+5V电源。
USB
对电缆长度的要求很宽,最长可达几米。
为了保证足够的输入电压和终端阻抗,重要的终端设备位于电缆的尾部。
通过每个端口可检测终端是否连接或者断开,并且可以区分出高速或者低速设备。
2.1.2.2.1USB总线机械特性
所有USB设备都有一个上行连接。
上行连接器和下行连接器不能单间互换,这样就避免了集线器的非法的连接。
电缆中有四根线:
一对标准规格线,一对电源线。
连接器有4个方向,具有屏蔽层,以避免外界干扰,并且易于拆装。
2.1.3USB2.0协议介绍
USB2.0传输数据是要符合相关协议的,这些协议也是我们设计电路和仿真功
能正确性的标准。
下面先简单介绍下IJSB2.0协议。
USB总线的设备接入釆用轮询机制,主机控制端点初始化所有的数据传输。
每一总线执行动作最多传送三个数据包。
按照传输前定好的原那么,在每次开始传送时,主机控制器发送一个描述传输动作的种类、方向、US.B设备地址和终端号的USB数据包,这个数据包通常称为令牌包(tokenpacket),USB设备从解码后的数据包适当位置取出属于自己的数据。
数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。
在传输开始时,由标志包来标志数据的传输方向,然后发送端幵始
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控制传输〔control)质量I64(低速为8)|系统控制
对于任何特定的设备进行设置时,一个通道只能支持上述一种方式的数据传
输。
这里只是简要说明了部分USB协议,更详细的协议标准请参考USB2.0规范。
所有关于USB的设计,必须完全满规范的要求,经过严格的测试才能达到USB开发者论坛的认证,达到与其他厂家USB产品的兼容。
2.1.3.2数据包
USB数据包分三种类型:
TokenPacket(令牌包〕、DataPacket(数据包〕和HandshakePacket(握
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