CN101251833B

CN101251833B - 一种具有自动校准电路的usb芯片与usb芯片校准方法

Info

Publication number: CN101251833B
Application number: CN2008100875760A
Authority: CN
Inventors: 林宜骏; 王经楷
Original assignee: Sunplus mMedia Inc
Current assignee: LINGTONG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: CN101251833A

Abstract

本发明公开了一种具有自动校准电路的通用串行总线USB芯片，该USB芯片包含比较电路、数字电路以及可调式电流输出装置，利用闭合回路结构判断该USB芯片的输出电压高低，从而动态调整输出电流大小，达到校正该输出电压的目的，本发明同时公开了一种USB芯片校准方法。

Description

一种具有自动校准电路的USB芯片与USB芯片校准方法

技术领域

本发明涉及集成电路(IC，Intergrated Circuit)技术，特别涉及一种具有自动校准电路的通用串行总线(USB，Universal Serial Bus)芯片与USB芯片校准方法，应用于支持USB 2.0协议接口的高速装置中。

背景技术

图1现有技术中具有USB2.0协议接口的高速模式(High Speed Mode)侦测时序示意图。参见图1，一般来说，将一个USB高速装置从USB连接接口插进一主机(Host)开始，到USB高速装置与主机真正执行高速通信之前，大致可以分为以下五个阶段：

阶段一：闲置状态。该USB高速装置插进主机的USB连接接口后，其本身具有的1.5K欧姆上拉电阻(Pull-up Resistor)会将信号线D+上拉到高电位3V，使主机能够检测到有一个新装置已经连接上来了。

阶段二：重置(Reset)状态。主机送出一个重置信号，也就是将USB2.0接口的两条信号线D+、D-同时置于重置状态(也就是在逻辑低电位)内至少10mS。

阶段三：Chirp-K状态。该USB高速装置利用信号线D-送出一个时间宽度介于1mS至7mS的高电位信号800mV(Chirp-K)。

阶段四：Chirp-J/K-1状态。具有高速信号接收能力的主机检测到该握手信号(Chirp)后，会在100μs内也回应一连串Chirp K和Chirp J交替的信号(Chirp)。此时，信号线D+、D-的高电压电位等于800mV。

阶段五：Chirp-J K-2状态。该USB高速装置最快会在收到三对JK信号后，关闭其上拉电阻，并将两条信号线D+、D-分别接上一下拉电阻(45欧姆)，之后，便以高速执行后续通信。此时，信号线D+、D-因为连接下拉电阻的缘故，所以，两者高电压电位均减半为400mV。

另一方面，USB2.0协议规范了USB装置在高速模式下的输出电压(TXswing)为400mV±10％，同时也建议采用图2A的电路以产生符合上述协议的输出电压。图2A为现有技术中USB装置与主机连接的连接接口结构示意图，参考图2A，一恒定电流源I₁(电流值等于17.78mA)及一内置终端电阻R_IN(电阻值等于45欧姆)设置于一USB装置端的芯片内，其输出端DP/DM再通过一传输线L耦接至主机端的内置终端电阻R_H(电阻值等于45欧姆)。其中，该恒定电流源I₁的实施，主要是利用一能隙参考电压(Bandgap Reference Voltage)电路来产生一个不随温度与供应电压变化的恒定电压1.2V，再配合一晶体管M₂与一外部电阻R_EXT(例如，电阻值可为12K欧姆)产生一个恒定电流I₂，最后，通过晶体管M₂、M₁形成的电流镜像(Current Mirror)结构来产生恒定电流I₁，如图2B所示，图2B为现有技术中产生恒定电流源电路的结构示意图。

然而，图2A与图2B的电路却存在以下的缺点：第一，USB装置端的芯片需具备额外的IC管脚(Pin)P_OUT。第二，USB装置端需增加被动元件的硬件成本，也就是外部电阻R_EXT的成本。第三，需考虑主机端终端电阻R_H的电阻值变化范围。其中，前两项属于硬件成本，而第三项则受限于远端主机的制作工艺、电压、温度(以下简称PVT)所可能产生的变化(Variation)，例如若主机端的终端电阻R_H的电阻值约在临界点(45欧姆±10％)附近，同时，装置端的终端电阻R_IN也刚好产生偏移，则装置端的输出电压V_DP/V_DM电位就很可能超出USB协议规定的范围。

有鉴于现有USB芯片的管脚已经不敷使用，同时为增加未来USB相关芯片的外部成本竞争力(目前市面上的USB管脚大致都是5根)，因此，将装置端的外部电阻R_EXT内置在芯片之内是必然的趋势，但此时即会遭遇严苛的合格率问题，因为晶圆厂只能保证15％的精确度。而为了降低内置电阻受PVT系数影响所带来的变化，装置端芯片内部势必需要加入校准技术。现有技术中，最常见的校准方式，通过在能隙参考电压电路上预留一个修整垫片(Trim Pad)，将其导入USB芯片中，但这样将增加机台上的测试成本，为了能够兼顾效能以及提升合格率，还需要对现有USB芯片进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种具有自动校准电路的USB芯片，利用闭合回路(Close Loop)结构，根据输出电压V_DM的高低来动态调整输出电流I₃的大小，再配合主机的终端电阻，来校准输出电压V_DM。

为达成上述目的，本发明具有自动校准电路的USB芯片，用以校准该USB芯片的输出端电压，该USB芯片的自动校准电路包含：比较电路，用于比较参考电压与该输出端电压，并产生比较结果；数字电路，用于根据该比较结果，调整该数字电路的输出值；以及，可调式电流输出装置，用于根据该数字电路的输出值大小，在该USB芯片输出端产生相对应的第一电流。

本发明的另一个目的是提供一种用于USB芯片校准的方法，用于校准该USB芯片的输出端电压，包含：比较参考电压与该输出端电压，并产生比较结果；根据该比较结果，调整数字电路的输出值；以及，根据该数字电路的输出值，在该USB芯片输出端产生相对应的第一电流。

附图说明

图1现有技术中具有USB2.0协议接口的高速模式(High Speed Mode)侦测时序示意图。

图2A为现有技术中USB装置与主机连接的连接接口结构示意图。

图2B为现有技术中产生恒定电流源电路的结构示意图。

图3为本发明具有自动校准电路的USB芯片的校准电路第一实施例的结构示意图。

图4为本发明具有自动校准电路的USB芯片的校准电路第二实施例的结构示意图。

图5A为本发明具有自动校准电路的USB芯片的校准电路在阶段三时的输出电压V_DP/V_DM(信号线D+/D-)波形第一示意图。

图5B为本发明具有自动校准电路的USB芯片的校准电路在阶段三时的输出电压V_DP/V_DM(信号线D+/D-)波形第二示意图。

图6为现有技术与本发明具有自动校准电路的USB芯片的实验模拟结果比较示意图。

附图中的标号说明

I₁、I₂、I_C、I_V恒定电流源

R_IN装置端内置终端电阻

R_H主机端内置终端电阻

M₁、M₂晶体管

R_EXT装置端外部电阻

300、400校准电路

310比较器 320数字电路

330、430可调式电流输出装置

340模拟数字转换器431二进制温度计解码器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明以USB高速装置作为实施例进行说明，所应说明的是，本发明的校准电路也可应用于其他需要调整输出电流来校正输出电压的集成电路上。

将现有USB高速装置的12K欧姆的外部电阻R_EXT改为内置之后，为避免该装置端内置电阻(R_EXT、R_IN)以及主机端终端电阻R_H可能受制作工艺、电压、温度变动所产生的变化，从而使输出端电压电位发生偏移现象，因此需要有校准机制。由图1可观察到，当USB高速装置与主机在运行硬件握手(Handshaking)程序时，在阶段三的时间宽度(1mS至7mS)内输出电压V_DM(即信号线D-)不会转态(Transition)，本发明校准电路即利用该阶段三的时间来进行自动校准，调整上述偏移的输出电压电位V_DM，达到自动校正输出电压电位V_DM的效果。

图3为本发明具有自动校准电路的USB芯片的校准电路第一实施例的结构示意图。参考图3，本发明具有自动校准电路的USB芯片的校准电路300包含比较器310、模拟数字转换器(ADC，Analog-to-Digital Converter)340、数字电路320以及可调式电流输出装置330。在图1中阶段三的时间内，比较器310对输出端电压V_DM以及参考电压(即阶段三的高电位电压：800mV)的大小进行比较，从而产生模拟形式的比较结果A。在本实施例中，该参考电压利用能隙参考电压电路来产生。

模拟数字转换器340接收该比较结果A，转换为数字形式的数字信号B。数字电路320根据数字信号B，判断目前输出端电流I₃的大小，再决定是否调整数字控制值D并将其输出。而数字电路320可以利用USB芯片内原有的中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、或状态机(State Machine)等等来实施，不会增加硬件成本；该数字电路320的实施为本领域普通技术人员所熟知，在此不再赘述。最后，可调式电流输出装置330根据控制值D，在输出端DM产生对应电流的输出电流I₃，使得输出端DM产生相对应的输出电压V_DM，从而使得输出电压V_DM能收敛至参考电压(800mV)。所应注意的是，整个校准过程中通过连接至远端主机的终端电阻R_H，来校准最后的输出电压，也就是说，本发明也校正由于主机端的终端电阻R_H的变化范围(Variation)引起的输出电压变化。

需要说明的是，由于在阶段三时，本发明校准电路可提供输出电流I₃，用于产生相对应的输出电压V_DM(约800mV)，因此可以舍弃现有技术中图2B的电流镜像电路CM。相对于现有USB芯片内部中，因电流镜像电路CM(参考图2B)须将参考电流以多级镜像的方式，复制成大电流输出(17.78mA)，因此需要数量庞大的晶体管，从而容易产生镜像电流不匹配(Mirror Mismatch)的状况，尤其应用在先进制作工艺中更为明显。然而，使用本发明校准电路之后，不仅可解决上述问题，并可采用较简易的电路结构，可以降低布局设计的复杂度及提升IC合格率。另外，将外部电阻R_EXT内置于芯片内，再配合本发明校准电路实现自动校准，可以降低内置电阻受PVT系数所带来的影响，不但可以节省一个芯片管脚，还能节省整体系统的成本，以及增加印刷电路板(PCB)的布局弹性。

基本上，可调式电流输出装置330可以采用一个可变电流源的结构或一个恒定电流源加上一个可变动电流源的结构来实施。以下实施例中，以可调式电流输出装置采用一个恒定电流源加一个可变动电流源的结构为例进行说明。

图4为本发明具有自动校准电路的USB芯片的校准电路第二实施例的结构示意图。参考图4，本发明具有自动校准电路的USB芯片的校准电路400包含比较器310、数字电路320以及可调式电流输出装置430。与图3的差异在于，图4的比较器310的输出因为只有高低两个电位(可视为只有一个位元)，因此可以省略图3的模拟数字转换器340；以及，可调式电流输出装置430还包含二进制温度计解码器(Binary-to-Thermometer Decoder)431、恒定电流源I_C以及15(2⁴-1)个相同电流源I_V。

从图4可以看到，可调式电流输出装置430的恒定电流源为I_C，而可变动电流源(电流范围从0～15I_V)部分则由15个电流源I_V与二进制温度计解码器431所组成，换句话说，也就是一个温度计编码式电流定标器(Current Scaler)的结构。由于控制值D(以4位元为例)为二进制码(Binary Code)，本发明利用二进制温度计解码器431将该4位元的二进制码D转换为16位元的温度计码(Thermometer Code)Q，用以控制15个电流源I_V的开与关。

由上述两个实施例可以观察到，本发明具有自动校准电路的USB芯片的特征在于利用一个闭合回路结构来监视输出电压V_DM，一旦发现输出电压电位V_DM产生偏移，便动态调整控制输出端电流I₃的大小，以将偏移的输出电压V_DM拉回理想范围内。当然，可变电流源部分的变动范围必须能涵盖内置电阻的制作工艺偏移(一般为15％)，假设恒定电流源I_C的电流为15mA，可变电流源部分的总电流为6mA(即每一电流源I_V的电流为0.375mA)，即可涵盖制作工艺偏移达17％(8*(0.375/17.78))。至于精度可通过提升控制值D的位元数来实现。需注意的是，在另一实施例中，可调式电流输出装置采用一个可变电流源的结构，只包含二进制温度计解码器431以及15个相同电流源I_V。

另外，除了上述的温度计编码式电流定标器之外，可调式电流输出装置的可变电流源部分也可利用下列电路来实施：二进制权重式(Binary Weighted)电流定标器、二阶段式(Two-Step)电流定标器、逐步趋近式(SuccessiveApproximation)电流定标器以及R/2R电流定标器等等。所应说明的是，本发明并不仅仅限于上述例出的电路示例，现有或将来发展出来的其他电路(只要符合根据数字控制值D，来产生对应电流的输出电流I₃)也可适用于本发明念。本实施例中，二进位权重式电流定标器、二阶段式电流定标器、逐步趋近式电流定标器以及R/2R电流定标器为本领域普通技术人员所熟知，在此不再赘述。

参见图5A和图5B，采用本发明校准电路的USB高速装置，在硬件装置握手程序的阶段三时，其输出电压V_DP/V_DM波形如图5A或图5B所示，图5A的例子是开始提供的输出电流I₃太大，造成输出电压V_DM过高，之后才缓步调整并降低至理想范围内；而图5B是开始提供的输出电流I₃过小，造成输出电压V_DM过低，之后才慢慢提升至理想范围内。

在USB-IF(USB-Implementer’s Forum)相容性测试(Compliance Test)的输出电压测试项目中，现有技术存在四种变化因素：能隙参考电压(±3％)、12K欧姆的外部电阻R_EXT(±1％)、内置终端电阻R_IN(±10％)以及制作工艺与电压偏移(PV Offset)，使得影响IC合格率的因素较多。在使用本发明校准电路之后，由于外部电阻R_EXT及制作工艺与电压偏移两种因素均可通过本发明校准电路校准来调整，因此，只存在内置能隙参考电压电路与内置终端电阻R_IN两种变化因素，可大为提升在上述输出电压测试项目的合格率。

图6为现有技术与本发明具有自动校准电路的USB芯片的实验模拟结果比较示意图。在实际应用上，因为本发明具有自动校准电路的USB芯片的校准时机是USB高速装置与主机执行硬件装置握手(Handshaking)程序时，影响实际进行高速传输时的输出电压因素包含不同的主机所提供的终端电阻R_H的电阻值(45±10％)的差异因素，以及装置本身内置的终端电阻R_IN的变化因素。图6的模拟结果显示，假设本发明的输出电流I₃的电流值变化范围是16.15mA～19.75mA(17.78±10％)，同时主机的终端电阻R_H及装置的终端电阻R_IN的电阻值变化范围是在40.5～49.5(45±10％)欧姆，则使用本发明的USB高速装置的输出电压变化范围为360mV～440mV(400mV±10％)，完全符合USB 2.0协议的规定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有自动校准电路的通用串行总线USB芯片，用于校准所述USB芯片的输出端电压，其特征在于，所述USB芯片的自动校准电路包含：

比较电路，用于比较参考电压与所述输出端电压，从而产生比较结果；

数字电路，根据所述比较结果，调整所述数字电路的输出值；以及

可调式电流输出装置，根据所述数字电路的输出值，在所述USB芯片的输出端产生相对应的第一电流。

2.如权利要求1所述的具有自动校准电路的USB芯片，其特征在于，所述USB芯片支持USB 2.0协议接口。

3.如权利要求2所述的具有自动校准电路的USB芯片，其特征在于，所述自动校准电路启动的时间设置为所述USB芯片与主机间执行硬件装置握手程序中的Chirp-K阶段。

4.如权利要求1所述的具有自动校准电路的USB芯片，其特征在于，所述参考电压由能隙参考电压电路提供。

5.如权利要求1所述的具有自动校准电路的USB芯片，其特征在于，进一步包含：

模拟数字转换器，耦接所述比较电路与所述数字电路之间，用于将所述比较结果转换成数字信号，并提供给所述数字电路。

6.如权利要求1所述的具有自动校准电路的USB芯片，其特征在于，所述可调式电流输出装置包含二进制权重式电流定标器或温度计编码式电流定标器或二阶段式电流定标器或R/2R电流定标器。

7.如权利要求1所述的具有自动校准电路的USB芯片，其特征在于，所述可调式电流输出装置包含：

可变电流源，根据所述数字电路的输出值，产生所述第一电流。

8.如权利要求1所述的具有自动校准电路的USB芯片，其特征在于，所述可调式电流输出装置包含：

恒定电流源，用于产生第二电流；以及

可变电流源，根据所述数字电路的输出值，产生第三电流；

其中，所述第一电流等于所述第二电流加上所述第三电流。

9.一种通用串行总线USB芯片校准方法，用于校准所述USB芯片的输出端电压，其特征在于，包含：

比较参考电压与所述输出端电压，产生比较结果；

根据所述比较结果，调整数字电路的输出值；以及

根据所述数字电路的输出值，所述USB芯片的输出端产生相对应的第一电流。

10.如权利要求9所述的USB芯片校准方法，其特征在于，所述参考电压由能隙参考电压电路提供。

11.如权利要求9所述的USB芯片校准方法，其特征在于，所述USB芯片支持USB 2.0协议接口。

12.如权利要求11所述的USB芯片校准方法，其特征在于，所述校准方法的实施时间为所述USB芯片与主机间执行硬件装置握手程序中的Chirp-K阶段。

13.如权利要求9所述的USB芯片校准方法，其特征在于，在所述产生相对应的第一电流步骤中，进一步包含根据二进制权重式电流定标方式，或者温度计编码式电流定标方式，或者二阶段式电流定标方式，或者R/2R电流定标方式，在所述输出端产生相对应的第一电流。

14.如权利要求9所述的USB芯片校准方法，其特征在于，所述产生相对应的第一电流步骤进一步包含：

利用恒定电流源产生第二电流；以及

利用可变电流源，根据所述数字电路的输出值，在所述输出端产生第三电流；

其中，所述第一电流等于所述第二电流加上所述第三电流。

15.如权利要求9所述的USB芯片校准方法，其特征在于，进一步包含：

将所述比较结果转换成数字信号，提供给所述数字电路。