CN1134951C - 通用串行接口收发机和相关方法 - Google Patents

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Abstract

简而言之，按照本发明的一个实施例的集成电路包括：能发射和接收符合标准的通用串行总线(USB)规范的信号的收发机。收发机进一步能发射和接收频率高于符合标准USB规范的信号的信号。收发机进一步能在发射和接收更高频率的信号与标准USB信号之间进行自我配置。

Description

通用串行接口收发机和相关方法
相关申请
本专利申请涉及同时申请的美国专利申请公开号US2001/0020843A1，其名称为“稳压器”(Voltage Regulator)，发明人为M.Beck，申请日为2001年5月18日，受让给本发明的受让人，特此引用作为参考。
背景技术
发明领域
本发明涉及例如在计算或计算机系统中的高速信号传输或通信。
众所周知，在计算机系统中，为了在例如计算机外围设备与主机之间进行信号通信，目前传输的信号要符合预定的规范或协议。这是合乎需要的，因为这增强了例如由不同公司制造的设备之间的互用性。一种这样的规范就是著名的通用串行总线规范1.0版，(以下称为“标准USB”，获取该规范的地址如下：USB-IF，2111 NE 25th Ave.，MS-JF2-51，Hillsboro，OR 97124)。该规范当前的版本提到的是以低速时1.5兆位/秒和全速时12兆位/秒的速度传递的信号。然而，随着微处理器速度的提高以及外围设备的数量和速度的增加，以更高的信号速率进行信号传输已经变得必要起来。除了这种对高速信号传输的需要外，也要求新的计算或计算机系统包含理解老系统或者与老系统的通讯的功能-这些老系统是以现有的或更低速的信号传输速率运行的。因此，需要这样一种过程或技术，用于在高速功能存在时以高速度通信，同时为保持后向兼容性而保留以低速或现有技术水平的速度通信的功能。
发明概述
简而言之，按照本发明的一个实施例的集成电路包括：能发射和接收符合标准的通用串行总线(USB)规范的信号的收发机。收发机进一步能发射和接收频率高于符合标准USB规范的信号的信号。收发机进一步能在发射和接收更高频率的信号与标准USB信号之间进行自我配置。
附图说明
在本说明书的结论部分，特别地指出了本发明的实质主题并明确地提出了权利主张。不过，通过在阅读以下各附图的同时参考后面的详细说明，可以最好地理解本发明的组织和操作方法及其目的、特点和优点。
图1是表示按照本发明的例如两个集成电路的实施例的局部的示意图-这两个集成电路由电缆连接；
图2是表示可以在例如图1的集成电路之一中采用的驱动器的实施例的电路图。
发明详述
在后面的详细说明中，列举了许多具体的细节，这是为了便于透彻地理解本发明。然而，本领域的熟练人员明白，没有这些具体细节，也能实行本发明。在其它情况中，为了不妨碍对本发明的说明，对著名的方法、程序、部件和电路不作详细的说明。
图1的示意图显示的实施例100，展示了按照本发明的两个集成电路的实施例的局部。实施例100包括集成电路200和205，不过本发明的范围在这一点上并不限于此。这些集成电路可以在各种系统中被采用或设置。例如-但不限于-主计算机或者与主机保持联络的外围设备中。如图1中所示，这些集成电路通过电缆110，电缆在这里有效地起着传输线的作用。在这个特定实施例中，电缆110是双扭铜线，不过本发明的范围在这一点上并不限于此。在这个特定实施例中，集成电路205包含上游收发机，集成电路200包含下游收发机。在这里，上游收发机向下游收发机发送通信信号，例如如上所述的那样，从主机向外围设备发送，不过本发明的范围在这一点上并不限于此。也要注意，这里对上游和下游的定义，与前面提到的标准USB规范中所采用的定义方法是颠倒的。
所示的收发机能够以标准的USB收发机所用的低速(即1.5兆位/秒)和全速(即12兆位/秒)进行通信，也能以更高的速度进行通信。在这个特定实施例中，该更高的速度是125兆位/秒，不过本发明的范围在这一点上并不限于此。因此，在低速和全速时，就信号而言，该实施例的运行基本上与符合标准USB规范的设备或收发机完全相同。不过，正如以下将要更详细说明的那样，该收发机是可自我配置的，因为它除了能在低速或全速方式下运行，还能在高速方式下运行。为此，在这个特定实施例中，收发机在两个体系结构之间自我配置，一个是标准体系结构，一个是高速体系结构。为高速体系结构增加的电路对以符合标准USB规范的方式运行的电路来说是透明的。
众所周知，在标准USB中，电压方式驱动器(voltage modedrivers)被用在近端串联端接上。这种方法对高速操作来说是不可取的，一个原因就是电压方式驱动在较高速度下操作干线到干线(rail-to-rail)时要产生的电磁干扰。因高频引起的短时内的较大信号摆幅，会产生过分大量的干扰。因此，在这个特定实施例中，对于高速操作，转而将电流驱动的电路用在远端并联端接上-以下将对此作更详细的说明。弃电压驱动的信号而用电流驱动的信号进行信号传输，为信号摆幅更小、更好控制以及为差分信号(differential signal)创造了条件。图1中所示的收发机实施例的另一个优点是，对于该特定实施例来说，收发机在125兆位/秒的高速方式下的能耗，低于收发机在12兆位/秒的全速方式下的能耗。出现这种现象的一个原因是，电压信号摆幅越小，能耗越小。
在这个特定实施例中，高速电路除了是电流驱动的外，还采用单边端接(single side termination)。此外，在这个特定实施例中，端接还是非对称的。具体来说，在下游传递时采用远端端接，而在上游传递时采用近端端接。通讯发生在上游是因为电缆或总线是双向的。因此，本方法的一个优点是，与其它方法相比，它为完成端接(termination)而要采用的额外引脚数更少。
参看图1，如图所示，接收机120作为低速和全速接收机工作，而驱动器130和140分别作为全速和低速驱动器工作。当然，120也可以是两个接收机。下游配置是类似的，因为接收机220作为全速接收机和低速接收机工作，而230和240则作为全速和低速驱动器工作。220还是也可以是两个接收机。如图所示，电路包含符合标准USB规范的功能，并且包含便于进行满意的操作的相应端接。因此，如果这个收发机实施例在上游或下游与不包含高速功能的收发机通讯，就可以采用低速或全速操作。同样，图1中所示的按照本发明的这个收发机实施例包含高速电路，以便可以在与同样包含类似高速功能的收发机通讯时采用高速通讯。因此，关于上游高速收发机，可以采用高速接收机150和高速驱动器160和170，而关于下游高速收发机，可以采用高速接收机250和高速驱动器260和265。同样，电路的高速部分包含电压源，在这个特定实施例中即上游收发机上的电压源180和下游收发机上的电压源270，如图1中所示的那样。这些电压源通常可包含带隙电路，不过本发明的范围在这一点上并不限于此。在这个实施例中，下游收发机也包含稳压器275，以下要作更详细的说明。
在从上游收发机向下游收发机进行通信时，采用远端端接。在这个实施例中出现这个情况的原因是，稳压器275可供在下游的高速方式下使用，因此，对于下游收发机，稳压器275与外部提供的电阻310和320串联时表现为较低的阻抗。如图所示，假设电缆110在本实施例中有90欧姆的电阻，如双扭铜线的那样，则电阻310和320理想的远端端接。当然，本发明的范围并不限于这些电阻。此外，也可以将这些电阻配置在芯片内而不是芯片外。
相反，当从下游收发机向上游收发机进行通信时，则采用近端端接。因此前文中所述的端接也为下游至下游的通信提供理想的端接。在这个实施例中出现这个情况的原因是，在上游高速、全速和低速收发机处于活动状态(因而具有高阻抗)的同时，上游高速驱动器如160和170是三态的并有较高的阻抗。因此，从下游收发机向上游收发机发送的信号，实际上由于上游收发机的高阻抗而被反射回去。然而，外部提供的45欧姆的电阻310和320，与90欧姆的电缆110一起构成一个分压器，致使将近一半的信号能被从下游收发机传输到上游收发机。因此，当如刚刚说明的那样，信号由于上游的高阻抗而被反射回去时，原始信号和反射信号在上游收发机上相长地综合起来，在上游收发机上提供完全的信号。
前文指出过，本收发机的特定实施例的另一个方面是，收发机是可自我配置的。这个特定实施例有几个不同的可自我配置方面，不过本发明的范围并不限于在一个实施例中具有所有这些方面。例如，收发机包含能根据所需要的特定操作速度而开启和关闭相应的驱动器和接收机的功能。不过图1中并没有具体表示出这个功能，这是为了避免影响清楚地说明本发明。然而，收发机可以采用各种信号传输协议，以确定所需的操作速度，并由此相应地配置驱动器和接收机。例如-尽管本发明的范围在这一点上并不限于此，某收发机一开始可以假设全速方式下的操作，等待其与之通信的另一个收发机发出的关于其它收发机是否具有高速功能的指示。然后，如果其它收发机指出它具有高速功能，全速方式下的的收发机就可以适当地提高其通信速度。当然，本发明的范围并不限于这种用于建立高速通信的技术。不管这是如何实现的，如果我们假设收发机具有通过信号传输协议确定相应的操作方式的功能，则该特定的收发机实施例就是可自我配置的，因为它可以连接适当的电路设置，以实现所希望的操作速度。
在这个特定实施例中，自我配置是在下游收发机中完成的，不过本发明的范围在这一点上并不限于此。例如，这也可以反过来由上游收发机完成。这种方法的一个优点是-在这个实施例中，提供可自我配置的功能采用了三个额外的外部连接。因此，把这三个额外的连接或引脚与下游收发机放置在一起，最终会减少系统中额外的引脚的数量，这是因为，例如多端口设备(如集线器)通常采用一个下游收发机和多个上游收发机。因此，这个技术减少了为了具有这种自我配置功能所需的额外引脚的数目，因为要是采用那个方法的话，多个上游收发机就会导致需要多个额外的引脚。
对于图1中所示的实施例来说，这个自我配置功能的一个方面体现在开关340和电阻330上。已经知道，符合标准USB规范的一个方面是为全速方式的操作提供一个1.5KΩ的上拉电阻，如电阻330。因此，在这个特定实施例中，可以在集成电路200上配置开关340，高速操作时，开关将保持开启，全速操作时，开关将保持闭合。当然，本发明的范围在这一点上并不限于此，为了全速操作，也可以避免采用额外的引脚和电阻330，方法是提供一个电流源，电流源与电缆的连接完成时模拟标准USB规范中所规定的上升时间。这一点在图1中由虚线表示。在这里，术语“电流源”指的是其连接方式使其在工作时类似电流源的电路特性的三极管。在采用后一种方法的实施例中，下游收发机因此可以是自我配置的，采用两个外部连接而不是三个外部连接。
如图1中所示，这两个外部连接被用来连接两个提供前文所述的并行端接的电阻310和320，不过，本发明的范围在这一点上当然并不限于此。然而，如后面将更加详细地说明的那样，这些引脚把这些端接连接到稳压器275。为上游收发机提供远端端接在这个特定实施例中只是利用稳压器275的一个方面。如前文所述，当稳压器275工作时，它与并联的端接电阻310和320串联时具有较低的阻抗。然而在替代性的方式中，稳压器275可不再起稳压器的作用，在这种操作方式下可以提供较高的阻抗。当要求收发机进行全速或低速操作时，稳压器275的这种操作方式是合乎要求的，由此能提高收发机的自我配置能力。
以这种方式采用稳压器的效果，为前文所述的两种不同的信号传输技术或方式创造了条件。如果稳压器以提供较低阻抗的方式工作，就允许收发机如前文所述的那样进行电流方式的信号传输，以便能进行高速通信。另一方面，如果稳压器被关掉，并因此具有较高的阻抗，则-如传统地在标准USB中所采用的那样-允许进行电压方式的信号传输。所以，在这个收发机实施例中，稳压器275是可自我配置性的另一个方面。
除了提供如前文所述的拆接或去耦并行端接的功能外，稳压器275也在高速通信进行时吸收和流出(sinks and sources)电流，与此同时保持基本恒定的电压水平。保持基本恒定的电压水平，特别是高于接地电平的电压水平，是合乎要求的，因为这样能把下游收发机的电压水平保持在使得高速接收机能满意地工作的某个电压水平上。尽管本发明的内容在这一点上并不限于此，这种稳压器的一个实施例在前文提及的同时申请的美国专利申请中有描述，其名称为“稳压器”(Voltage Regulator)(美国专利申请公开号US2001/0020843A1)，发明人为M.Beck，受让给本发明的受让人，特此引用作为参考。
图2是表示用于图1中所示的按照本发明的集成电路的实施例205的高速驱动器的理想实施例的电路图。这些驱动器对应于图1中的驱动器160和170，不过本发明的范围并不限于该特定实施例。在按照本发明的集成电路中可以采用许多其它的高速驱动器实施例。同样，如上所述，该特定实施例假设采用远端端接。如图2中所示，该特定实施例中的每个高速驱动器都包含并联的有开关的电流源。在这里，术语“电流源”指的是其连接方式使其在工作时类似电流源的电路特性的三极管。在该特定实施例中，为了发送逻辑1信号，由三极管510，520，530，540，550和560构成的第一驱动器中的电流源导通，提供电流给90欧姆的双铰电缆提供电流和端接电阻310和320。由三极管410，420，430，440，450和460构成的驱动器170中的电流源也导通，从端接电阻和电缆吸收(sinks)电流。为了发送逻辑0信号，驱动器170流出(sources)电流，同时驱动器160吸收电流。假设信号摆幅大约是500毫伏-尽管本发明的范围在这一点上不限于此，就是说，稳压器275的预定电压水平加或减250毫伏，则采用大约5.5毫安的电流。为了降低电磁干扰，要求由驱动器产生的信号是对称的，这又要求采用基本相同的驱动器。同样要求使所产生的信号的上升时间和下降时间匹配。因此要求适当地调整构成驱动器的电流镜(currentmirrors)的三极管的大小，因为三极管的大小影响门电容，门电容会影响信号上升和下降时间。在这个特定实施例中，如图1和图2中所示的那样，两个引脚用于稳压器275。这就具有在需要时拆接或去耦由电阻320和310所提供的并行端接-不让这两个电阻构成通过稳压器的回路-的功能。所以，为完成高速操作而将电压源置于高阻抗状态实际上把并联端接从收发机断开，这正是本实施例所预期的。
尽管如本文中所描述的那样解释了本发明的一些特点，本领域的熟练人员现在将能想出许多改进、替代、改变和等同方案。因此要明白，后附的权利要求旨在包含所有这些属于本发明的真正精神的改进和改变。

Claims (19)

1.一种集成电路，包含：
收发机，该收发机含有用以在通信路径上串行地发送和接收符合于标准通用串行总线(USB)规范的信号的电路；
所述收发机又含有用以在该通信路径上串行地发送和接收频率高于符合标准USB规范的信号的信号的电路；
所述收发机含有为发送和接收更高频率的信号而进行自我配置的电路。
2.权利要求1的集成电路，其中，更高频率的信号具有至少125兆位/秒的频率。
3.权利要求1的集成电路，其中，所述收发机能用不多于三个的外部连接进行自我配置。
4.权利要求3的集成电路，其中，收发机包含一个下游收发机，三个外部连接中的两个被用来耦接至传输线端接。
5.权利要求4的集成电路，其中，三个外部连接中的一个被用来耦接一个上拉电阻，以符合标准USB规范。
6.权利要求1的集成电路，其中，所述收发机能用不多于两个的外部连接进行自我配置。
7.权利要求1的集成电路，其中，所述收发机包含在保持基本恒定的电压水平的同时吸收和流出电流的稳压器。
8.权利要求1的集成电路，其中，所述收发机包含一个上游收发机，而所述上游收发机又包括两个基本相同的高速电流驱动器。
9.权利要求8的集成电路，其中，所述上游收发机被耦接得能通过电缆与下游收发机通信。
10.权利要求9的集成电路，其中，所述上游收发机是远端端接的。
11.权利要求9的集成电路，其中，所述下游收发机包含用以串行地发送和接收符合于标准USB规范的信号的电路；
所述下游收发机包含用以串行地发送和接收频率高于符合标准USB规范的信号的信号的电路；
所述下游收发机包含为发送和接收更高频率的信号而进行自我配置的电路。
12.权利要求1的集成电路，其中，用以发送和接收高频信号的电路，与用以发送和接收符合于标准USB规范的信号的电路一起，共享至少某电路。
13.一种系统，包含：
下游收发机、上游收发机和耦接上游和下游收发机的电缆；
所述收发机能在该电缆上发送和接收符合标准USB规范的信号；
所述收发机又能在该电缆上发送和接收频率高于符合标准USB规范的信号的信号；
所述收发机能为发送和接收更高频率的信号进行自我配置。
14.权利要求13的系统，其中，所述上游收发机被耦接得能为主计算机发送和接收信号，和所述下游收发机被耦接得能为计算机外围设备发送和接收信号。
15.权利要求14的系统，其中，更高频率的信号具有至少125兆位/秒的频率。
16.一种配置收发机来在通信路径上串行地发送和接收高频信号的方法，所述收发机能在该通信路径上串行地发送和接收符合标准的通用串行总线(USB)规范的信号，所述方法包含：
使稳压器能在保持基本恒定的电压水平的同时吸收和流出电流，所述稳压器耦接到提供传输线端接的电阻；
去耦用以符合标准USB规范而设置的上拉电阻。
17.权利要求16的方法，其中，所述收发机至少包含下游收发机和上游收发机中的其中之一。
18.权利要求16的方法，其中，端接电阻约为45欧姆。
19.权利要求16的方法，其中，上拉电阻约为1.5千欧姆。
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