TWI897660B

TWI897660B - 基於通用序列匯流排協議的訊號發射器與其交握方法

Info

Publication number: TWI897660B
Application number: TW113137463A
Authority: TW
Inventors: 洪思鑫; 龐振洋; 屈甜麗
Original assignee: 大陸商星宸科技股份有限公司
Priority date: 2024-09-30
Filing date: 2024-09-30
Publication date: 2025-09-11

Abstract

訊號發射器包含驅動電路、控制電路以及箝位電路。驅動電路在一交握階段中根據一資料訊號調整一訊號墊的位準，以與一電子裝置進行速度協商。控制電路根據一通用序列匯流排協議中的一操作模式訊號以及一發射有效訊號產生一箝位訊號。箝位電路根據該箝位訊號在該交握階段中啟動，以限制該訊號墊的位準。

Description

基於通用序列匯流排協議的訊號發射器與其交握方法

本案是關於訊號發射器，尤其是可在交握階段中提供電壓保護的訊號發射器與其交握方法。

通用序列匯流排（universal serial bus）常應用於各種電子裝置，以相互進行資料傳輸。在進行資料傳輸之前，主控端裝置與裝置端裝置會基於USB協議進行交握，以確認雙方可支援的傳輸速度。在現有的電子裝置中，由於製程變異的影響，可能導致電阻與/或電晶體的阻值變動，從而導致訊號墊或接腳上的位準在交握階段的過程中變得過高，造成速度協商出現異常。

於一些實施態樣中，本案的目的之一在於提供一種可在交握階段中提供電壓保護的訊號發射器與其交握方法，以改善先前技術之不足。

於一些實施態樣中，訊號發射器包含驅動電路、控制電路以及箝位電路。驅動電路在一交握階段中根據一資料訊號調整一訊號墊的位準，以與一電子裝置進行速度協商。控制電路根據一通用序列匯流排協議中的一操作模式訊號以及一發射有效訊號產生一箝位訊號。箝位電路根據該箝位訊號在該交握階段中啟動，以限制該訊號墊的位準。

於一些實施態樣中，由訊號發射器執行的一種交握方法包含下列操作：在一交握階段中，根據一資料訊號調整一訊號墊的位準，以與一電子裝置進行速度協商；根據一通用序列匯流排協議中的一操作模式訊號以及一發射有效訊號產生一箝位訊號；以及根據該箝位訊號在該交握階段中啟動該訊號發射器中的一箝位電路，以藉由該箝位電路限制該訊號墊的位準。

有關本案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

本文所使用的所有詞彙具有其通常的意涵。上述之詞彙在普遍常用之字典中之定義，在本案的內容中包含任一於此討論的詞彙之使用例子僅為示例，不應限制到本案之範圍與意涵。同樣地，本案亦不僅以於此說明書所示出的各種實施例為限。

關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。如本文所用，用語『電路』可為由至少一個電晶體與/或至少一個主被動元件按一定方式連接以處理訊號的裝置。

圖1為根據本案一些實施例繪製一種訊號發射器100的示意圖。在一些實施例中，訊號發射器100可應用於使用通用序列匯流排（universal serial bus, USB）協議的主控端（host）裝置，但本案並不以此為限。

訊號發射器100包含驅動電路110、控制電路120、箝位電路130、終端電阻RT1以及下拉電阻RDN。驅動電路110在交握（handshake）階段中根據資料訊號DP與資料訊號DN調整訊號墊（pad）P1的位準，以與電子裝置101進行速度協商。例如，在交握階段中，驅動電路110可根據資料訊號DP與資料訊號DN發出啁啾（或脈衝；chirp）訊號，以與電子裝置101進行溝通。在一些實施例中，電子裝置101可為使用USB協議的裝置端。在一些實施例中，驅動電路110可為，但不限於，電壓模式驅動電路。例如，驅動電路110可包含電晶體MN1與電晶體MN2。電晶體MN1的第一端（例如為汲極）接收電源電壓AVDD1，電晶體MN1的第二端（例如為源極）並經由終端電阻RT1耦接至訊號墊P1，且電晶體MN1的控制端（例如為閘極）接收資料訊號DP。電晶體MN2的第一端耦接至電晶體MN1的第二端，電晶體MN2的第二端耦接至地，且電晶體MN2的控制端接收資料訊號DN。下拉電阻RDN的第一端耦接至終端電阻RT1以及訊號墊P1，且下拉電阻RDN的第二端耦接至地。

控制電路120根據USB協議中的操作模式訊號OpMode[1:0]以及發射有效訊號TxValid產生箝位訊號HSCJ。在一些實施例中，前述的USB協議可為USB 2.0協議。在一些實施例中，操作模式訊號OpMode[1:0]為具有兩位元的訊號，其用於指示裝置應執行的操作。在一些實施例中，發射有效訊號TxValid用於指示裝置是否正在發射有效資料。在一些實施例中，訊號發射器100更包含USB控制器，其可基於USB協議產生前述的操作模式訊號OpMode[1:0]以及發射有效訊號TxValid。例如，當操作模式訊號OpMode[1:0]的第一與第二位元皆為邏輯值0（即操作模式訊號OpMode[1:0]為00），代表訊號發射器100處於正常操作階段。當操作模式訊號OpMode[1:0]的第一位元為邏輯值1且其第二位元為邏輯值0（即操作模式訊號OpMode[1:0]為10），代表訊號發射器100處於交握階段。在交握階段中，電子裝置101可開始發出啁啾（chirp）訊號（例如為圖3中的啁啾-K（chirp K）訊號），以詢問訊號發射器100是否支援高速（high speed）模式的訊號傳輸。若訊號發射器100支援高速模式的訊號傳輸，訊號發射器100可根據資料訊號DP與資料訊號DN發出交替的啁啾訊號（例如為chirp KJ訊號），使得電子裝置101與訊號發射器100可切換到高速模式；或者，若訊號發射器100不支援高速模式，則電子裝置101與訊號發射器100可維持使用全速（full speed）模式的資料傳輸。上述在交握階段中的操作過程相當於前述的速度協商。

箝位電路130根據箝位訊號HSCJ在交握階段中啟動，以限制該訊號墊P1的位準。在上述的交握階段中，當訊號墊P1用於發射啁啾-J（chirp J）訊號時，資料訊號DP為高位準（例如為邏輯值1）且資料訊號DN為低位準（例如為邏輯值0），使得電晶體MN1導通。同時，電子裝置101中連接至訊號墊P1的介面電路會經由上拉電阻RUP傳輸電源電壓AVDD2，其中電源電壓AVDD2的位準高於電源電壓AVDD1的位準。例如，電源電壓AVDD2可約為3.3伏特，且電源電壓AVDD1可約為0.8伏特。於此條件下，由於電子裝置101未將其特徵阻抗（即終端電阻RT2，其可約為，但不限於，45歐姆）連接至訊號墊P1（故以虛線繪製），訊號墊P1的位準會變高，從而導致電晶體MN1的導通阻抗變高。另一方面，由於電子裝置101中的上拉電阻RUP與電晶體MN1會對電源電壓AVDD1與電源電壓AVDD2進行分壓，從而進一步增加訊號墊P1的位準。由於實際製程變異的影響，電晶體MN1的導通阻值以及上拉電阻RUP的阻值亦會變動，使得訊號墊P1的位準亦容易受到上述變異的影響。為避免訊號墊P1的位準在交握階段中過高而導致速度協商失敗，箝位電路130可根據箝位訊號HSCJ在交握階段中啟動，以降低訊號墊P1的位準，從而限制訊號墊P1的位準在USB協議中界定的電壓範圍。

在一些實施例中，箝位電路130包含電晶體MP1以及電晶體MN3。電晶體MP1的第一端（例如為源極）耦接至電晶體MN1的第二端並經由終端電阻RT1耦接至訊號墊P1，電晶體MP1的第二端（例如為汲極）耦接至電晶體MN3的第一端，且電晶體MP1的控制端（例如為閘極）接收箝位訊號HSCJ。電晶體MN3的第二端耦接至地，且電晶體MN3的控制端耦接至電晶體MN3的第一端。換言之，電晶體MN3為連接為二極體形式（diode-connected）的電晶體，以操作為二極體，並耦接至電晶體MP1與地之間。電晶體MP1可根據箝位訊號HSCJ導通，以將訊號墊P1經由電晶體MN3耦接至地。上述的箝位電路130的設置方式用於示例，可達成相同限制電位的箝位電路130之各種設置方式皆為本案所涵蓋的範圍。

圖2為根據本案一些實施例繪製圖1中的控制電路120的示意圖。在一些實施例中，控制電路120可包含邏輯閘210以及反相器220。在一些實施例中，邏輯閘210可為，但不限於，非及（NAND）閘。邏輯閘210根據操作模式訊號OpMode[1:0]中的第一位元（標註為OpMode(1)）、訊號S1以及發射有效訊號TxValid產生箝位訊號HSCJ。反相器220根據操作模式訊號OpMode[1:0]中的第二位元（標註為OpMode(0)）產生訊號S1。上述的控制電路120的設置方式用於示例，可基於USB規範中的相關控制訊號在交握階段進行箝位控制的控制電路120之各種設置方式皆為本案所涵蓋的範圍。

圖3為根據本案一些實施例繪製圖1中的箝位訊號HSCJ、操作模式訊號OpMode[1:0]以及訊號發射器100與電子裝置101之間的線路狀態的操作時序示意圖。如圖3所示，在初始期間，操作模式訊號OpMode[1:0]為00（即第一位元OpMode(1)與第二位元OpMode(0)皆為邏輯值0），且發射有效訊號TxValid具有邏輯值1。於此條件下，代表訊號發射器100處於正常操作階段。

接著，操作模式訊號OpMode[1:0]切換為10（即第一位元OpMode(1)為邏輯值1，且第二位元OpMode(0)為邏輯值0）。於此條件下，訊號發射器100處於交握階段，並開始進行速度協商。相應地，訊號發射器100的線路狀態切換為單端接地（Single-Ended Zero, SE0），例如，資料訊號DP為低位準（例如為邏輯值0）且資料訊號DN為高位準（例如為邏輯值1），使得電晶體MN2導通接地，從而拉低訊號墊P1的位準。當電子裝置101檢測到此狀態，電子裝置101開始發出啁啾-K（chirp K）訊號。響應於此啁啾-K訊號，訊號發射器100可再次將線路狀態重置為單端接地（SE0），且驅動電路110可基於資料訊號DP與資料訊號DN開始發出啁啾-KJ（chirp KJ）訊號。同時，發射有效訊號TxValid由低位準切換為高位準，以指示訊號發射器100正發出有效的資料訊號。於此條件下，訊號發射器100可在交握階段中藉由上述的啁啾-KJ訊號通知電子裝置101可使用高速模式進行資料傳輸，以完成速度協商。

從上述波形可得知，當進入交握階段時，操作模式訊號OpMode[1:0]切換為10；進一步地，當訊號發射器100在交握階段中發出啁啾訊號（即前述的啁啾-KJ訊號）時，發射有效訊號TxValid會切換至對應於邏輯值1的高位準。在此條件下，控制電路120可產生具有邏輯值0的箝位訊號HSCJ，以導通圖1的電晶體MP1，從而啟動箝位電路130來限制訊號墊P1的位準。換言之，當操作模式訊號OpMode[1:0]具有一預定狀態（即前述的10）且發射有效訊號TxValid為預定邏輯值（如為邏輯值1）時，箝位電路130可據此啟動以限制訊號墊P1的位準。亦即，箝位電路130是在驅動電路110於交握階段發出啁啾訊號時啟動。另一方面，當操作模式訊號OpMode[1:0]不具有該預定狀態或發射有效訊號TxValid不為該預定邏輯值時，箝位電路130不啟動以避免影響驅動電路110的正常操作。

應當理解，訊號發射器100可更包含處理另一訊號墊的電路部分，例如，圖1的訊號墊P1對應於USB介面中的接腳D+，而前述的另一訊號墊對應於USB介面中的接腳D-。該電路部分相同於圖1所示的電路設置方式，故於此不再重複贅述。

圖4為根據本案一些實施例繪製一種交握方法400的操作流程圖。在一些實施例中，交握方法400可由，但不限於，圖1的訊號發射器100執行。在操作S410，在一交握階段中，根據一資料訊號調整一訊號墊的位準，以與一電子裝置進行速度協商。在操作S420，根據一通用序列匯流排協議中的一操作模式訊號以及一發射有效訊號產生一箝位訊號。在操作S430，根據該箝位訊號在該交握階段中啟動該訊號發射器中的一箝位電路，以藉由該箝位電路限制該訊號墊的位準。

上述交握方法400的多個操作之說明可參考前述多個實施例，故於此不再贅述。上述多個操作僅為示例，並非限定需依照此示例中的順序執行。在不違背本案的各實施例的操作方式與範圍下，在交握方法400下的各種操作當可適當地增加、替換、省略或以不同順序執行。或者，在交握方法400下的一或多個操作可以是同時或部分同時執行。

綜上所述，本案一些實施例中所提供的訊號發射器與交握方法在交握階段中提供了電壓保護，以避免訊號墊的位準在交握階段中錯誤地過高，從而提高了交握階段的協商驗證的正確性。

雖然本案之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本案，本技術領域具有通常知識者可依據本案之明示或隱含之內容對本案之技術特徵施以變異，凡此種種變異均可能屬於本案所尋求之專利保護範疇，換言之，本案之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100:訊號發射器 101:電子裝置 110:驅動電路 120:控制電路 130:箝位電路 210:邏輯閘 220:反相器 400:交握方法 AVDD1,AVDD2:電源電壓 HSCJ:箝位訊號 DN,DP:資料訊號 MN1~MN3,MP1:電晶體 OpMode[1:0]:操作模式訊號 OpMode(1):第一位元 OpMode(0):第二位元 P1:訊號墊 RDN:下拉電阻 RT1,RT2:終端電阻 RUP:上拉電阻 S1:訊號 S410,S420,S430:操作 TxValid:發射有效訊號

［圖1］為根據本案一些實施例繪製一種訊號發射器的示意圖；［圖2］為根據本案一些實施例繪製圖1中的控制電路的示意圖；［圖3］為根據本案一些實施例繪製圖1中的箝位訊號、操作模式訊號以及訊號發射器與電子裝置之間的線路狀態的操作時序示意圖；以及［圖4］為根據本案一些實施例繪製一種交握方法的操作流程圖。

100:訊號發射器

101:電子裝置

110:驅動電路

120:控制電路

130:箝位電路

AVDD1,AVDD2:電源電壓

HSCJ:箝位訊號

DN,DP:資料訊號

MN1~MN3,MP1:電晶體

OpMode[1：0]:操作模式訊號

P1:訊號墊

RDN:下拉電阻

RT1,RT2:終端電阻

RUP:上拉電阻

TxValid:發射有效訊號

Claims

一種訊號發射器，包含：一驅動電路，在一交握階段中根據一資料訊號調整一訊號墊的位準，以與一電子裝置進行速度協商；一控制電路，根據一通用序列匯流排協議中的一操作模式訊號以及一發射有效訊號產生一箝位訊號；以及一箝位電路，根據該箝位訊號在該交握階段中啟動，以限制該訊號墊的位準，其中該控制電路包含：一邏輯閘，根據該操作模式訊號的一第一位元、一第一訊號以及該發射有效訊號產生該箝位訊號；以及一反相器，根據該操作模式訊號的一第二位元產生該第一訊號。
如請求項1之訊號發射器，其中該邏輯閘為一反及閘。
一種訊號發射器，包含：一驅動電路，在一交握階段中根據一資料訊號調整一訊號墊的位準，以與一電子裝置進行速度協商；一控制電路，根據一通用序列匯流排協議中的一操作模式訊號以及一發射有效訊號產生一箝位訊號；以及一箝位電路，根據該箝位訊號在該交握階段中啟動，以限制該訊號墊的位準，其中當該操作模式訊號具有一預定狀態且該發射有效訊號為一預定邏輯值時，該箝位電路啟動以限制該訊號墊的位準。
如請求項3之訊號發射器，其中當該操作模式訊號不具有該預定狀態或該發射有效訊號不具有該預定邏輯值，該箝位電路不啟動。
如請求項1或請求項3之訊號發射器，其中該箝位電路在該驅動電路於該交握階段中發出一啁啾（chirp）訊號時啟動，以限制該訊號墊的位準。
一種訊號發射器，包含：一驅動電路，在一交握階段中根據一資料訊號調整一訊號墊的位準，以與一電子裝置進行速度協商；一控制電路，根據一通用序列匯流排協議中的一操作模式訊號以及一發射有效訊號產生一箝位訊號；以及一箝位電路，根據該箝位訊號在該交握階段中啟動，以限制該訊號墊的位準，其中該箝位電路包含：一第一電晶體，耦接至該訊號墊，並根據該箝位訊號導通；以及一第二電晶體，耦接至該第一電晶體與地之間，並操作為一二極體。
一種交握方法，由一訊號發射器執行，該交握方法包含：在一交握階段中，根據一資料訊號調整一訊號墊的位準，以與一電子裝置進行速度協商；根據一通用序列匯流排協議中的一操作模式訊號以及一發射有效訊號產生一箝位訊號；以及根據該箝位訊號在該交握階段中啟動該訊號發射器中的一箝位電路，以藉由該箝位電路限制該訊號墊的位準，其中根據該通用序列匯流排協議中的該操作模式訊號以及該發射有效訊號產生該箝位訊號包含：藉由該訊號發射器中的一反及閘根據該操作模式訊號的一第一位元、一第一訊號以及該發射有效訊號產生該箝位訊號；以及藉由該訊號發射器中的一反相器根據該操作模式訊號的一第二位元產生該第一訊號。
一種交握方法，由一訊號發射器執行，該交握方法包含：在一交握階段中，根據一資料訊號調整一訊號墊的位準，以與一電子裝置進行速度協商；根據一通用序列匯流排協議中的一操作模式訊號以及一發射有效訊號產生一箝位訊號；以及根據該箝位訊號在該交握階段中啟動該訊號發射器中的一箝位電路，以藉由該箝位電路限制該訊號墊的位準，其中根據該箝位訊號在該交握階段中啟動該訊號發射器中的一箝位電路，以藉由該箝位電路限制該訊號墊的位準包含：根據該箝位訊號導通該箝位電路中的一第一電晶體，其中該第一電晶體耦接至該訊號墊；以及藉由該箝位電路中的一第二電晶體耦接該第一電晶體至地，其中該第二電晶體操作為一二極體。