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High-Speed-USB Keramikresonatoren vereinfachen das USB-Design

| Autor / Redakteur: Von Shone Tran und Keith Klepin* / Jan Vollmuth

High-Speed-USB ist derzeit nur in wenigen Applikations- und Basisband-Prozessoren integriert. Daher ist in Handys ein separater HS-USB-Controller erforderlich. Platz sparende Keramikresonatoren ersetzen den erforderlichen Quartz und vereinfachen das Design von HS-USB-Funktionalität in beengten Umgebungen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Mobiltelefone entwickeln sich zunehmend zu Media-Playern, mit denen Multimediadateien wie z.B. MP3-Musik oder MPEG-Videos wiedergegeben werden können. Diese Dateien werden meist via Kabel etwa vom Desktop-PC auf die Handys übertragen. Da Multimediadateien meist recht groß sind, setzen immer mehr Gerätehersteller auf High-Speed-USB (HS-USB), um die Datenübertragung zu beschleunigen.

Die Integration von HS-USB stellt die Hardware-Designer vor das Problem, den Platzbedarf und Stromverbrauch der jeweiligen Produkte und den damit verbundenen Kostenaufwand optimieren zu müssen.

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Separater HS-USB-Controller erforderlich

HS-USB-Funktionalität ist derzeit in nur wenige Applikations- und Basisband-Prozessoren integriert, da sich der PHY-Transceiver nur schwer in stark miniaturisierte Prozesstechnologien einbinden lässt. Designern bleibt daher nichts anderes übrig, als einen separaten HS-USB-Controller zu verwenden. Dieser Controller erfordert wiederum einen Quarz – ein großes Bauteil, das den Bemühungen nach Platz sparenden Lösungen entgegen steht.

Ein Ausweg aus dem Dilemma: Platz sparende, preislich vergleichbare Keramikresonatoren können den Quartz ersetzen und so das Design von HS-USB-Funktionalität in Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen deutlich vereinfachen.

Mobiltelefone werden zu Media-Playern

Handys sind heute mit einer Fülle von Multimedia-Funktionen ausgestattet und lassen sich als tragbare Media-Player nutzen. Um für diese bandbreitenintensiven Multimedia-Features gerüstet zu sein, sind viele Telefone heute mit erweiterbaren Massenspeichern von 2 bis 8 GByte ausgestattet, sei es als Flash oder als Festplatte.

Die darauf gespeicherten Dateien können entweder bei Online-Diensten abgerufen oder vom PC auf das Handy übetragen werden. Die erforderliche Geräteverbindung wird häufig via USB hergestellt. Die meisten Mobiltelefone unterstützen heute allerdings nur Full-Speed USB (FS-USB) mit 12 MBit/s, was allenfalls für das simple Synchronisieren von Adressbuch und Kalender ausreicht. Viele Nutzer von Digitalkameras und Media-Playern haben sich jedoch bereits an die 480 MBit/s schnelle Übertragungsrate von HS-USB gewöhnt.

Der Unterschied zwischen Full-Speed-USB und High-Speed USB lässt sich einfach verdeutlichen. Um 100 MByte zu übertragen, z.B. 25 MP3-Musikstücke à 4 MByte, benötigt man mit High-Speed-USB 33 Sekunden, während es mit Full-Speed-USB fast eine Viertelstunde dauert, nämlich 13 Minuten. Angesichts dieser Zahlen ist klar, dass die Handyhersteller großes Interesse haben, HS-USB-Funktionalität in ihre Produkte zu integrieren.

Miniaturierisierung erschwert die Integration von HS-USB

Die Zahl der verfügbaren Applikations- und Basisband-Prozessoren mit voll integrierter HS-USB-Funktionalität ist gering, und einige Basisband-Anbieter planen eine solche Integration überhaupt nicht. Da auf dem Handy-Markt der Trend besteht, bei gleich bleibenden oder gar noch reduzierten Abmessungen immer mehr Funktionalität zu integrieren, werden Basisband- und Applikationsprozessoren zügig auf immer stärker miniaturisierte Prozesstechnologien umgestellt.

Dies bringt für die Integration eines HS-USB-PHY einige Herausforderungen mit sich, denn die schnellen analogen Signalisierungsfunktionen lassen sich nicht ohne weiteres skalieren. Daher lässt sich heute ein Handy am schnellsten mit HS-USB-Funktionalität nachrüsten, indem man einen UTMI-Transceiver (USB 2.0 Transceiver Macrocell Interface) oder ULPI-Transceiver (UTMI + Low Pin Interface) mit Basisband-Prozessoren kombiniert, in die die HS-USB SIE integriert ist, oder indem man die HS-USB-Steuerung vollständig an einen USB-2.0-HS-USB-Peripherie-Controller auslagert. Beide Konzepte sind auf dem heutigen Markt verfügbar, doch darf nicht vergessen werden, dass damit ein Quarz mit 6, 12 oder 24 MHz erforderlich wird.

Wenig Platz im Mobiltelefon

Um ein Mobiltelefon-Design durch HS-USB-Funktionalität zu ergänzen, bieten sich folgende Möglichkeiten an:

  • Architektur A – Diese Variante eignet sich hervorragend für Mobiltelefon-Designs mit Basisband oder Applikationsprozessoren, in die abgesehen vom UTMI/ULPI Transceiver sämtliche HS-USB-Funktionen integriert sind (Bild 1).
  • Architektur B – Diese Architektur lagert die HS-USB-Steuerung vollständig aus dem Basisband-Prozessor aus und stellt die einfachste und schnellste Möglichkeit dar, Mobiltelefon-Designs durch HS-USB-Funktionalität zu ergänzen (Bild 2).
  • Architektur C – Dieses Konzept entlastet nicht nur den Basisband-Prozessor von sämtlichen HS-USB-spezifischen Steuerungsaufgaben, sondern übernimmt auch das Management der erweiterbaren Massenspeicher. Der Vorteil dieser Architektur kommt bei gleichzeitiger Nutzung der drei Ports zum Tragen, denn das Handy steht während eines Datentransfers weiter für andere Funktionen zur Verfügung (Bild 3).

Ungeachtet der genannten, überaus unterschiedlichen Architekturen und Nutzungsszenarien wird man beim Öffnen beliebiger HS-USB-Geräte oft ein gemeinsames Merkmal vorfinden: einen klobigen Quarz mit Maßen von 11,35 x 4,65 x 3,5 mm. Bedenkt man das überaus knappe Platzangebot in modernen Handys (das Motorola Razr z.B. ist 13,9 mm flach), wird ei so großer Quarz zum Problem.

Die Alternative heißt Keramikresonator

Glücklicherweise gibt es heute mindestens eine verfügbare Keramikresonator-Lösung, die mit Maßen von nur 3,2 x 1,3 x 1,0 mm gegenüber einem konventionellen Quarz eine 90-prozentige Ersparnis an Leiterplattenfläche und eine Verringerung der Dicke um 70 % erzielt. Noch etwas kommt hinzu. Auch wenn der USB allgegenwärtig ist, sind keineswegs alle HS-USB-Geräte gleich, sondern sie weisen hinsichtlich ihrer Oszillatoren unterschiedliche Toleranzen auf. Deshalb muss genau untersucht werden, ob das jeweilige HS-USB-Design für diese kleinen Resonatoren überhaupt geeignet ist.

Bei den meisten HS-USB-Geräten werden die an den Quarz gestellten Anforderungen durch die in der USB-Spezifikationen festgelegten Bitratenstabilität vorgegeben. Den größten Einfluss auf diesen Parameter hat der Takteingang. Die USB-2.0-Spezifikation setzt eine Bitraten-Genauigkeit von ±500 ppm voraus, wenn das Design mit HS-USB-Datenraten arbeitet. Einfluss auf diesen Wert haben die Genauigkeit des Takts, Alterungseffekte der Taktquelle, die Toleranz der verwendeten Lastkondensatoren und die Genauigkeits-Auswirkungen des USB-Chips selbst.

Design-Aspekte bei Keramik-Resonatoren

Soll ein Gerät mit HS-USB-Funktionalität unter Verwendung von Quarzen oder Resonatoren entwickelt werden, muss die Frequenzgenauigkeit innerhalb der USB-Spezifikation von ±500 ppm bleiben – über den gesamten Betriebsspannungs und Temperaturbereich des Geräts hinweg. Außerdem ist das Gerät auf etwaige Alterungseffekte hin zu untersuchen, denn sowohl ein Quarz als auch ein Resonator verändern ihre Eigenschaften mit der Zeit, was nicht ohne Einfluss auf die ppm-Werte bleibt.

Aus Kostengründen wird bei den meisten Resonatoren ein Kompromiss zwischen den ppm-Werten der drei genannten Parameter geschlossen. Nur bei wenigen sind die Toleranzen ausreichend gering, dass sie mit aktuellen USB-Bausteinen eingesetzt werden können. Die Serie CSTCE24M0K2 von Murata gehört zu den wenigen Resonatoren, bei denen die Toleranzen dieser drei Parameter so niedrig sind, dass Kompatibilität zu HS-USB-Datenraten besteht: Bei einem Gerät, das für einen Temperaturbereich von 0 bis +70 °C ausgelegt ist, zeigte dieses Bauteil eine gemessene Toleranz von weniger als 10 ppm (siehe Bild 5).

Die Spannungsabhängigkeit dieses Bauteils wirkt sich nicht auf die Frequenz, sondern auf die Amplitude der Schwingung aus. Die Amplitude geht um ca. 0,6 V zurück, wenn eine VCC von 3,3 V verwendet wird. Der Eingangsbereich des im Design verwendeten USB-Bausteins sollte deshalb genügend groß sein, um diesen Spannungsrückgang abzufangen (siehe Bild 6).

Lastkondensatoren sind bereits integriert

Ein weiterer Vorteil dieses Produkts ist, dass die Lastkondensatoren in den Resonator eingebaut sind, wodurch sich die Toleranzen noch besser kontrollieren lassen. Bei Quarzlösungen sind die Lastkondensatoren in der Regel extern und weisen eine Schwankungsbreite von ±20 % auf. Zwischen Soll- und Ist-Frequenz wird somit stets eine gewisse Differenz bestehen, die beim Design zu berücksichtigen ist, da sie sich sonst als Bitratenfehler äußert. Wenn die Frequenz um 50 ppm abweicht, wird das Bitratenfehler-Budget um eben diese 50 ppm geringer.

Soll die Bitraten-Toleranz der USB-Spezifikation eingehalten werden, darf die Summe aller Toleranzen nicht die gesetzte Obergrenze von ±500 ppm überschreiten. Die verwendeten Resonatoren müssen deshalb so genau sein, dass Alterung, Frequenz-Offsets infolge von Spannungs und Temperaturschwankungen sowie die Anfangs-Toleranz die vorgegebene Grenze nicht überschreiten.

Wenn z.B. die Anfangs-Toleranz –250 bis +200 ppm über Temperatur und Spannung beträgt und die Alterungs-Spezifikation –100 bis +150 ppm lautet, ergibt sich über einen Zeitraum von 10 Jahren eine Gesamt-Schwankungsbreite von ±350 ppm. Das USB-Design kann deshalb mit dem kleinen und insgesamt kostengünstigeren Resonator bestückt werden.

Platzgewinn durch Keramikresonatoren

HS-USB-fähige Mobiltelefone kommen 2007 auf den Markt. Der Designer hat die Auswahl unter verschiedenen Architekturen, wenn er ein Handy mit HS-USB-Funktionalität ausstatten möchte. In der Zukunft mag es möglich sein, andere im Mobiltelefon vorhandene Taktquellen für die HS-USB-Funktionalität zu nutzen. Zurzeit ist jedoch meist noch ein vergleichsweise klobiger Quarz nötig. Inzwischen gibt es jedoch Keramikresonatoren, die sich für eine HS-USB-Lösung anbieten, sofern die beschriebenen Aspekte bein Design beachtet werden.

* Keith Klepin ist Application Engineer Sr. Staff , Shone Tran arbeitet als Product Manager bei der Consumer and Computation Division von Cypress Semiconductor

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