通用串行总线(USB)已经成为满足终端设备之间快速数据传输需求的主要接口，例如，在pc和便携式设备(如移动电话、数码相机和个人媒体播放器)之间下载和上传数据。

CMOS开关可用于USB系统中数据线的连接和路由。通过选择合适的开关，设计师可以通过改进现有设计而不是开发新设计来显著缩短设计周期。在本文中，我们将介绍USB，然后继续探讨开关在提高便携式媒体播放器、移动电话和无线笔式驱动器等应用程序的性能方面所起的关键作用。我们还展示了开关的关键参数如何影响整个系统设计，并讨论了基本的设计挑战，例如满足带宽要求和最小化信号反射之间的权衡。此外，我们建议如何通过仔细的板布局来最大化眼图的开口。

什么是USB，为什么它变得如此流行?

USB已经成为世界上pc到外设通信最流行的标准。键盘、打印机、数据存储设备和移动电话是可以连接到PC的许多外围设备，采用USB标准。以前使用串行端口和并行端口的设备正在向USB迁移，而硬盘驱动器和数码相机等设备的设计者通常选择USB而不是其他标准，如火线或串行端口通信。与移动电话、MP3播放器和游戏机的连接是最近的另一项发展。

USB的主要吸引力在于即插即用的能力。将设备插入PC，由PC识别;然后，在第一次安装适当的软件之后，设备将总是被主机pc识别——这是一个友好的握手。

USB Implementers Forum, Inc .是一个由计算机和电子行业的许多公司赞助的行业标准制定机构，负责制定USB标准。设备设计可以获得USB认证，并在产品上使用USB标志，但必须通过非常严格的软件和硬件测试。这确保了所有usb认证的设备，无论是PC还是外围设备，从软件和硬件的角度来看，在连接时都能正常运行。该标准确保所有经过认证的软件例程、连接器、电缆、信号驱动器和接收器都符合标准，确保互连性(图1a)。

USB是基于串行主从架构的。一般来说，PC是主机，称为主机(图1b);它控制事务。从机(称为外设)告诉主机它的带宽需求，然后启动一个数据事务。正常USB事件的完整序列包括以下步骤:

1. 外设插入主机(启动USB事件)

2. 握手(识别外围设备，分配带宽)

3. 批量数据传输(例如，到打印机)，或轮询外设(鼠标)

4. 被主机禁用的外围设备

5. 外围断开连接

USB系统中使用的硬件使用2线(加地)差分双向系统传输数据。数据线D+和D -传输数据，如图2所示。数据只能在一个方向上传输，所以在一种情况下，主机发送而外设接收，然后外设发送而主机接收。USB标准还包括一条5v电源线。它通常用于为下游设备供电，因此在USB笔式驱动器、网络摄像头和键盘等低功耗设备中不需要电池。

USB 1.1和USB 2.0如何比较?

USB标准规定了三种数据速率:低速(1.5 Mbps)、全速(12mbps)和高速(480mbps)。USB 1.1设备具有±3.3 v信号电平，可以在低速和全速下工作。USB 2.0设备具有±400 mv的信号电平，可以在低速、全速和高速下工作。

表1. usb1.1与usb2.0的比较

	USB 1.1	USB 2.0
象征
命名法	低收入/ 24	低收入/全职的高速
比特率(Mbps)	1.5/12	1.5 / 12/480
单端振幅	0 V ~ 3.3 V	0v至400mv

什么是USB on - on - go (USB OTG)?

许多消费类产品，如手机和数码相机，可以作为USB外设连接到个人电脑上，也可以连接到其他USB设备上。由于在这种情况下，PC不能作为主机，因此需要一个外设来承担责任。USB OTG定义了一种双重角色设备，它既可以充当主机，也可以充当外设，并且可以为pc和其他便携式设备使用相同的连接器。

通过实现数字设备之间的基本功能，USB OTG使这些PC外设更有能力，因此对消费者和企业用户更有价值。USB OTG设备当然可以连接到pc上，因为它们符合USB 2.0规范。此外，它们将有有限的主机功能，允许它们连接到一组目标的其他USB外设。当两个双角色设备通过电缆连接在一起时，电缆将设置默认主机和默认外设。如果应用程序需要转换角色，主机协商协议(HNP)提供握手来执行该功能，这种转换对用户完全不可见。

USB 1.1/USB 2.0的交换机要求是什么?

USB数据线D+和D -可以通过内部CMOS开关连接和路由。在图3的示例中，交换机与每条数据线串联。通过使用多路复用器可以获得额外的交换机容量。低速，全速和高速USB使用45欧姆系统;驱动器具有45欧姆的源阻抗，接收器具有45欧姆的接地端。所有USB电缆和轨道应具有45欧姆的单端阻抗，以保持信号完整性。稍后我们将讨论传输线阻抗和电路板布局

USB标准要求进行严格的测试，以确保信号的处理符合其要求。其中一个关键测试是“眼睛”图。这是一个直观的视觉测试，可以告诉很多关于信号的质量。通过探测随机变化的数字信号，将其与一个或多个周期的扫描进行绘图，并设置长时间持续的范围，生成眼图。结果是，所有可能的位排列叠加在一个视图上，显示了在振幅、相位和上升和下降时间上偏离理想“眼睛”模式的范围。因此，任何可能导致问题的位模式都可以在图上看到。

图4取自USB-IF规范，显示了用于建立眼图的设置。USB-IF分配的“SQiDD”(信号质量下降/下降)测试板作为主机;鼠标(被测试的设备)插在这个板上。探测信号D+和D -，然后叠加在瞄准镜上，生成眼图。然后将睁眼与所需形状的面罩进行比较，以使观看者看到信号质量是否符合USB标准。

在测试CMOS开关用于USB产品的适用性时，它们不能单独作为USB设备进行测试，因为它们是在信号路径中的设备内使用的。因此，可以使用数据发生器来产生所需的信号，该信号通过开关，在示波器处终止。作用域使用外部时钟触发，该时钟与随机数字信号同步。这将导致CMOS开关的眼图。

例如，在USB高速数据速率(480 Mbps)和信号电平(0到400 mV)下生成的一组典型的眼图如图5所示。他们比较了传递相同信号的ADG774A(带宽>500 MHz)和ADG736(带宽200 MHz) CMOS开关的性能。图中包含一个USB-IF掩码(红色六边形)。根据USB规范，如果信号越过掩码的边界，则设备在信号完整性上失败。

如图所示，ADG774A符合掩模，即使在如此高的数据速率下也显示出很小的纹波。然而，由于ADG736具有较高的电容和较低的带宽，因此使边缘变慢，从而导致信号穿过左侧的掩模-这明显违反了规定，使其无法用于传递高速USB信号。其他值得注意的信息是ADG736眼缺乏水平对称，而ADG774A相当对称，即使在如此高的数据速率下。然而，两个开关在垂直方向上都表现出良好的对称性，这表明两个器件上的两个通道匹配良好。在为USB应用程序选择开关时，通道匹配是一个大问题。在微分系统中，D -信号必须是D+信号的正好逆。D+线和D -线之间的电缆长度、电容和电阻不匹配会导致眼睛严重倾斜，表现为垂直不对称。信号交叉的点(交叉点)应以地面为中心。抖动也是USB认证的关键。边缘越厚，抖动越严重，这对这些CMOS开关来说不是问题。实际上，去掉开关后看到的抖动也是可见的，这表明抖动存在于系统中。

图6是ADG787的典型图，使用USB全速信号(0 V至3 V, 12 Mbps)，设置类似于上述图。所示的掩码取自USB Full Speed的USB- if规格。所使用的信号的上升和下降时间为6纳秒。可以看出，该信号不存在上述所讨论的故障。无掩模违反，良好的抖动，良好的交叉和对称，和小涟漪可以观察到。这些图展示了眼图的价值，我们可以一目了然地得出结论，这个ADG787可以很容易地通过全速USB信号。

如何为USB应用选择CMOS开关

现在我们说明开关的具体要求以及它们如何影响信号。本节将考虑交换机规格与整个系统信号完整性之间的关系。

两个标准的开关要求都要求尽可能低的导通电阻，并结合低电容。两个开关的特性需要尽可能精确地匹配，以保持数据线的对称性。

导通电阻

在45欧姆的系统中，大于5欧姆的导通电阻是不可取的，因为5欧姆的导通电阻会增加源阻抗，使其达到50欧姆。为了使接收器接收到3v信号，45欧姆源发送6v信号，理想情况下，由45欧姆源和终端阻抗组成的分压器将其减半。图7说明了这一点，它将开关显示为与驱动器串联的电阻。与5欧姆串联，接收器看到一个50欧姆的源和45欧姆到地。

方程比较了理想开关与串联电阻为5欧姆的开关的性能。开关引入了显著的损耗(>5%)。因此低R(on)是至关重要的。

CMOS开关的源极漏极电阻随电源电压和偏置电压变化，如图ADG787开关的R(on)图所示。随着源极电压的变化，从源极到漏极测量到的电阻也会发生变化。

如果开关的电阻随偏置电压、温度或电源而变化，接收器看到的幅度也会变化，正如可以看到的变化的R(on)(即R(on) + 得尔塔 R(on))。

R(on)平整度对于确保开关的上升和下降时间尽可能接近也是至关重要的。如果R(on)随偏置变化明显，则上升沿和下降沿在其过渡的不同阶段会有不同的阻抗。这里的差异将被视为在眼图中糟糕的交叉。

因此，在设计用于USB产品的开关时，电源电压，温度和偏置的R(on)可变性是重要的考虑因素。R(on)超过电源公差和温度的可变性将在眼图上被视为抖动。从图9 (ADG836)和图8可以看出，一般来说，R(on)越小，平整度和失真程度越低。ADG836是一种采用0.35µm几何结构的双spdt开关，其R(on)的平面度约为0.5欧姆和0.05欧姆，而ADG787的平面度为2欧姆和0.25欧姆。保持低R(on)是保持低R(on)平整度的关键。

设计时通道应尽可能匹配，保证两个通过差分信号的开关通道R(on)和得尔塔R(on)相同。眼图将表明电阻匹配不良。

电容

CMOS开关在导通状态下的电容随开关尺寸的增大而增大。然而，由于低导通电阻是通过增加开关的尺寸来实现的，因此在R(导通)和电容之间存在直接的权衡。该电容决定了开关的带宽，对于高速USB信号变得更加关键，其中开关电容大于10 pF会显着降低信号。高电容减慢了边缘，导致眼睛穿过掩模。这可以在图5的ADG736和ADG774A USB高速眼图的比较中看到。ADG736的带宽为200mhz。ADG774A的电容要低得多，带宽为400 MHz。USB Full Speed要求- 3db带宽大于6mhz (12mbps)， high -Speed USB要求240mhz (480mbps)。布局工程师需要确保开关布局非常接近的相似性，以保持电容的对称性。

传播延迟

就其本身而言，处于闭合状态的CMOS开关对通过它的数字信号增加的延迟可以忽略不计。该开关在路径中不引入缓冲器，可以将其建模为串联电阻。开关所增加的唯一真正延迟是信号到达骰子并再次输出所花费的时间。这个值可以用皮秒来测量。

供应

对于低速和全速USB，信号幅度为3.3 V±10%。因此3.6 V是允许的最小电源。高速信号的幅值为400mv±10%，可以很容易地通过3.3 v电源上的开关。CMOS开关可以使用USB电缆的5-V供电线供电。当通过全速信号(3v, 12mbps)时，需要一个完整的信号范围。

开关保护

USB规范规定，USB设备的数据线必须能够承受被短接到5v电源线24小时的时间。这意味着使用3.3 v(0.35µm几何形状)开关以获得所需的R(on)和电容。这对使用3.3 v电源的手机等便携式设备也有影响。

图10显示了一个由3.3 V稳压器提供的0.35µm开关，位于USB收发器的输入端。为简单起见，显示了一个通道。这是在USB应用中使用0.35 μ m几何开关的典型电路。

图11介绍了从5v电源到数据线的短线(红色)。如果设备插入错误的端口，可能会发生这种情况。

短路使ESD(静电放电保护)二极管正向偏置到VDD，这意味着500 mA的电流可以连续流过ESD二极管，这种情况对CMOS开关可能非常有害，不可能存活超过24小时。这是实现0.35µm零件的限制。在需要满足此USB条件的系统中，并且要使用3v开关，设计人员需要提供足够的保护来防止这种故障机制。最简单的方法是使用一个电阻来限制电流的流动。然而，最常见的解决方案是通过使用5v电源供电的开关来完全避免这种情况。

使用者应用程序

在展示了交换机在USB应用中使用的基本方式之后，我们现在调查一些特定的应用领域，并讨论它们使用交换机的方式。需要注意的是，它们中的许多具有共同的拓扑结构。

便携式媒体播放器(pmp)

pmp正迅速成为整个亚洲的必备设备;有人预测，它们将很快取代MP3市场。pmp可以直接从电视、录像机、DVD播放机、有线电视盒或卫星接收器上录制，可以存储长达120小时的视频、30万张照片、16,500首歌曲或30 GB的数据。能够存储如此大量数据的便携式设备必须具有快速、易于使用的界面。选择的接口，通常是USB高速，是一个可以使用USB相机，USB读卡器，或USB硬盘驱动器。

消费者对这类产品的需求也决定了它是一种纤薄、便携的设备，因此传统的笨重的耳机连接器甚至不能被考虑。取而代之的是，耳机接口被迷你USB接口取代，由USB数据流和音频输出共享。

如图12所示，通常需要一个开关来隔离USB信号和音频输出。在数据模式下，通过隔离来自连接器D -和D+引脚的音频信号，可以最大限度地减少反射。在快速信号逻辑状态转换期间的反射可能会导致更高的误码率，并违反USB高速连接的500-ppm精度要求。

对于此类应用，具有宽带宽和良好导通电阻匹配的开关有助于最大限度地减少USB信号边缘失真，而在音频模式(连接到耳机的输出)下，低导通电阻(约2.5欧姆)和低总谐波失真(约0.1%)对于最大限度地减少音频失真至关重要。

手机/手机

随着手机获得更多的功能，设计师面临的挑战也在增加。目前市面上的许多手机都有连接PC的电缆。这些连接用于传输数据，如电子邮件、日历、电话簿、闹钟、语音备忘录和计算器。如果手机有集成摄像头，那么下载图片的功能也是一个吸引人的功能。

因此，手机可能有许多功能，需要usb兼容的开关。最常见的需求之一是在不同的数据标准之间进行切换，例如在UART和USB之间进行切换。手机制造商喜欢保留为客户提供数据传输标准选择的能力，但他们负担不起为每个接口提供单独连接器所需的面积。最简单的解决方案是在公共连接器上复用多个引脚。图13显示了一个示例。

在高端手机设计中，LCD面板显示器和摄像头的分辨率不断提高，因此需要更大的存储设备，如嵌入式硬盘驱动器或外部小尺寸存储卡。大多数手机使用带有USB接口的独立硬盘驱动器控制器与PC主机通信。当基带处理器的全速I/O端口也用于同步地址簿或其他数据时，共享单个USB端口成为一个挑战。通过对手机的USB连接进行多路复用，简化了设计，如图14的示例所示。

对于上述手机的两种功能，设计者需要考虑的规格是:

• 是否符合所选USB标准的带宽要求?

• 导通电阻匹配和/或匹配的传播延迟

• 低导通平整度/最小的附加抖动

• 功率和封装尺寸。

手机的另一个功能是端口/总线隔离。该功能不仅限于手机，还用于其他便携式设计，如数码相机(DSC)、pmp和笔式驱动器。

开关通常用于保护内部asic，以免受到外部噪声的干扰。更重要的是:对于具有USB OTG接口的高端便携式设计，USB PHY (USB物理层收发器)与外部世界之间的隔离可以进一步降低双重角色设备(例如两个手机)之间触发错误会话请求协议(SRP)脉冲的潜在风险。此应用程序中选择的开关规格是off-isolation，当开关打开且USB端口未使用时需要(图15)。另一方面，当USB总线被激活时，需要宽的开关带宽来实现最小的确定性抖动。许多设备开关适用于此应用;本文末尾的表格是有用信息的简明来源。

无线笔驱动器和无线适配器

USB闪存驱动器(笔式驱动器)由于其移动性、无线功能和可扩展的内存大小，已成为办公室和家庭应用程序中数据共享的宝贵工具。另一个流行的设备是USB无线适配器;例如，只需将其插入个人电脑，您就可以无线连接到互联网，而无需Centrino 芯片。具有内存存储容量的无线USB适配器为商务旅行者提供了一种方便的方式，可以在无线上网功能和存储检索功能之间切换。

大多数存储设备，如硬盘驱动器或紧身型闪存控制器都有高速USB接口，这些接口没有集成到无线局域网PHY中。usb兼容开关可以通过在闪存存储和无线功能之间切换轻松解决这一设计挑战(图16)。低功耗是理想的，因为无线USB适配器消耗的大部分功率来自主机应用程序的总线。小而薄的封装对于笔式驱动器内部可用PCB空间非常有限的应用至关重要。

个人电脑

PC是大多数USB系统的中心。在除USB OTG系统外的所有系统中，PC机都充当系统的主机。许多传统的USB 1.1外设，如手机、数码相机、调制解调器、键盘、鼠标、一些CD-ROM驱动器、磁带和软盘驱动器、数字扫描仪和专用打印机，都与个人电脑相连。USB 2.0高速现在容纳了全新一代的外设，包括基于MPEG-2视频的产品，数据手套和数字化器。USB已经成为大多数个人电脑芯片组、操作系统和其他系统软件的内置功能，对个人电脑价格没有明显影响。通过消除外接卡和单独的电源，USB可以使PC外围设备比其他设备更便宜。此外，USB的热插拔功能允许用户轻松地连接和分离外设。

与手机一样，CMOS开关可用于内部扩展USB总线。开关的另一个功能是外设多路复用。图17显示了由多台pc共享的打印机。

电路板布局注意事项

信号路由是USB系统性能的关键。介绍USB PCB信号的推荐走线。这些评论是基于USB-IF选择的系统，以便板和电缆设计师可以设计影响最小的板