作者：Eva Murphy and Padraig Fitzgerald

通用串行總線 （USB） 已成為滿足終端設備之間快速數據傳輸不斷增長的需求的主導接口，例如，在 PC 和便攜式設備（如手機、數碼相機和個人媒體播放器）之間下載和上傳數據。

CMOS開關可用于連接和布線USB系統中的數據線。通過選擇合適的開關，設計人員可以通過增強現有設計而不是開發新設計來顯著縮短設計周期。在本文中，我們將介紹USB，然后繼續探討開關在提高便攜式媒體播放器、手機和無線筆式驅動器等應用性能方面的關鍵作用。我們還展示了開關的關鍵參數如何影響整體系統設計，并討論了基本設計挑戰，例如滿足帶寬要求和最小化信號反射之間的權衡。此外，我們建議如何通過仔細的電路板布局來最大化眼圖的開口。

什么是USB，為什么它變得如此流行？

USB已成為世界上最受歡迎的PC到外圍設備通信標準。鍵盤、打印機、數據存儲設備和移動電話是可以連接到 PC 的眾多外圍設備之一，采用 USB 標準。以前使用串行端口和并行端口的設備正在遷移到USB，而硬盤驅動器和數碼相機等設備的設計人員通常選擇USB而不是其他標準，例如FireWire或串行端口通信。與手機、MP3 播放器和游戲機的連接是另一個最近的發展。

USB的主要吸引力在于即插即用的能力。設備插入PC機，被PC識別;然后，在首次安裝適當的軟件后，主機 PC 將始終識別該設備 — 用戶友好的握手。

USB 實施者論壇公司是一個由計算機和電子行業領先公司贊助的行業標準生成機構，它制定了 USB 標準。設備設計可以獲得 USB 認證，并在產品上使用 USB 符號，但前提是要通過非常嚴格的軟件和硬件測試。這確保了從軟件和硬件的角度來看，所有 USB 認證的設備（無論是 PC 還是外圍設備）在互連時都能正常運行。該標準確保所有經過認證的軟件例程、連接器、電纜、信號驅動器和接收器都符合要求，從而確保互操作性。

USB基于串行主從架構。通常，PC 是主機，稱為主機（圖 1b）;它控制事務。從站（稱為外設）告訴主機其帶寬要求，然后啟動數據事務。正常 USB 事件的完整序列包括以下步驟：

外圍設備插入主機（啟動 USB 事件）

握手（外設識別，帶寬分配）

批量數據傳輸（例如，到打印機）或外圍輪詢（鼠標）

主機禁用的外圍設備

外設已斷開連接

圖 1b.典型的主機和外圍 USB 設備。

USB系統中使用的硬件使用2線（加接地）差分雙向系統傳輸數據。數據線D+和D–傳輸數據，如圖2所示。數據只能在一個方向上傳輸，因此在一個實例中，主機在外設接收時傳輸，然后外設在主機接收時傳輸。USB 標準還包括一條 5V 電源線。它通常用于為下游設備供電，無需在低功耗設備（如 USB 筆式驅動器、網絡攝像頭和鍵盤）中使用電池。

圖2.USB 互連。

USB 1.1 和 USB 2.0 如何比較？

USB 標準規定了三種數據速率：低速 （1.5 Mbps）、全速 （12 Mbps） 和高速 （480 Mbps）。USB 1.1 設備具有 ±3.3V 信號電平，可在低速和全速下運行。USB 2.0 設備具有 ±400mV 信號電平，可在低速、全速和高速下運行。

表 I. USB 1.1 和 USB 2.0 的比較

	USB 1.1 接口	USB 2.0 接口
象征
命名法	低速/全速	低速/全速/高速
比特率（Mbps）	1.5/12	1.5/12/480
單端幅度	0 V 至 3.3 V	0 V 至 400 mV

什么是 USB On-the-Go （USB OTG）？

許多作為 USB 外圍設備連接到 PC 的消費類產品（如手機和數碼相機）也可以連接到其他 USB 設備。由于在這種情況下，PC不能成為主機，因此外圍設備之一需要承擔責任。USB OTG 定義了雙重角色設備，它可以充當主機或外圍設備，并且可以對 PC 和其他便攜式設備使用相同的連接器。

通過啟用數字設備之間的基本功能，USB OTG使這些PC外設功能更強大，因此對消費者和企業用戶更有價值。當然，USB OTG設備將連接到PC，因為它們符合USB 2.0規范。此外，它們的主機功能有限，無法連接到一組目標的其他 USB 外圍設備。當兩個雙角色設備通過電纜連接在一起時，電纜會設置默認主機和默認外圍設備。如果應用程序要求反轉角色，則主機協商協議 （HNP） 會提供握手來執行該功能，用戶完全看不到這種反轉。

USB 1.1/USB 2.0 的交換機要求是什么？

USB 數據線 D+ 和 D–可通過內部 CMOS 開關進行連接和路由。在圖3的示例中，開關與每條數據線串聯連接。使用多路復用器可提供額外的交換機容量。低速、全速和高速 USB 使用 45 歐姆系統;驅動器的源阻抗為 45 歐姆，接收器的接地端接為 45 歐姆。所有 USB 電纜和磁道應具有 45 歐姆的單端阻抗，以保持信號完整性。稍后我們將討論傳輸線阻抗和電路板布局

圖3.USB 45 歐姆系統。

USB標準要求進行嚴格的測試，以確保信號的處理符合其要求。其中一個關鍵的測試是“眼睛”圖。這是一個直觀的視覺測試，可以說明信號的質量。眼圖是通過探測隨機變化的數字信號，繪制它與一個或多個周期的掃描，并設置長期持久性的范圍來生成的。結果是，所有可能的位排列都疊加在單個視圖上，顯示幅度、相位以及上升和下降時間與理想“眼圖”模式的偏差范圍。因此，任何可能導致問題的位模式都可能在圖上看到。

圖 4 取自 USB-IF 規范，顯示了用于建立眼圖的設置。USB-IF分配的“SQiDD”（信號質量下降/下降）測試板充當主機;并且鼠標（被測設備）已插入此主板。探測信號D+和D-，然后疊加在示波器上，生成眼圖。然后將眼睛開口與所需形狀的掩模進行比較，以使觀看者看到信號質量是否符合USB標準。

圖4.USB IF 建議進行眼科測試設置。

在測試CMOS開關是否適用于USB產品時，由于它們在信號路徑中的設備內使用，因此不能將其作為USB設備進行測試。因此，可以使用數據發生器來生成所需的信號，并且該信號通過開關，在示波器處終止。示波器使用外部時鐘觸發，該時鐘與隨機數字信號同步。這將產生CMOS開關的眼圖。

例如，圖5顯示了一組典型的眼圖，以USB高速數據速率（480 Mbps）和信號電平（0至400 mV）生成。他們比較了ADG774A（帶寬>500 MHz）和ADG736（帶寬200 MHz）CMOS開關的性能，并傳遞相同的信號。圖中包括一個USB-IF掩碼（紅色六邊形）。根據USB規范，如果信號越過掩碼的邊界，設備在信號完整性方面失敗。

圖5.ADG774A和ADG736在USB高速下的比較。

圖示顯示，ADG774A符合模板標準，即使在如此高的數據速率下，紋波也很小。然而，ADG736具有較高的電容和更低的帶寬，會減慢邊沿，從而導致信號穿過左側的模板——這顯然是違規行為，使其無法用于傳輸高速USB信號。其他值得注意的信息是ADG736眼圖缺乏水平對稱性，而ADG774A即使在如此高的數據速率下也非常對稱。然而，兩個開關在垂直方向上都表現出良好的對稱性，這表明兩個器件上的兩個通道匹配良好。在為 USB 應用選擇交換機時，通道匹配是一個大問題。在差分系統中，D–信號必須與D+信號完全相反。D+ 和 D– 線之間電纜長度、電容和電阻的不匹配會導致眼部嚴重偏斜，表現為垂直不對稱。信號交叉的點（交叉點）應以地面為中心。抖動對于 USB 認證也至關重要。邊緣越厚，抖動越嚴重——這些CMOS開關不是問題。實際上，在移除開關后，看到的抖動也是可見的，這表明抖動存在于系統中。

圖6是ADG787的典型曲線圖，使用USB全速信號（0 V至3 V，12 Mbps），設置與上述曲線類似。顯示的掩碼取自 USB 全速的 USB-IF 規范。使用的信號的上升和下降時間為六納秒。可以看出，信號沒有上面討論的故障。沒有遮罩違規，抖動良好，交叉和對稱性良好，并且幾乎沒有波紋。這些圖展示了眼圖的價值，一目了然，我們可以得出結論，該ADG787可以輕松傳遞全速USB信號。

圖6.USB全速時ADG787的眼圖。

如何為 USB 應用選擇 CMOS 開關

現在，我們將說明開關的具體要求以及它們如何影響信號。本節將研究開關規格與整體系統信號完整性之間的相關性。

兩種標準的開關要求都要求盡可能低的導通電阻和低電容。兩個開關的特性需要盡可能精確地匹配，以保持數據線對稱。

關于電阻

在 45 歐姆系統中，大于 5 歐姆的導通電阻是不可取的，因為 5 歐姆導通電阻會增加源阻抗，使其達到 50 歐姆。為了使接收器接收 3V 信號，45 歐姆源發送 6 V 信號，理想情況下，由 45 歐姆源和端接阻抗形成的分壓器使該信號減半。如圖7所示，該圖顯示開關是與驅動器串聯的電阻。當 5 歐姆串聯時，接收器看到一個 50 歐姆的源和 45 歐姆的接地。

圖7.作為電阻器的開關模型

這些公式比較了理想開關與串聯電阻為 5 歐姆的開關的性能。交換機引入了顯著損耗 （>5%）。因此低 R上至關重要。

CMOS開關的源漏電阻隨電源電壓和偏置電壓而變化，如R所示上ADG787開關的繪圖。隨著源極電壓的變化，從源極到漏極測得的電阻會發生變化。

圖8.ADG787輸入源電壓的導通電阻變化

如果開關的電阻隨偏置電壓、溫度或電源而變化，則接收器看到的幅度也會發生變化，如變化的R所示。上（即 R上+ δ R上).

R上平坦度對于確保開關的上升和下降時間盡可能接近也至關重要。如果 R上隨著偏置的變化，上升沿和下降沿在其轉換的不同階段會產生不同的阻抗。這里的差異將被視為眼圖中糟糕的交叉。

因此，R上電源電壓、溫度和偏置的變化是設計用于USB產品的開關時的重要考慮因素。R 的變異性上過電源容差和溫度在眼圖中會被視為抖動。通常，較低的R上意味著更低的平坦度和失真，如圖9（ADG836）與圖8的比較可以看出。ADG836是一款雙通道SPDT開關，采用0.35 μm幾何尺寸制造，具有上平坦度約為0.5歐姆和0.05歐姆，而ADG2的平坦度為0歐姆和25.787歐姆。保持 R上低是保持R的關鍵上平坦度低。

圖9.ADG836的超低導通電阻可確保出色的導通電阻平坦度。

設計時通道應盡可能匹配，以確保上和 ΔR上對于傳遞差分信號的兩個開關通道是相同的。眼圖表明導通電阻匹配不良。

電容

CMOS開關在導通狀態下的電容隨著開關尺寸的增加而增加。但是，由于通過增加開關尺寸來實現低導通電阻，因此在R之間需要直接權衡。上和電容。該電容決定了開關的帶寬，對于高速USB信號來說變得更加重要，因為大于10 pF的開關電容會顯著降低信號質量。高電容會減慢邊緣速度，導致眼睛穿過掩模。這在圖736所示ADG774和ADG5A USB高速眼圖的比較中可以看出。ADG736的帶寬為200 MHz。ADG774A的電容要低得多，帶寬為400 MHz。USB 全速需要大于 3 MHz （6 Mbps） 的 –12 dB 開關帶寬，高速 USB 需要 240 MHz （480 Mbps）。布局工程師需要確保開關布局非常接近的相似性，以保持電容對稱性。

傳播延遲

閉合狀態下的CMOS開關本身會給通過它的數字信號增加可以忽略不計的延遲。該開關在路徑中不引入緩沖器，可以建模為串聯電阻。開關增加的唯一實際延遲是信號到達芯片并再次輸出所花費的時間。此值可以以皮秒為單位進行測量。

用品

對于低速和全速USB，信號幅度為3.3 V ±10%。因此，3.6 V是允許的最小電源電壓。高速信號的幅度為 400 mV ± 10%，可通過 3.3V 電源上的開關輕松通過。CMOS 開關可以使用 USB 電纜的 5V 電源線供電。當傳遞全速信號（3 V，12 Mbps）時，需要完整的信號范圍。

開關保護

USB 規范規定，USB 設備的數據線必須能夠承受短路至 5V 電源線 24 小時。這對使用3.3 V（0.35μm幾何形狀）開關以獲得所需的R具有重要意義。上和電容。它還對使用3.3V電源的手機等便攜式設備產生影響。

圖10顯示了一個0.35 μm開關，由3.3 V穩壓器在USB收發器的輸入端供電。為簡單起見，顯示一個通道。這是在USB應用中使用0.35μm幾何開關的典型電路。

圖 10.在正常的USB情況下切換，沒有壓力。

圖11介紹了從5 V電源到數據線的短路（紅色）。如果設備插入故障端口，則可能會發生這種情況。

圖 11.正向偏置開關的正電源。

短路將ESD（靜電放電保護）二極管正向偏置到VDD，這意味著500 mA可以連續流過ESD二極管，這種情況可能對CMOS開關造成很大損害，CMOS開關不太可能持續超過24小時。這是實現 0.35 μm 部件的限制。在需要滿足此USB條件并使用3 V開關的系統中，設計人員需要提供足夠的保護以防止這種故障機制。最簡單的方法是使用電阻來限制電流。但是，最常見的解決方案是使用由 5V 電源供電的開關來完全避免這種情況。

消費類應用

在展示了USB應用中使用開關的基本方式之后，我們現在調查了一些特定的應用領域，并討論它們使用開關的方式。需要注意的是，其中許多具有通用拓撲。

便攜式媒體播放器 （PMP）

PMP正迅速成為整個亞洲的必備工具;據預測，它們將很快取代MP3市場。PMP 可以直接從電視、VCR、DVD 播放器、有線電視盒或衛星接收器錄制，并且可以存儲長達 120 小時的視頻、300，000 張照片、16，500 首歌曲或 30 GB 的數據。可以存儲此數量數據的便攜式設備必須具有快速、易于使用的界面。選擇的接口，通常是 USB 高速，是可以與 USB 相機、USB 讀卡器或 USB 硬盤驅動器一起使用的接口。

消費者對此類產品的需求也決定了纖薄的便攜式設備，因此甚至無法考慮傳統笨重的耳機連接器。相反，耳機連接器被迷你USB連接器取代，該連接器由USB數據流和音頻輸出共享。

如圖12所示，通常需要一個開關將USB信號與模擬音頻輸出隔離開來。在數據模式下，通過將音頻信號與連接器 D 和 D+ 引腳隔離，從而最大限度地減少反射。快速信號邏輯狀態轉換期間的反射可能會導致更高的誤碼率，并違反 USB 高速連接的 500 ppm 精度要求。

對于此類應用，具有寬帶寬和良好導通電阻匹配的開關有助于最大限度地減少USB信號邊緣失真，而在音頻模式（輸出連接到耳機）下，低導通電阻（約2.5歐姆）和低總諧波失真（約0.1%）對于最小化音頻失真至關重要。

圖 12.在音頻和 USB 之間共享迷你 USB 連接器。

手機/手機

隨著手機獲得更多功能，設計人員面臨的挑戰也隨之增加。許多當前可用的手機都有電纜連接以鏈接到PC。這些連接用于傳輸數據，例如電子郵件、日歷、電話簿、鬧鐘、語音備忘錄和計算器。如果手機具有集成攝像頭，則下載圖片的功能也是一個有吸引力的功能。

因此，手機可能具有許多功能，需要USB兼容的開關。最常見的要求之一是在不同的數據標準之間切換，例如，在UART和USB之間切換。手機制造商希望保留為客戶提供數據傳輸標準選擇的能力，但他們負擔不起為每個接口提供單獨連接器所需的面積。最簡單的解決方案是在公共連接器上多路復用多個引腳。圖 13 顯示了一個示例。

圖 13.使用ADG787上的開關在UART和USB之間切換。

高端手機設計中LCD面板顯示器和攝像頭分辨率的提高產生了對更大存儲設備的需求，例如嵌入式硬盤驅動器或外部小型存儲卡。大多數手機使用帶有USB接口的獨立硬盤驅動器控制器與PC主機進行通信。當基帶處理器的全速I/O端口也用于同步地址簿或其他數據時，共享單個USB端口成為一個挑戰。通過多路復用手機的USB連接簡化了設計，如圖14所示。

圖 14.多路復用聽筒的 USB 端口。

對于上述手機中的兩種功能，設計人員需要考慮的規格是：

它是否滿足所選USB標準的帶寬要求？

導通電阻匹配和/或匹配傳播延遲

低導通電阻平坦度/最小的附加抖動

功率和封裝尺寸。

手機的另一個功能是端口/總線隔離。此功能不僅限于手機，還用于其他便攜式設計，如數碼相機 （DSC）、PMP 和筆式驅動器。

開關通常用于保護可能受到外部噪聲干擾的內部ASIC。更重要的是：對于具有USB OTG接口的高端便攜式設計，USB PHY（USB物理層收發器）與外部世界之間的隔離可以進一步降低在雙角色設備（例如兩部手機）之間觸發錯誤會話請求協議（SRP）脈沖的潛在風險。此應用中開關的選擇規格是關斷隔離，當開關打開且未使用 USB 端口時需要（圖 15）。另一方面，當USB總線被激活時，需要寬開關帶寬以實現最小的確定性抖動。ADI公司的許多開關都適合此應用;本文末尾的表格是有用信息的緊湊來源。

圖 15.用于隔離 USB 的雙單刀單擲開關。

無線筆式驅動器和無線適配器

USB 閃存驅動器（筆式驅動器）因其移動性、無線功能和可擴展的內存大小而成為辦公室和家庭應用中數據共享的寶貴工具。另一個流行的設備是 USB 無線適配器;例如，只需將其插入PC，即可無線連接到互聯網，而無需迅馳?芯片。具有內存存儲容量的無線 USB 適配器為商務旅客提供了一種在無線互聯網功能與存儲和檢索功能之間切換的便捷方式。

大多數存儲設備（如硬盤驅動器或緊湊型閃存控制器）都具有高速USB接口，這些接口未集成到無線LAN PHY中。USB 兼容開關通過在閃存存儲和無線功能之間切換，可以輕松解決這一設計挑戰（圖 16）。低功耗是可取的，因為無線USB適配器消耗的大部分功率來自主機應用程序的總線。小型和薄型封裝對于筆式驅動器內可用的PCB空間非常有限的此類應用至關重要。

圖 16.使用ADG787在USB無線適配器中進行存儲器/無線切換。

個人電腦

PC 是大多數 USB 系統的集線器。在除USB OTG系統外的所有系統中，PC充當系統的主機。許多傳統的 USB 1.1 外圍設備，如手機、數碼相機、調制解調器、鍵盤、鼠標、一些 CD-ROM 驅動器、磁帶和軟盤驅動器、數字掃描儀和專業打印機，都與 PC 互連。USB 2.0 Hi Speed 現在可容納全新一代外設，包括基于 MPEG-2 視頻的產品、數據手套和數字化儀。USB已成為大多數PC芯片組以及操作系統和其他系統軟件的內置功能，而不會顯著影響PC價格。通過消除附加卡和單獨的電源，USB 可以幫助使 PC 外圍設備比其他設備更實惠。此外，USB的熱插拔功能允許用戶輕松連接和拆卸外圍設備。

與手機一樣，CMOS開關可用于在內部擴展USB總線。開關的另一個功能是外設多路復用。圖 17 顯示了多臺 PC 共享的打印機。

圖 17.使用

ADG709

將多臺PC連接到打印機。

電路板布局注意事項

信號路由是 USB 系統性能的關鍵。本節詳細介紹了推薦的 USB PCB 信號路由。這些評論基于USB-IF選擇的系統，以便電路板和電纜設計人員可以設計出影響最小的電路板。

審核編輯：郭婷