数据开关及数据传输系统的制作方法

本申请涉及数据传输技术领域，特别涉及一种数据开关及数据传输系统。

背景技术：

目前，在常用的数据传输系统中，主机和设备之间有着各自的发送电路和接收电路，并且在主机和设备之间进行数据传输的过程中，可以实现发送信号与接收信号之间相互独立，并同时进行。

其中，无源开关是数据传输系统中的一个重要部分。无源开关连接于主机和设备之间，用于控制主机与设备之间的传输。但是，由于主机或设备在发送信号和接收信号时，在系统或协议规定的指标范围内可以呈现不同数值的电气参数，比如，不同的共模电平或信号摆幅等。如果，主机和设备采用的共模电平不同，那么就会导致主机的发送端和设备的接收端之间的无源开关，和设备的发送端和主机的接收端之间的无源开关的导通性能出现差异，从而导致信号在传输的过程中表现出来的一致性出现差异。

因此，亟需一种可以在主机和设备采用的共模电平不同时，保证主机的发送端与设备的接收端之间的传输信号的品质，和设备的发送端与主机的接收端之间的传输信号的品质保持一致的一种的数据开关。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种数据开关及数据传输系统，用于解决当主机和设备采用的共模电平不同时，主机的发送端与设备的接收端之间的传输信号的品质，和设备的发送端与主机的接收端之间的传输信号的品质不一致的问题。

为实现上述目的，本申请第一方面提供了一种数据开关，包括：

至少两个开关单元和每一个开关单元所对应的电压跟踪单元；

每一个开关单元和所述每一个开关单元对应的电压跟踪单元的连接支路，连接于主机和设备之间；

所述电压跟踪单元，用于控制所述电压跟踪单元所对应的开关单元的导通程度保持为预设的导通程度。

可选的，所述电压跟踪单元，包括：

共模提取单元、第一反馈环路单元、控制单元、电流限制单元、第二反馈环路单元和参考电压单元；

所述共模提取单元和所述第一反馈环路单元的连接支路，连接于主机或设备，和所述控制单元之间；

所述第二反馈环路单元连接于所述参考电压单元和所述控制单元之间；

所述控制单元的一端和所述电流限制单元的一端的连接点，连接于所述电压跟踪单元所对应的开关单元；

所述控制单元的另一端接入电源，所述电流限制单元的另一端接地；所述第一反馈环路单元接地，所述第二反馈环路单元接地；

所述共模提取单元，用于提取主机或设备的共模电平，并发送至所述第一反馈环路单元；

所述控制单元，用于控制输入至所述电压跟踪单元所对应的开关单元的电压保持为预设电压，从而控制所述电压跟踪单元所对应的开关单元的导通程度保持为预设的导通程度。

可选的，所述共模提取单元，包括：

第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻连接于所述主机或设备，和所述第一反馈环路之间；

所述第二电阻连接于所述主机或设备，和所述第一反馈环路之间。

可选的，所述第一反馈环路单元，包括：

第一运算放大器、第一晶体管和第三电阻；

所述第一运算放大器的第一输入端连接于所述共模提取单元；

所述第三电阻的一端和所述第一晶体管的输出端的连接点，连接于所述第一运算放大器的第二输入端；所述第三电阻的另一端接地；

所述第一运算放大器的输出端连接与所述第一晶体管的第一输入端；所述第一晶体管的第二输入端连接于所述控制单元。

可选的，所述控制单元，包括：

第一电流镜、第二电流镜和电流加法器；

所述第一电流镜的输入端接入电源；所述第一电流镜的第一输出端连接于所述第一反馈环路单元；所述第一电流镜的第二输出端，连接于所述电流加法器；

所述第二电流镜的输入端接入电源；所述第二电流镜的第一输出端连接于所述第二反馈环路单元；所述第二电流镜的第二输出端，连接于所述电流加法器；

所述电流加法器连接于所述电流限制单元。

可选的，所述第二反馈环路单元，包括：

第二运算放大器、第二晶体管和第四电阻；

所述第二运算放大器的第一输入端连接于所述参考电压单元；

所述第四电阻的一端和所述第二晶体管的输出端的连接点，连接于所述第二运算放大器的第二输入端；所述第四电阻的另一端接地；

所述第二运算放大器的输出端连接与所述第二晶体管的第一输入端；所述第二晶体管的第二输入端连接于所述控制单元。

可选的，所述开关单元为晶体管。

可选的，所述电流限制单元为电阻。

可选的，本申请第二方面提供了一种数据传输系统，包括：

主机、设备和本申请第一方面中任意一项所述的数据开关。

由以上方案可知，本申请提供的一种数据开关及数据传输系统中，该方法包括：至少两个开关单元和每一个开关单元所对应的电压跟踪单元；每一个开关单元和所述每一个开关单元对应的电压跟踪单元的连接支路，连接于主机和设备之间。通过电压跟踪单元，用于控制所述电压跟踪单元所对应的开关单元的导通程度保持为预设的导通程度。以达到在主机和设备采用的共模电平不同时，保证主机的发送端与设备的接收端之间的传输信号的品质，和设备的发送端与主机的接收端之间的传输信号的品质保持一致的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种使用无源开关连接的全双工数据传输系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种数据开关的示意图；

图3为本申请另一实施例提供的一种电压跟踪单元的示意图；

图4为本申请另一实施例提供的一种电压跟踪单元的示意图；

图5为本申请另一实施例提供的一种电压跟踪单元的示意图；

图6为本申请另一实施例提供的一种电流镜的示意图；

图7为本申请另一实施例提供的一种使用本申请中的数据开关关闭时和数据开关开启时，通道数据的眼图高度的对比结果的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意，本申请中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系，而术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

目前，较为常用的数据传输系统，通常分为全双工数据传输系统或者半双工数据传输系统。其中，全双工数据传输系统(full-duplexsystem)，在进行数据传输的过程中，当数据的发送和接收分别由两个不同的信号线传送时，收发双方能在同一时刻进行数据发送和数据接收的操作；而半双工数据传输系统(half-duplexsystem)的数据的发送和接收在同一个信号线，上分时完成，虽然可以实现双向传输，但通信双方不能同时收发数据。但是，无论是全双工数据传输系统，还是半双工数据传输系统，主机和设备都会具有各自的发送电路和接收电路，并且在数据传输的过程中，可以实现发送与接收独立进行。

在全双工数据传输系统或者半双工数据传输系统中所使用的控制通断的开关，一般为无源开关、多路选择器或多路分配器等。但是，由于在发送信号和接收信号在系统或协议规定的指定方位内可以呈现不同数值的电气参数，例如，不同的共模电平或信号摆幅等，会影响不同通道的开关的性能，从而影响信号在传输的过程中的质量。

以图1所示的一种使用无源开关连接的全双工数据传输系统的示意图，左侧方框内为现有的一种主机的示意图，右侧方框内为现有的一种主机的示意图，中间的方框内为现有的一种开关单元，通常采用三级管的形式，用于控制主机与设备之间的数据传输的通断。可以看出主机和设备分别有一套收发电路，如图1中的tx1+、tx1-、rx1+、rx2-、tx2+、tx2-、rx2+和rx2-所示。并且，发送端的输出可以是ac耦合，也可以是dc耦合，可以根据实际的情况进行更改。数据发送和数据接收可以在主机设备、设备主机两个方向上同时进行。开关单元又两个无源开关组成，即图1中sw1和sw2，分别连接和控制两个方向上的数据传输，控制信号为vg。当系统需要工作时，vg将sw1和sw2闭合，数据即可在主机和设备之间进行传输。

但是，由于主机的接收器(rx1)，和设备的接收器(rx2)所采用的vcm-rx1和vcm-rx2不必相同，这就导致组成无源开关的sw1和sw2导通性能有所差异，从而两个方向上的数据通道在传输信号时表现出来的一致性也会有所差异。以nmos作为开关器件为例，共模电平越高，开关的导通电阻ron越大，开关导通能力就越差，信号传输的损耗就越大，表现为信号的幅度就越小；同理，模电平越低，开关的导通电阻ron越小，开关导通能力就越强，信号传输的损耗就越小，表现为信号的幅度就越大。需要说明的是，此处仅仅示意noms作为举例说明，pmos同样适用，同时本领域技术人员应该可以轻松理解并知道，如果是pmos为开关器件，则共模电平高低和信号幅度大小关系与用nmos作为开关器件表现出来的特征正好相反。

还需要说明的是，此处只是以一种使用无源开关连接的全双工数据传输系统进行举例说明，在使用多路选择器、多路分配器、交叉点开关等的全双工传输系统或者半双工传输系统中，同样会存在上述的通道一致性的问题。其中，多路选择器在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做多路选择器、多路开关或数据选择器，英文缩写为mux；多路分配器能够将1路输入数据，根据需要传送到多个输出端的任何一个输出端的电路，叫做多路分配器或数据分配器，其功能与多路选择器相反，英文缩写为demux；交叉点开关具有多路输入和多路输出，且可以将任意一路输入传送到任意一路输出的开关矩阵，英文为cross-pointswitch。

因此，本申请实施例提供了一种数据开关，如图2所示，包括：

至少两个开关单元100和每一个开关单元100所对应的电压跟踪单元200。

其中，每一个开关单元100和每一个开关单元100对应的电压跟踪单元200的连接支路，连接于主机和设备之间；并且，如图2所示，电压跟踪单元200可以在开关单元100和设备之间，也可以在电压跟踪单元200和主机之间。电压跟踪单元200，用于控制电压跟踪单元200所对应的开关单元的导通程度保持为预设的导通程度。

具体的，以图1提供的一种使用无源开关连接的全双工数据传输系统的示意图为例，不需要对主机和设备进行改动，仅使用本申请替换掉原有的开关单元即可，同样，也可以是保留原有的开关单元，仅将本申请所提供的电压跟踪单元200接入至原有的开关单元和设备之间，或者将本申请所提供的电压跟踪单元200接入至原有的开关单元和主机之间，可以根据实际情况，进行对应的选择，此处不做限定。所以本申请的数据开关，可以应用于多种现有的使用多路选择器、多路分配器、交叉点开关等的全双工传输系统或者半双工传输系统中，实用性极强。

并且，电压跟踪单元200的安装位置不限于方案一，将电压跟踪单元200安装于开关单元100/原有的开关单元和设备的接收端之间，或者安装于开关单元100/原有的开关单元和主机的接收端之间；还可以采用方案二，将电压跟踪单元200安装于开关单元100/原有的开关单元和设备的发送端之间，或者安装于开关单元100/原有的开关单元和主机的发送端之间；或采用方案三，将一部分电压跟踪单元200安装于开关单元100/原有的开关单元和设备的发送端之间，将一部分电压跟踪单元200安装于开关单元100/原有的开关单元和主机的发送端之间，安装的方式多样化，且皆可以实行并应用。

但是，由于开关单元100/或原有的开关单元的性质，若将电压跟踪单元200安装于开关单元100/原有的开关单元和设备的发送端之间，或者安装于开关单元100/原有的开关单元和主机的发送端之间，由于数据的传输过程中有多经过了一个开关单元100/原有的开关单元，可能会导致一定的压降，从而影响数据传输的稳定性。由于影响的数据传输的稳定性不大，所以，在实际的应用过程中，是可以将电压跟踪单元200安装于开关单元100/原有的开关单元和设备的发送端之间，或者安装于开关单元100/原有的开关单元和主机的发送端之间。

通过上述说明可以看出，稳定性最佳的为方案一，其次为方案二，最后为方案三。因此，还是建议采用方案一的安装方式，将电压跟踪单元200安装于开关单元100/原有的开关单元和设备的接收端之间，或者安装于开关单元100/原有的开关单元和主机的接收端之间。

可选的，本申请的另一实施例中，开关单元100可以为晶体管，通过晶体管的通断特性，进而控制数据传输的通断。

由以上方案可知，本申请提供的一种数据开关中，包括：至少两个开关单元100和每一个开关单元100所对应的电压跟踪单元200；每一个开关单元100和每一个开关单元100对应的电压跟踪单元200的连接支路，连接于主机和设备之间。通过电压跟踪单元200，用于控制电压跟踪单元200所对应的开关单元100的导通程度保持为预设的导通程度。以达到在主机和设备采用的共模电平不同时，保证主机的发送端与设备的接收端之间的传输信号的品质，和设备的发送端与主机的接收端之间的传输信号的品质保持一致的目的。

可选的，本申请的另一实施例中，电压跟踪单元200的一种实现方式，如图3或图4所示，包括：

共模提取单元201、第一反馈环路单元202、控制单元203、电流限制单元204、第二反馈环路单元205和参考电压单元206。

如图3所示，当电压跟踪单元200连接于主机和电压跟踪单元200对应的开关单元100之间时，共模提取单元201和第一反馈环路单元202的连接支路，连接于主机和控制单元203之间；第二反馈环路单元204连接于参考电压单元206和控制单元203之间；控制单元203的一端和电流限制单元204的一端的连接点，连接于电压跟踪单元200所对应的开关单元100；控制单元203的另一端接入电源，电流限制单元204的另一端接地；第一反馈环路单元202接地，第二反馈环路单元205接地。

如图4所示，当电压跟踪单元200连接于设备和电压跟踪单元200对应的开关单元100之间时，共模提取单元201和第一反馈环路单元202的连接支路，连接于设备和控制单元203之间；第二反馈环路单元204连接于参考电压单元206和控制单元203之间；控制单元203的一端和电流限制单元204的一端的连接点，连接于电压跟踪单元200所对应的开关单元100；控制单元203的另一端接入电源，电流限制单元204的另一端接地；第一反馈环路单元202接地，第二反馈环路单元205接地。

其中，共模提取单元201，用于提取主机或设备的共模电平，并发送至所述第一反馈环路单元；控制单元203，用于控制输入至电压跟踪单元200所对应的开关单元100的电压保持为预设电压，从而控制电压跟踪单元200所对应的开关单元100的导通程度保持为预设的导通程度。

需要说明的是，预设电压也是可以进行更改的，并不是一成不变的。具体的更改方式可以是，但不限于，利用预设的软件控制参考电压单元206，对参考电压进行变更，从而使得控制单元输出的电压进行变动。可以轻易地想到，对一个电压跟踪单元200的预设电压进行更改时，应对整体数据开关中的其他的电压跟踪单元200的预设电压进行同步更改，以保持每一个电压跟踪单元200所对应的开关单元100的导通程度保持一致，从而保持各个通道在数据传输过程中的一致性。

可选的，本申请的另一实施例中，共模提取单元201的一种实施方式，可以如图5中虚线部分51所示，包括：

第一电阻rp和第二电阻rn。

其中，第一电阻rp连接于主机或设备，和第一反馈环路202(即图5中虚线部分52)之间；第二电阻rn连接于主机或设备，和第一反馈环路202(即图5中虚线部分52)之间。

需要说明的是，第一电阻rp和第二电阻rn组成的共模提取单元201可以用来提取主机的发送端或主机的接收端或设备的接收端或设备的发送端的数据或信号，可以根据实际情况进行连接，因此此处不做限定。当提取到主机的发送端或主机的接收端或设备的接收端或设备的发送端，传输过来的共模电平vcm，将其发送至第一反馈环路单元202的第一端(即图5中opa的+端)。

可选的，本申请的另一实施例中，第一反馈环路单元202的一种实施方式，可以如图5中虚线部分52所示，包括：

第一运算放大器opa、第一晶体管ma和第三电阻ra。

其中，第一运算放大器opa的第一输入端(即图5中的opa的+端)连接于共模提取单元201(即图5中的虚线部分51)；第三电阻ra的一端和第一晶体管ma的输出端的连接点，连接于第一运算放大器opa的第二输入端(即图5中opa的-端)；第三电阻ra的另一端接地；第一运算放大器opa的输出端连接与第一晶体管ma的第一输入端；第一晶体管ma的第二输入端连接于控制单元203(即图5中方框部分53)。

需要说明的是，业内人士可以轻易地看出由第一运算放大器opa、第一晶体管ma和第三电阻ra所组成的反馈环路的工作原理及过程，此处不再赘述。

可选的，本申请的另一实施例中，控制单元203的一种实施方式，可以如图5中方框部分53所示，包括：

第一电流镜cm1、第二电流镜cm2和电流加法器ca。

第一电流镜cm1的输入端接入电源；第一电流镜cm1的第一输出端连接于第一反馈环路202(即图5中虚线部分52)单元；第一电流镜cm1的第二输出端，连接于电流加法器ca；第二电流镜cm2的输入端接入电源；第二电流镜cm2的第一输出端连接于第二反馈环路单元205(即图5中虚线部分55)；第二电流镜cm2的第二输出端，连接于电流加法器ca；电流加法器ca连接于电流限制单元204(即5中虚线部分54)。

其中，电流镜是模拟电路里的一个基本单元，电流镜的内部结构可以如图6中虚线部分所示，可以由4个pmos组成。用于复制电流，也可以用作给差分对做负载，具体的工作原理是本领域技术人员可以轻易看出的，此处不再赘述。

可选的，本申请的另一实施例中，电流限制单元204的一种实施方式，可以如图5中虚线部分54所示，包括：基本电阻rc，用于限制由电流加法器ca所输出的电流。

可选的，本申请的另一实施例中，第二反馈环路单元205的一种实施方式，可以如图5中虚线部分55所示，包括：

第二运算放大器opb、第二晶体管mb和第四电阻rb。

第二运算放大器opb的第一输入端(即图5中opb的+端)连接于参考电压单元206(即图5中的虚线部分56)；第四电阻rb的一端和所述第二晶体管mb的输出端的连接点，连接于第二运算放大器opb的第二输入端(即图5中的opb的-端)；第四电阻rb的另一端接地；第二运算放大器opb的输出端连接与第二晶体管mb的第一输入端；第二晶体管mb的第二输入端连接于控制单元203(即图5中的方框部分53)。

需要说明的是，业内人士可以轻易地看出由第二运算放大器opb、第二晶体管mb和第四电阻rb所组成的反馈环路的工作原理及过程，此处不再赘述。

可选的，本申请的另一实施例中，参考电压单元206的一种实施方式，可以如图5虚线部分56所示，包括：参考电压发生器(即图5中的referencegeneration)，用于生成可变化的参考电压δv。

依旧通过图5对本申请的工作原理进行举例说明。在本申请的具体实现过程中，当共模提取单元201传输过来的共模电平vcm增大时，即第一运算放大器opa的第一输入端的电压增大，由于反馈环路的工作原理，第一晶体管ma的输出端的电压v1也随之增大，从而使得v1可以和vcm近乎相等，其误差可以忽略不计。可以得到流过第三电阻ra和第一晶体管ma的第二输入端的电流ia＝v1/ra＝vcm/ra，该电流(即ia)被第一电流镜cm1以预设比例(此处以1:1进行举例说明)镜像输出i’a给电流加法器ca；而图5的另一端的参考电压单元206向第二运算放大器的第一输入端输入电压δv，同上述内容，第一晶体管ma的输出端的电压v2，可以得到流过第四电阻rb和第二晶体管mb的第二输入端的电流ib＝v2/rb＝δv/rb，该电流(即ib)被第二电流镜cm2以预设比例(此处以1:1进行举例说明)镜像输出i’b给电流加法器ca；电流加法器ca将i’a和i’b相加得到ic，即ic＝i’a+i’b＝vcm/ra+δv/rb，ic流过电阻rc产生控制开关的电压vg，根据电路的基本原理，可以很轻松的理解到，vg＝ic*rc＝(vcm/ra+δv/rb)*rc，如果设置ra＝rb＝rc，则最终vg就等于vcm+δv。由于δv是可以自适应进行变化的一个参考电压，所以不管vcm如何变化，即不管开关单元100处于哪一种数据传输通道，都可以将最终控制开关的电压vg稳定在vcm+δv，从而使得在主机合设备之间的多个开关单元100的导通性能一致，从而达到在主机和设备采用的共模电平不同时，保证主机的发送端与设备的接收端之间的传输信号的品质，和设备的发送端与主机的接收端之间的传输信号的品质保持一致的目的。

还需要说明的是，上述实施例只是以电流镜以预设比例1:1进行工作时的举例说明，电流镜还可以其他预设比例进行工作，当电流镜的输出电流和输入电流的比例为1：n时，还是以图5进行举例说明，当第一电流镜cm1的输出电流和输入电流的比例为1：n时，以及第二电流镜cm2的输出电流和输入电流的比例为1：n时，需要保证ra/rc＝rb/rc的阻值比例相同，即需保证ra/rc＝rb/rc＝n。

如图7所示，是一个使用本申请中的数据开关关闭时和数据开关开启时，通道数据的眼图高度的对比结果，当通道1(即图7中的ch-1，为实际应用中的主机端)的vcm-rx2＝2.2v，当通道2(即图7中的ch-2，为实际应用中的设备端)的vcm-rx1＝0.5v，通道1的数据传输方向为主机至设备，通道2的数据传输方向为设备至主机，数据速率为5gb/s，差分摆幅为1.8v差分摆幅为1.8vpp。从图中可以看出，在关闭数据开关的条件下，两个通道的波形高度有明显的差异，由于通道1的vcm-rx2比通道2的vcm-rx1大，开关导通性能不如通道2，所以，通道1的眼图高度比通道2的眼图高度小50～100mv左右。在打开数据开关时两个通道之间的眼图高度差异基本被消除，实现了通道一致性。即达到在主机和设备采用的共模电平不同时，保证主机的发送端与设备的接收端之间的传输信号的品质，和设备的发送端与主机的接收端之间的传输信号的品质保持一致的目的。

可选的，本申请的另一实施例提供了一种数据传输系统，包括：

主机、设备和本申请实施例中如图2、图3、图4和图5中所述的数据开关。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所描述的单元及单元实施例仅仅是示意性的，其中，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可理解并实施。

专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。