用于機(jī)頂盒設(shè)計(jì)的高性能模擬開關(guān)

引言

　　隨著機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)加入更多新興功能，如作為錄象程序的硬盤、緊湊型閃存接口和視頻點(diǎn)播 (VOD) 機(jī)器，模擬開關(guān)在這類應(yīng)用中繼續(xù)得以廣泛采用。選用正確的開關(guān)，設(shè)計(jì)人員不僅能縮短產(chǎn)品面市時(shí)間來改善設(shè)計(jì)，還可以解決重要的設(shè)計(jì)難題如維持信號完整性。在某些設(shè)計(jì)中，適當(dāng)?shù)拈_關(guān)還有助于減少材料清單 (BOM) 的成本。本文將探討模擬開關(guān)在不同類型機(jī)頂盒應(yīng)用中的作用，并闡述如何利用正確的開關(guān)來降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性及元件成本。  
  
應(yīng)用例子  
  
IP 數(shù)字機(jī)頂盒  

　　隨著終端用戶對視頻點(diǎn)播和VoIP服務(wù)的需求不斷增長，高吞吐量的視頻流線路將通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)如DSL或線纜調(diào)制解調(diào)器來操作。圖1所示為簡單的功能框圖，說明寬頻帶模擬開關(guān)如何可在IP 機(jī)頂盒設(shè)計(jì)中應(yīng)用，輕松地將進(jìn)入的100Base-T以太網(wǎng)連接進(jìn)行路由。與此同時(shí)，該開關(guān)還提供高度靈活性，將10/100 Base-T 以太網(wǎng)信號向另一個(gè)以太網(wǎng)RJ-45接口回送，因而允許終端用戶方便地從機(jī)頂盒的前端存取以太網(wǎng)功能。由于100Base-T電纜每對雙絞線通常都有100Mbps的帶寬，開關(guān)的頻帶只要大于100 MHz -3db便適合這類應(yīng)用采用。由于100Base-T采用全雙工方式工作，因此近端和非近端串音性能對于減低雙絞線對之間的相互干擾非常重要。這里模擬開關(guān)的關(guān)鍵作用是去除RJ45接口未連接PC時(shí)產(chǎn)生的懸接跡線，以及其它接頭寄生電容，從而改善回波損耗。 
 
帶個(gè)人視像錄制功能 (PRV) 的機(jī)頂盒 
 
　　帶個(gè)人視像錄制功能 (PRV) 的機(jī)頂盒已被終端用戶廣泛應(yīng)用，以便在離家或觀看其它電視節(jié)目時(shí)錄制所喜愛的電視節(jié)目。一些機(jī)頂盒設(shè)計(jì)甚至有多個(gè)RF輸入來同時(shí)接收不同的電視節(jié)目，使到用戶可以在觀看一個(gè)節(jié)目時(shí)，能更方便地錄制另一個(gè)。這類應(yīng)用傳統(tǒng)上都是采用較昂貴的繼電器，在兩個(gè)RF調(diào)諧解調(diào)器輸出 (CVBS) 之間進(jìn)行切換，該兩個(gè)輸出并共享相同的模擬前端視頻解碼器。傳統(tǒng)繼電器除了BOM成本較高外，體積也較大。由于今天及未來的市場對纖巧和流動(dòng)的設(shè)計(jì)需求日增，較佳的解決方案如采用較小型封裝的模擬開關(guān)自然受到歡迎，理論上還擁有可進(jìn)行無限次切換的長久壽命。圖2所示的單刀雙擲 (SPDT) 低歐姆視頻開關(guān)非常適合這類應(yīng)用。由于大多數(shù)CVBS的帶寬小于7MHz，基于CMOS技術(shù)建構(gòu)的典型模擬開關(guān)便非常容易達(dá)到要求。在這類應(yīng)用中選擇適當(dāng)?shù)囊曨l開關(guān)的重要標(biāo)準(zhǔn)，是微分增益和差分相位，它們直接與色飽和度與色調(diào)隨亮度變化有關(guān)。飛兆半導(dǎo)體最近推出的FSA4157開關(guān)器件便是這種應(yīng)用的理想選擇，擁有低至1歐姆的導(dǎo)通電阻和8KV 的HBM ESD (人體放電模型靜電損害保護(hù)) 性能。由于無需在應(yīng)用中外加ESD保護(hù)二極管，因?yàn)殚_關(guān)就放置于視頻RCA連接器的邊緣，因此能進(jìn)一步減低BOM成本。 

圖1  用于IP機(jī)頂盒中能改善以太網(wǎng)信號回波損耗的模擬開關(guān)
 
　　當(dāng)然, 錄制大容量的信息需要嵌入存儲器如硬盤驅(qū)動(dòng)器 (HDD)。一般來說，ATA I/O是HDD與其控制器之間的標(biāo)準(zhǔn)接口。在一些因應(yīng)終端用戶需求而采用雙硬盤驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)中，16位SPDT開關(guān)可用來實(shí)現(xiàn)主硬盤和次硬盤之間的切換?？偩€開關(guān)在這里可用來將硬盤從ASIC中隔離出來，使到設(shè)計(jì)人員擁有高度的靈活性，所提供的產(chǎn)品可帶或不帶硬盤。與此同時(shí)，隔離硬盤還可保護(hù)內(nèi)部控制器不受外部ESD靜電損害。當(dāng)然，在這類設(shè)計(jì)中，用5V驅(qū)動(dòng)的總線開關(guān)必須要有足夠的帶寬 (-3db) 來通過高速ATA數(shù)據(jù)流。事實(shí)上，這對于以CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)的一般總線開關(guān)并不構(gòu)成問題，其內(nèi)部開關(guān)信道僅采用NMOS結(jié)構(gòu)。僅有NMOS的結(jié)構(gòu)能降低通道的寄生電容，并且有助于改善 -3db 的數(shù)據(jù)信道帶寬。 
 
帶雙視頻輸出的機(jī)頂盒 
 
　　隨著機(jī)頂盒向高清晰度 (HD) 視頻輸出格式發(fā)展，720p/1080i甚至更高分辨率如1080p格式正在消費(fèi)電子市場上出現(xiàn)。有些視頻驅(qū)動(dòng)器即使在DC耦合的情況下如雙SCART輸出，也可以驅(qū)動(dòng)雙視頻輸出。通常，在一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)輸出連接進(jìn)行顯示，另一個(gè)則作為浮接。浮接輸出會(huì)嚴(yán)重影響HD的視頻信號圖象效果，即是因?yàn)閭鬏斁€路在視頻驅(qū)動(dòng)器接口端未終接而產(chǎn)生邊沿失真及/或過沖失真或下沖失真等。幸運(yùn)地，寬頻帶視頻開關(guān)能夠解決_個(gè)設(shè)計(jì)問題，當(dāng)視頻輸出不用時(shí)便會(huì)切斷其掃跡 (如圖2所示)。由于高清晰度模擬視頻信號具有很快的上升/下落時(shí)間，因此開關(guān)必須要有足夠的帶寬信號才能通過。寬帶寬對數(shù)據(jù)通道后端的A/D轉(zhuǎn)換器尤其重要；有足夠的帶寬才能可靠地對有效的模擬視頻信號采樣，因?yàn)楦咔逦认袼貢r(shí)鐘的時(shí)段比標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻時(shí)鐘短很多。同時(shí)，當(dāng)考慮到電視顯示側(cè)邊還有75歐姆遠(yuǎn)端端接電阻，插入損耗必須要小才能降低色飽和度的損耗。通常，視頻開關(guān)具5歐姆的導(dǎo)通阻抗就足夠。但帶寬需要大于500MHz 才能減低高清晰度視頻信號 (如720p 和1080p) 中的非線性失真。開關(guān)的帶寬越高，產(chǎn)生的失真越小。 

圖2  數(shù)字PVR機(jī)頂盒中的標(biāo)準(zhǔn)/高清晰度視頻開關(guān) 
 
帶外部存儲的機(jī)頂盒 
 
　　除了嵌入式硬盤外，可移除的存儲設(shè)備如緊湊型閃存或其它小尺寸存儲卡等已被廣泛用于便攜式設(shè)計(jì)產(chǎn)品中，包括手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等，以滿足不斷增加的市場需求。未來的機(jī)頂盒也會(huì)具備足夠的智能，以讀取這些存儲設(shè)備及驅(qū)動(dòng)電視來顯示數(shù)碼相機(jī)照片。如圖3所示，在這類應(yīng)用中，一般機(jī)頂盒的核心CPU USB輸出會(huì)與嵌入式或可移動(dòng)存儲控制器共用同一個(gè)接口，以便與PC機(jī)通信。這里必須使用寬帶寬的高速USB開關(guān)來克服設(shè)計(jì)中的難題，原因有兩個(gè)：首先，高速USB 2.0信號具有很快的上升/下落時(shí)間 (500ps)，這就要求開關(guān)能切斷所有無用的掃跡，從而將反射信號減至最少，同時(shí)改善符合性測試所要求的開眼 (eye opening) 指標(biāo)。 其次，CPU和閃存控制器的輸出都有1.5K的升壓電阻，兩者必須互相隔離來減小電勢的波動(dòng)。 
 
選擇正確的開關(guān)來減低BOM成本 
 
　　模擬開關(guān)除了能解決上述設(shè)計(jì)難題外，在某些應(yīng)用中采用適合的開關(guān)還能協(xié)助設(shè)計(jì)人員大幅度降低BOM數(shù)目及節(jié)省板卡空間。如圖4所示，某些機(jī)頂盒本身就能驅(qū)動(dòng)電視的復(fù)合視頻輸出如CVBS。當(dāng)機(jī)頂盒處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，其它外部的視頻源如VCR或DVD播放機(jī)等也可直接驅(qū)動(dòng)電視。在這些應(yīng)用中，雙74VHC4053器件會(huì)用來進(jìn)行機(jī)頂盒音/視頻編碼器輸出與VCR/DVD播放機(jī)A/V輸入之間的切換，以便共享一個(gè)顯示器。74VHC4053的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其導(dǎo)通阻抗高 (高達(dá)100歐姆)，如果將開關(guān)輸出直接連接到電視上，將造成視頻亮度損耗。通常采用一個(gè)簡單的緩沖 (如用分立的NPN元件) 便可將開關(guān)從電視側(cè)的75歐姆端接電阻隔離開來。 

圖3  在帶外部儲存連接機(jī)頂盒中的高速USB開關(guān) 
 
　　在添加NPN后，NPN的基部需要施加DC偏置電壓，這意味著增加額外的元件成本，如AC耦合電容、電阻，以及用于穩(wěn)定DC偏置電壓的鐵氧體磁環(huán)，防止串入電源VCC低鳴。所有這些附加成本都是因?yàn)?4VHC4053的高導(dǎo)通阻抗所致。如能選擇低導(dǎo)通阻抗的開關(guān)，如飛兆半導(dǎo)體的FSAV330或 FSAL200 (通常只有6歐姆)，便可省掉所有這些額外元件，由于沒有了那些大型電阻和電容，板卡面積因而可以大幅縮小。74VHC4053的低帶寬特性帶來比典型CMOS視頻開關(guān)更高的微分增益和差分相位，后者并具有卓越的色飽和穩(wěn)定性和色調(diào)。圖4給出了采用FSAV330或FSAL200前和后的結(jié)構(gòu)性快速比較，顯示出分立元件的使用大幅減少，比例為9：1。 

圖4  低導(dǎo)通阻抗音/視頻開關(guān)能降低機(jī)頂盒設(shè)計(jì)的BOM成本 
 
結(jié)語 
 
　　除了傳統(tǒng)的數(shù)字視頻解碼功能外，機(jī)頂盒日漸在家電中擔(dān)演舉足輕重的角色，具備更多的智能化功能，如VoIP和視頻點(diǎn)播。未來的設(shè)計(jì)將廣泛地采用高性能模擬開關(guān)，以加快產(chǎn)品面市時(shí)間。專用的寬頻帶視頻開關(guān)能提高信號的完整性，協(xié)助設(shè)計(jì)人員解決高清晰度的設(shè)計(jì)難題。除了能通過在視頻輸出之間共享連接器來減低傳統(tǒng)的 BOM 成本外，更高性能的視頻和以太網(wǎng)開關(guān)將有助于減少外部分立元件的數(shù)目，進(jìn)一步降低BOM成本，并能節(jié)省PCB空間。機(jī)頂盒市場是另一個(gè)具龐大增長潛力的區(qū)間，尤其是在中國。隨著中國的國家廣播電影電視總局已定下2015年全面實(shí)施電視系統(tǒng)數(shù)字化的目標(biāo)，這個(gè)市場將更具吸引力。高清晰度視頻格式和低成本通信 (如VoIP) 的發(fā)展，也會(huì)為區(qū)內(nèi)的機(jī)頂盒和專用開關(guān)市場帶來巨大的推動(dòng)力量。