在筆記本電腦中切換VGA信號(hào)

摘要：本文介紹了一種利用MAX4885E低電容VGA開關(guān)實(shí)現(xiàn)筆記本電腦與塢站之間視頻切換的解決方案。MAX4885E的電流損耗近乎為零，集成在4mm × 4mm封裝內(nèi)，器件包含了分立方案所需的絕大部分開關(guān)和有源元件，從而節(jié)省了成本、減少了所需元件數(shù)量。器件的所有輸出端具有±15kV人體模式(HBM) ESD保護(hù)。

概述

盡管數(shù)字視頻開關(guān)在2008已經(jīng)變得非常流行，但是，截至2015年，市場(chǎng)上仍然會(huì)有數(shù)千萬的顯示器、投影儀采用模擬VGA。幾乎所有采用塢站的筆記本電腦都是通過筆記本電腦底部的一組接口切換VGA信號(hào)。

支持塢站與VGA連接器之間切換的理想器件不僅要管理控制所有開關(guān)，而且要對(duì)所有連接到輸出的器件提供足夠的ESD保護(hù)。

MAX4885E VGA開關(guān)優(yōu)化用于筆記本電腦和塢站之間的信號(hào)切換，器件包括三路高頻(約950MHz) RGB開關(guān)、兩路低頻DDC信號(hào)的箝位開關(guān)以及一對(duì)用于行、場(chǎng)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換的緩沖器。

優(yōu)化VGA信號(hào)切換

為了正確處理模擬VGA信號(hào)，七路信號(hào)應(yīng)該切換到計(jì)算機(jī)的連接器或塢站端口。如果沒有使用開關(guān)，那么，每個(gè)端口都可能連接了沒有使用的信號(hào)，需要考慮在DAC輸出端增大的電容，會(huì)造成帶寬損失。視頻信號(hào)通常是標(biāo)準(zhǔn)的75Ω，視頻DAC通常是一個(gè)驅(qū)動(dòng)75Ω負(fù)載的電流源。顯示器也是75Ω負(fù)載，這樣就形成了雙終端負(fù)載系統(tǒng)，而DAC能夠?yàn)?5Ω負(fù)載提供的最大VGA驅(qū)動(dòng)是0.7V。

許多設(shè)計(jì)人員都試圖設(shè)計(jì)支持1920 × 1200、60Hz的視頻，像素速率≈6.0ns。如果允許信號(hào)的上升、下降沿分別為1.7ns，信號(hào)可以滿足VESA (視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))的要求，因此：

tR = 2.2RC, 其中R = 37.5Ω

如果DAC的tR為0，由上式可以得出系統(tǒng)的tR。但是，典型應(yīng)用中的DAC在沒有額外負(fù)載的情況下，tR一般為1ns。假設(shè)DAC的延遲包含兩部分：內(nèi)部延時(shí)和輸出電容引起的上升時(shí)間。對(duì)于上述應(yīng)用，假設(shè)DAC的內(nèi)部延時(shí)為300ps，容值為8pf。加上開關(guān)的8pf，總電容≈16pF。所以，對(duì)于大多數(shù)這樣的應(yīng)用，傳統(tǒng)模擬開關(guān)的f3dB帶寬為400MHz，雖然足以支持140Msps的信號(hào)，但DAC占用了整個(gè)系統(tǒng)的絕大部分裕量。

MAX4885E VGA開關(guān)大大減少了元件數(shù)量

MAX4885E是一款完整的1:2 VGA開關(guān)，具有大于700MHz的RGB帶寬和小于7pF電容。另外，所有輸出均具備±15kV HBM (人體模式) ESD保護(hù)，無需外加ESD保護(hù)電路，不僅節(jié)省了成本，而且消除了用于ESD保護(hù)的外部電容。

MAX4885E還有兩個(gè)重要功能：能夠?qū)⒌碗娖降男?、?chǎng)信號(hào)按照VESA標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成5.0V TTL兼容邏輯電平(圖1)。所提供的行、場(chǎng)信號(hào)可驅(qū)動(dòng)雙負(fù)載。與RGB信號(hào)一樣，行、場(chǎng)信號(hào)也具備±15kV的靜電保護(hù)，無需增加額外元件保護(hù)其輸出。將VL引腳連接到+3.3V，行、場(chǎng)信號(hào)可以從較低電平轉(zhuǎn)換成TTL兼容電平。


圖1. 行、場(chǎng)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換原理圖

MAX4885E還可以提供DDC (顯示數(shù)據(jù)控制)開關(guān)、電平箝位和ESD保護(hù)功能。通過切換DDC信號(hào)，分離容性負(fù)載。這些信號(hào)兼容于I²C標(biāo)準(zhǔn)且最大負(fù)載電容為700pF。如果兩個(gè)負(fù)載連接到同一輸出，容性負(fù)載可能超出范圍。MAX4885E在同一時(shí)間只允許連接一個(gè)負(fù)載。類似于其它功能，DDC輸入也具有±15kV ESD保護(hù)。

MAX4885E的DDC開關(guān)還為此類應(yīng)用提供了一個(gè)附加功能：電壓箝位。來自顯示器的DDC電壓通常通過2.2kΩ電阻上拉到+5V (圖2)。DDC驅(qū)動(dòng)器不允許出現(xiàn)如此高的電壓，一般只允許最大+3.3V的電壓。DDC信號(hào)兼容于I²C標(biāo)準(zhǔn)，開關(guān)兩側(cè)都有上拉電阻。開關(guān)本身由一對(duì)n溝道晶體管組成。


圖2. n溝道FET晶體管箝位原理圖

由于體二極管的影響，n溝道FET只能通過約0.7V以內(nèi)的柵極電壓。當(dāng)電壓接近柵極電壓時(shí)，由于偏置電壓不夠大，溝道電阻增大。而開關(guān)兩側(cè)均上拉到各自的供電電壓時(shí)，n溝道幾乎完全箝位?？梢詡鬏斀咏仉娢坏男盘?hào)，開關(guān)很容易下拉。如果+5V側(cè)信號(hào)范圍為：0.5V至4.8V，則3.3V側(cè)的信號(hào)擺幅為0.5V至3.3V，如上圖(左側(cè))。

結(jié)論

截至2015年，模擬VGA信號(hào)仍將用于主流計(jì)算機(jī)，甚至使用時(shí)間更長(zhǎng)。高清顯示器要求信號(hào)的上升/下降時(shí)間小于1.6ns。為了達(dá)到如此快的時(shí)間，DAC輸出端必須保持盡可能小的電容。MAX4885E VGA開關(guān)具有小于7pF的電容，提供微小的4mm × 4mm封裝。器件的所有輸出均具有±15kV ESD保護(hù)，RGB、行、場(chǎng)輸出端以及DDC信號(hào)均不需要額外的保護(hù)電路。MAX4885E還增加了低電壓到TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換器/緩沖器，進(jìn)一步完善了功能需求。行、場(chǎng)信號(hào)可以從大約0.5V至1.5V轉(zhuǎn)換到5V TTL邏輯電平。具有靜電保護(hù)的輸出經(jīng)過緩沖后能夠?yàn)樨?fù)載提供±8mA的驅(qū)動(dòng)，上升/下降時(shí)間小于5ns?？傊?，MAX4885E能夠提供低電容切換、箝位保護(hù)以及ESD保護(hù)。MAX4885E可理想用于筆記本電腦的塢站開關(guān)，提供評(píng)估(EV)板方便地進(jìn)行器件測(cè)試和方案評(píng)估。