便攜設(shè)計中模擬開關(guān)的變遷

引言

與電源設(shè)計應(yīng)用中傳統(tǒng)大功率 MOSFET 開關(guān)和存儲應(yīng)用中多位數(shù)據(jù)總線開關(guān)相比，模擬開關(guān)大大不同。一般來講，模擬開關(guān)主要用于切換手機等便攜式設(shè)計中的小功率模擬信號。但是，在最近的便攜式設(shè)計中附加功能的推動下，模擬開關(guān)從傳統(tǒng)的低帶寬音頻開關(guān)發(fā)展成為高速混合信號開關(guān)。由于模擬開關(guān)具有低功耗、低漏電流及小封裝等特點，在某些設(shè)計中甚至可以將其用作低功耗 DC 信號開關(guān)。本文會介紹模擬開關(guān)的遷移軌跡，讓讀者了解便攜式基帶設(shè)計的市場趨勢。

變遷軌跡

圖1 基帶功能推動手機功能變遷

如圖 1 所示，手機已從簡單的單語音功能發(fā)展成為帶有 MP3 或音樂鈴聲等大功率立體聲音頻的通訊工具。至于視頻功能，簡單的低分辨率相機已經(jīng)過時，而高于 200 萬像素相機已經(jīng)成為大多數(shù)中高端手機的標準功能。由于低功耗數(shù)字式廣播調(diào)諧器適合便攜式應(yīng)用，帶有復(fù)合視頻輸出的手機將在市場強勢出現(xiàn)，從而滿足外部大型顯示器或者專業(yè)投影儀顯示等專業(yè)應(yīng)用需求。
現(xiàn)代的手機設(shè)計都嵌入了 MP3 功能，對于數(shù)據(jù)路徑而言，傳統(tǒng)以 UART 為基礎(chǔ)的接口已不能滿足最終用戶的下載要求。因此，USB 1.1 全速 (12Mbp) 甚至是 USB 2.0 高速接口在帶嵌入式硬盤或可拆卸大型存儲器的 MP3 手機設(shè)計中越來越普遍。

純音頻開關(guān)從高導(dǎo)通電阻遷移到超低導(dǎo)通電阻

響應(yīng)圖 1 中手機功能的變遷，最初在手機設(shè)計中采用模擬開關(guān)是由于大多數(shù)基帶處理器只有有限的音頻輸出端口，如圖 2 所示。那些低端處理器只有單語音輸出，通常需要進行語音隔離將其分別接到聽筒或者耳機中。相對于 32 歐姆的耳機阻抗，這些開關(guān)通常具有大約 10 歐姆相對較高的導(dǎo)通電阻。開關(guān)的插入損耗通過前置放大器級來補償。大多數(shù)應(yīng)用中的控制電壓與開關(guān)的 3V 供電一致。 

圖2 便攜設(shè)計中模擬開關(guān)應(yīng)用功能的變遷

在節(jié)能及更佳的總諧波失真 (THD) 需求帶動下，市場出現(xiàn)了 1 歐姆開關(guān)，在 0 到 VCC 的輸入電壓之間具有平坦的導(dǎo)通電阻。對于免提電話等功能來說，來自基帶處理器的語音輸出可以路由到耳機和內(nèi)部的 8 歐姆揚聲器上。由于放大器置于開關(guān)之后和揚聲器之前 (見圖 2)，在這些應(yīng)用中 THD 規(guī)范遂成為關(guān)鍵因素，以減小信號放大失真。

隨著大多數(shù)基帶處理器設(shè)計需要進一步降低功耗，通用 I/O (GPIO) 數(shù)字接口需要提供更低的輸出高壓閾值電平 (VOH)。對于這種應(yīng)用，該電壓可低至 1.8V。但是由于 MP3 手機具有大功率立體聲音頻的需求，開關(guān)電源電壓可以達到 4.2V，或者直接由電池供電。因為控制電壓輸入高電平 (VIH) 與開關(guān)電源電壓之間存在失配，設(shè)計要求增加額外的電平偏移變換器以減小靜態(tài)漏電流。這樣不僅增加了設(shè)計難度，還提高了材料成本。在這樣的便攜式應(yīng)用中，非常需要能夠識別低控制電壓 (1.8V) 的模擬開關(guān)。

由于正電源下，模擬開關(guān)建議用于傳輸正電平信號，因此需要在開關(guān)之后設(shè)置 AC 耦合電容器為耳機或接收器阻隔 DC 成分。同時，考慮到揚聲器的阻抗大約為 8 歐姆，而在 4.3V 電源下這類應(yīng)用中的音頻開關(guān)一般擁有低至 0.35 歐姆的導(dǎo)通電阻，能夠進一步降低高導(dǎo)通電阻開關(guān)的插入損耗所帶來的功耗。

混合信號和高速數(shù)字信號切換

市場對于薄型滑蓋手機等小巧手機的需求強勁，低引腳數(shù)連接器設(shè)計對用戶而言十分重要。UART 或 USB 等數(shù)字信號將與音頻輸出共享連接器的引腳，如圖 2 所示。大多數(shù)音頻信號都需要耳機用的耦合電容，但是必需設(shè)置在開關(guān)之前，這與上一節(jié)所述的應(yīng)用不同。在這種情況下，開關(guān)必須能夠在單邊正電源供電下接收負信號。此外，設(shè)計人員非常希望能夠擁有帶自動 USB 插入感測功能的開關(guān)，以便節(jié)省 GPIO 硬件資源。當然，這些開關(guān)允許設(shè)計人員使用手動控制來進行選擇，隨時強迫開關(guān)轉(zhuǎn)向音頻通道。

當外部 USB 插入時，手機可以使用 VBUS 作為主電源而進入節(jié)電模式。外部 VBUS 可以直接作為開關(guān)的電源。為了在沒有外部 USB 插入時實現(xiàn)可靠的音頻切換功能，需要獨立的音頻通路電源。這個雙電源的特點與前幾代的單電源音頻開關(guān)有很大分別。對于這類混合信號切換產(chǎn)品，具有高帶寬 USB 通路和低導(dǎo)通電阻音頻通路的不平衡信道還具有特殊的應(yīng)用功能。

此外，MP3 和 MP4 手機的快速下載功能需要具備 USB 2.0 (480Mbps) 的高速接口。在這類設(shè)計中，全速 USB 器件將與閃存控制器等其它高速 USB 控制器共享相同的連接器D+/D- 引腳。為了兼容 USB 2.0 信號眼圖規(guī)格，使用具有超低斷開電容的 2 位單刀單擲 (SPST) 開關(guān)有助于隔離全速控制器的大輸出電容（包括斷頭線和傳輸線電容），如圖 3 所示。

圖3 硬盤電話設(shè)計中高速USB開關(guān)

未來展望

如圖 1 所示，隨著在亞太地區(qū)，尤其在中國即將推出大量的 3G 應(yīng)用，數(shù)據(jù)、音頻和視頻切換應(yīng)用對專用開關(guān)的需求潛力巨大，能夠縮短產(chǎn)品上市時間。面對這些應(yīng)用，需要大量具有小封裝、低功耗、優(yōu)良的電源抑制比  (PSRR) 和高信噪比 (SNR) 的開關(guān)。模擬開關(guān)正在從傳統(tǒng)的低吞吐量模擬音頻信號開關(guān)轉(zhuǎn)移至混合信號路由/調(diào)整中央單元，而該單元是處理器真正關(guān)鍵的同伴芯片。在便攜式產(chǎn)品市場下一代講求纖細和美觀的產(chǎn)品設(shè)計中，開關(guān)肯定是不可或缺的重要組成部分。