面向便攜式USB設(shè)計的寬帶模擬開關(guān)

引言
隨著PC主機(jī)與便攜式設(shè)備如手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等之間的快速上聯(lián)和下載需求不斷增加，通用串行總線(USB)接口已成為終端設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕B接。尤其是對于可拍照手機(jī)與打印機(jī)之間無須PC介入的直接接口，USB OTG更起著重要作用。在講求美觀設(shè)計的驅(qū)動下，例如利用微型AB USB連接器等小型連接取代笨拙的耳機(jī)連接器，高帶寬模擬開關(guān)在高端手機(jī)設(shè)計的應(yīng)用越來越廣泛，用作USB線和外部耳機(jī)間的引腳共享。

應(yīng)用研究
為了滿足USB外設(shè)間的直接接口要求，高端的手機(jī)設(shè)計如基于CDMA 2000平臺都采用了USB OTG。新的主機(jī)談判協(xié)議 (HNP) 使得手機(jī)可以充當(dāng)主機(jī)或作為外設(shè)，能將圖片等文件直接輸出至打印機(jī)。它還比UART輸出等串行I/O提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率 (12Mbps)。但典型的設(shè)計仍會保留UART輸出，利用高帶寬模擬開關(guān)在USB和UART功能間切換，以便于維護(hù)和提供線纜選擇的靈活性。出于同樣的設(shè)計美觀考慮，模擬開關(guān)也可用于USB I/O和音頻耳機(jī)輸出之間的引腳共享。通過這一共享特性，笨拙的耳機(jī)連接器可由小型串行數(shù)據(jù)I/O所替代，以實現(xiàn)更小巧的設(shè)計。
圖1  用于高端手機(jī)美觀設(shè)計的模擬開關(guān)
除引腳共享外，模擬開關(guān)還可廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)計中USB總線的上拉控制。如圖2所示，當(dāng)VBUS供電電壓被斷開后，到D+的上拉電阻(1.5K歐姆)應(yīng)在10秒內(nèi)與3V終端斷開。在VBUS導(dǎo)通時，開關(guān)應(yīng)以極小的導(dǎo)通阻抗提供最少的衰減，以便降低功耗及DC壓降?？旖莅雽?dǎo)體的1歐姆模擬開關(guān)(FSA1156)的截止漏電流低至最多20nA，并提供8KV ESD (HBM)總線保護(hù)，因而特別適合這類應(yīng)用。
圖2  用于USB總線上拉的低插入損耗SPST模擬開關(guān)
圖3顯示了模擬開關(guān)的另一種應(yīng)用，即用于數(shù)碼相機(jī)(DSC)或手機(jī)等便攜式設(shè)計的總線隔離。這種隔離十分重要，可保護(hù)內(nèi)部ASIC免受外部噪聲干擾。此外，對于帶USB OTG接口的高端便攜式設(shè)計，USB PHY與外部世界的隔離可進(jìn)一步減少兩用設(shè)備之間(如兩部手機(jī))觸發(fā)錯誤會話請求協(xié)議(SRP)脈沖的潛在危險。在這類應(yīng)用中，當(dāng)串行總線被切斷后，便需卓越的截止隔離功能。若數(shù)據(jù)總線被激活，則需要模擬開關(guān)提供高帶寬性能以減少確定性抖動?？旖莅雽?dǎo)體的雙重單刀單擲(SPST)開關(guān)FSA1256具有300MHz帶寬和提供-70db截止隔離性能，可以全速通過USB 2.0而無明顯邊緣失真，因此特別適合于這類應(yīng)用。其超小型MicroPakTM封裝(僅占用2.56 mm2的PCB面積)更針對嚴(yán)格空間要求的便攜式設(shè)計而優(yōu)化。
圖3  用于數(shù)碼相機(jī)中USB串行總線隔離的雙重SPST開關(guān)

如何選擇合適的USB模擬開關(guān)
除對以上應(yīng)用的建議外，我們現(xiàn)進(jìn)一步探討開關(guān)規(guī)范和整體系統(tǒng)信號完整性之間的關(guān)聯(lián)。大多數(shù)便攜式設(shè)計現(xiàn)在仍采用12Mbps數(shù)據(jù)吞吐量的全速I/O。數(shù)據(jù)信號的上升和下降時間由4ns至20ns不等。當(dāng)此低邊緣的信號(20ns上升/下降時間)經(jīng)過開關(guān)時，開關(guān)可看到信號從低到高幾乎全軌的慢慢轉(zhuǎn)變。當(dāng)信號通過開關(guān)后，信道導(dǎo)通電阻(RON)將被電壓瞬態(tài)輸入所調(diào)制，并且可能由于導(dǎo)通電阻的變化而引起相位延遲差異。這一差異隨后會導(dǎo)致相位抖動，因此需要帶有低導(dǎo)通平滑阻抗(RFLAT(ON))的模擬開關(guān)。但是，過于強(qiáng)調(diào)平滑性會誤導(dǎo)設(shè)計者。事實上，較低的導(dǎo)通阻抗和阻抗平滑性會導(dǎo)致更高的導(dǎo)通電容，從而降低開關(guān)帶寬。低帶寬的模擬開關(guān)對于全軌變動的快速上升/下降時間信號可能會帶來更多的確定性抖動。因此必須考慮偏移和帶寬之間的折衷。快捷半導(dǎo)體的FSUSB11開關(guān)具有350MHz帶寬，并提供良好的偏移性能(典型值為150ps)。
圖4顯示了工作于12Mbps全速模式下USB開關(guān)的AC波形，其附加抖動只有1.25ns(峰值至峰值)。USB開關(guān)對單位間隔抖動的影響低于2％，而且不會影響驅(qū)動器邊的抖動預(yù)算。超低RON平滑(0.2歐姆)和差分信道阻抗有助于減少傳輸延遲差異，并最終將確定性抖動減至最小。傳輸延遲很小，這對D+和D-線的偏移影響微不足道。得益于這一超低RON平滑，上升和下降時間的不對稱性僅限于USB規(guī)范的10％之內(nèi)。像飛兆半導(dǎo)體的FSUSB11模擬開關(guān)便非常適合這類應(yīng)用，如圖1所示。
圖4  飛兆USB 1.1/2.0全速模擬開關(guān)(FSUSB11)的輸出眼圖

線路板布線建議
在對USB信號進(jìn)行布線時，設(shè)計者可使用一些布線技巧來加快PCB設(shè)計進(jìn)程。首先，差分信號的跡線長度差異必須減至最小，以優(yōu)化信道間的偏移，從而降低確定性抖動。此外，開關(guān)必須放置在靠近USB驅(qū)動器輸出的地方，作為驅(qū)動輸出的集總負(fù)載。這一安排有助于減少反射或逆程損耗，并且提高EMI性能。USB驅(qū)動器和連接器之間的跡線長度應(yīng)減至最少，以獲得最好的信號完整性，否則跡線感應(yīng)可能會與模擬開關(guān)的導(dǎo)通電容一起降低數(shù)據(jù)路徑的帶寬。這會使信號邊緣惡化，引起更大的附加抖動。為了減少靜態(tài)功耗，建議采用選擇性控制信號在0至VCC間切換。除了在四層設(shè)計中電源和接地之間的自然去耦電容外，額外的去耦電容(1uF和0.1uF)也需要放置在靠近USB開關(guān)VCC引腳的地方，帶來更好的導(dǎo)通阻抗平滑和較低的附加抖動。

結(jié)語
隨著便攜式設(shè)計對USB功能需求的增加，具有高ESD和截止隔離性能的寬帶模擬開關(guān)正廣泛地用于PDA、手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等應(yīng)用中，在提供可靠性能的同時實現(xiàn)更富吸引力的輕巧設(shè)計。通過小型連接器降低外部引腳連接的發(fā)展趨勢，將進(jìn)一步驅(qū)動模擬開關(guān)在這類設(shè)計中的使用。與PCB可靠地連接的微型封裝如MicroPakTM等，更為PCB空間受限的便攜式應(yīng)用帶來額外的優(yōu)勢。