用于机顶盒设计的高性能模拟开关

     引言
    
     随着机顶盒的设计加入更多新兴功能，如作为录象程序的硬盘、紧凑型闪存接口和视频点播(VOD)机器，模拟开关在这类应用中继续得以广泛采用。选用正确的开关，设计人员不仅能缩短产品面市时间来改善设计，还可以解决重要的设计难题如维持信号完整性。在某些设计中，适当的开关还有助于减少材料清单(BOM)的成本。本文将探讨模拟开关在不同类型机顶盒应用中的作用，并阐述如何利用正确的开关来降低设计复杂性及元件成本。
    
     应用例子
    
     IP数字机顶盒
    
     随着终端用户对视频点播和VoIP服务的需求不断增长，高吞吐量的视频流线路将通过互联网网络如DSL或线缆调制解调器来操作。图1所示为简单的功能框图，说明宽频带模拟开关如何可在IP 机顶盒设计中应用，轻松地将进入的100Base-T以太网连接进行路由。与此同时，该开关还提供高度灵活性，将10/100 Base-T以太网信号向另一个以太网RJ-45接口回送，因而允许终端用户方便地从机顶盒的前端存取以太网功能。由于100Base-T电缆每对双绞线通常都有100Mbps的带宽，开关的频带只要大于100MHz -3db便适合这类应用采用。由于100Base-T采用全双工方式工作，因此近端和非近端串音性能对于减低双绞线对之间的相互干扰非常重要。这里模拟开关的关键作用是去除RJ45接口未连接PC时产生的悬接迹线，以及其它接头寄生电容，从而改善回波损耗。
    
     带个人视像录制功能(PRV)的机顶盒
    
     带个人视像录制功能(PRV)的机顶盒已被终端用户广泛应用，以便在离家或观看其它电视节目时录制所喜爱的电视节目。一些机顶盒设计甚至有多个RF输入来同时接收不同的电视节目，使到用户可以在观看一个节目时，能更方便地录制另一个。这类应用传统上都是采用较昂贵的继电器，在两个RF调谐解调器输出(CVBS)之间进行切换，该两个输出并共享相同的模拟前端视频解码器。传统继电器除了BOM成本较高外，体积也较大。由于今天及未来的市场对纤巧和流动的设计需求日增，较佳的解决方案如采用较小型封装的模拟开关自然受到欢迎，理论上还拥有可进行无限次切换的长久寿命。图2所示的单刀双掷(SPDT)低欧姆视频开关非常适合这类应用。由于大多数CVBS的带宽小于7MHz，基于CMOS技术建构的典型模拟开关便非常容易达到要求。在这类应用中选择适当的视频开关的重要标准，是微分增益和差分相位，它们直接与色饱和度与色调随亮度变化有关。飞兆半导体最近推出的FSA4157开关器件便是这种应用的理想选择，拥有低至1欧姆的导通电阻和8KV的HBM ESD(人体放电模型静电损害保护)性能。由于无需在应用中外加ESD保护二极管，因为开关就放置于视频RCA连接器的边缘，因此能进一步减低BOM成本。
    
    
    
     当然, 录制大容量的信息需要嵌入存储器如硬盘驱动器(HDD)。一般来说，ATA I/O是HDD与其控制器之间的标准接口。在一些因应终端用户需求而采用双硬盘驱动的设计中，16位SPDT开关可用来实现主硬盘和次硬盘之间的切换。总线开关在这里可用来将硬盘从ASIC中隔离出来，使到设计人员拥有高度的灵活性，所提供的产品可带或不带硬盘。与此同时，隔离硬盘还可保护内部控制器不受外部ESD静电损害。当然，在这类设计中，用5V驱动的总线开关必须要有足够的带宽(-3db)来通过高速ATA数据流。事实上，这对于以CMOS技术为基础的一般总线开关并不构成问题，其内部开关信道仅采用NMOS结构。仅有NMOS的结构能降低通道的寄生电容，并且有助于改善-3db的数据信道带宽。
    
     带双视频输出的机顶盒
    
     随着机顶盒向高清晰度(HD)视频输出格式发展，720p/1080i甚至更高分辨率如1080p格式正在消费电子市场上出现。有些视频驱动器即使在DC耦合的情况下如双SCART输出，也可以驱动双视频输出。通常，在一个时间只有一个输出连接进行显示，另一个则作为浮接。浮接输出会严重影响HD的视频信号图象效果，即是因为传输线路在视频驱动器接口端未终接而产生边沿失真及/或过冲失真或下冲失真等。幸运地，宽频带视频开关能够解决_个设计问题，当视频输出不用时便会切断其扫迹 (如图2所示)。由于高清晰度模拟视频信号具有很快的上升/下落时间，因此开关必须要有足够的带宽信号才能通过。宽带宽对数据通道后端的A/D转换器尤其重要；有足够的带宽才能可靠地对有效的模拟视频信号采样，因为高清晰度像素时钟的时段比标准清晰度视频时钟短很多。同时，当考虑到电视显示侧边还有75欧姆远端端接电阻，插入损耗必须要小才能降低色饱和度的损耗。通常，视频开关具5欧姆的导通阻抗就足够。但带宽需要大于500MHz才能减低高清晰度视频信号 (如720p和1080p) 中的非线性失真。开关的带宽越高，产生的失真越小。
    
    
    
     带外部存储的机顶盒
    
     除了嵌入式硬盘外，可移除的存储设备如紧凑型闪存或其它小尺寸存储卡等已被广泛用于便携式设计产品中，包括手机和数码相机等，以满足不断增加的市场需求。未来的机顶盒也会具备足够的智能，以读取这些存储设备及驱动电视来显示数码相机照片。如图3所示，在这类应用中，一般机顶盒的核心CPU USB输出会与嵌入式或可移动存储控制器共用同一个接口，以便与PC机通信。这里必须使用宽带宽的高速USB开关来克服设计中的难题，原因有两个：首先，高速USB 2.0信号具有很快的上升/下落时间(500ps)，这就要求开关能切断所有无用的扫迹，从而将反射信号减至最少，同时改善符合性测试所要求的开眼(eye opening)指标。 其次，CPU和闪存控制器的输出都有1.5K的升压电阻，两者必须互相隔离来减小电势的波动。
    
     选择正确的开关来减低BOM成本
    
     模拟开关除了能解决上述设计难题外，在某些应用中采用适合的开关还能协助设计人员大幅度降低BOM数目及节省板卡空间。如图4所示，某些机顶盒本身就能驱动电视的复合视频输出如CVBS。当机顶盒处于待机状态时，其它外部的视频源如VCR或DVD播放机等也可直接驱动电视。在这些应用中，双74VHC4053器件会用来进行机顶盒音/视频编码器输出与VCR/DVD播放机A/V输入之间的切换，以便共享一个显示器。74VHC4053的一个主要缺点是其导通阻抗高 (高达100欧姆)，如果将开关输出直接连接到电视上，将造成视频亮度损耗。通常采用一个简单的缓冲 (如用分立的NPN元件) 便可将开关从电视侧的75欧姆端接电阻隔离开来。
    
    
    
     在添加NPN后，NPN的基部需要施加DC偏置电压，这意味着增加额外的元件成本，如AC耦合电容、电阻，以及用于稳定DC偏置电压的铁氧体磁环，防止串入电源VCC低鸣。所有这些附加成本都是因为74VHC4053的高导通阻抗所致。如能选择低导通阻抗的开关，如飞兆半导体的FSAV330或FSAL200(通常只有6欧姆)，便可省掉所有这些额外元件，由于没有了那些大型电阻和电容，板卡面积因而可以大幅缩小。74VHC4053的低带宽特性带来比典型CMOS视频开关更高的微分增益和差分相位，后者并具有卓越的色饱和稳定性和色调。图4给出了采用FSAV330或FSAL200前和后的结构性快速比较，显示出分立元件的使用大幅减少，比例为9：1。
    
    
    
     结语
    
     除了传统的数字视频解码功能外，机顶盒日渐在家电中担演举足轻重的角色，具备更多的智能化功能，如VoIP和视频点播。未来的设计将广泛地采用高性能模拟开关，以加快产品面市时间。专用的宽频带视频开关能提高信号的完整性，协助设计人员解决高清晰度的设计难题。除了能通过在视频输出之间共享连接器来减低传统的BOM成本外，更高性能的视频和以太网开关将有助于减少外部分立元件的数目，进一步降低BOM成本，并能节省PCB空间。机顶盒市场是另一个具庞大增长潜力的区间，尤其是在中国。随着中国的国家广播电影电视总局已定下2015年全面实施电视系统数字化的目标，这个市场将更具吸引力。高清晰度视频格式和低成本通信(如VoIP)的发展，也会为区内的机顶盒和专用开关市场带来巨大的推动力量。