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(hào)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(duì)視頻點(diǎn)播和VoIP服務(wù)的需求不斷增長(zhǎng)，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(jiǎn)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(hào)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(duì)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(duì)于減低雙絞線對(duì)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(chǎng)對(duì)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(zhǎng)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(hào)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(chǔ)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(duì)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(chǎng)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(hào)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(hào)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(hào)才能通過。寬帶寬對(duì)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(duì)有效的模擬視頻信號(hào)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(hào) (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(chǔ)的機(jī)頂盒 
 
　　除了嵌入式硬盤外，可移除的存儲(chǔ)設(shè)備如緊湊型閃存或其它小尺寸存儲(chǔ)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(chǎng)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(chǔ)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(chǔ)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(hào)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(hào)減至最少，同時(shí)改善符合性測(cè)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(shì)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(jiǎn)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?jī)?chǔ)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(hào)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(chǎng)是另一個(gè)具龐大增長(zhǎng)潛力的區(qū)間，尤其是在中國(guó)。隨著中國(guó)的國(guó)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(chǎng)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(chǎng)帶來巨大的推動(dòng)力量。