在筆記本電腦中切換VGA信號

摘要：本文介紹了一種利用MAX4885E低電容VGA開(kāi)關(guān)實(shí)現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，器件包含了分立方案所需的絕大部分開(kāi)關(guān)和有源元件，從而節省了成本、減少了所需元件數量。器件的所有輸出端具有±15kV人體模式(HBM) ESD保護。

概述

盡管數字視頻開(kāi)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 )有數千萬(wàn)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(guò)筆記本電腦底部的一組接口切換VGA信號。

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(kāi)關(guān)，而且要對所有連接到輸出的器件提供足夠的ESD保護。

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

優(yōu)化VGA信號切換

為了正確處理模擬VGA信號，七路信號應該切換到計算機的連接器或塢站端口。如果沒(méi)有使用開(kāi)關(guān)，那么，每個(gè)端口都可能連接了沒(méi)有使用的信號，需要考慮在DAC輸出端增大的電容，會(huì )造成帶寬損失。視頻信號通常是標準的75Ω，視頻DAC通常是一個(gè)驅動(dòng)75Ω負載的電流源。顯示器也是75Ω負載，這樣就形成了雙終端負載系統，而DAC能夠為75Ω負載提供的最大VGA驅動(dòng)是0.7V。

許多設計人員都試圖設計支持1920 × 1200、60Hz的視頻，像素速率≈6.0ns。如果允許信號的上升、下降沿分別為1.7ns，信號可以滿(mǎn)足VESA (視頻電子標準協(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的tR。但是，典型應用中的DAC在沒(méi)有額外負載的情況下，tR一般為1ns。假設DAC的延遲包含兩部分：內部延時(shí)和輸出電容引起的上升時(shí)間。對于上述應用，假設DAC的內部延時(shí)為300ps，容值為8pf。加上開(kāi)關(guān)的8pf，總電容≈16pF。所以，對于大多數這樣的應用，傳統模擬開(kāi)關(guān)的f3dB帶寬為400MHz，雖然足以支持140Msps的信號，但DAC占用了整個(gè)系統的絕大部分裕量。

MAX4885E VGA開(kāi)關(guān)大大減少了元件數量

MAX4885E是一款完整的1:2 VGA開(kāi)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，無(wú)需外加ESD保護電路，不僅節省了成本，而且消除了用于ESD保護的外部電容。

MAX4885E還有兩個(gè)重要功能：能夠將低電平的行、場(chǎng)信號按照VESA標準轉換成5.0V TTL兼容邏輯電平(圖1)。所提供的行、場(chǎng)信號可驅動(dòng)雙負載。與RGB信號一樣，行、場(chǎng)信號也具備±15kV的靜電保護，無(wú)需增加額外元件保護其輸出。將VL引腳連接到+3.3V，行、場(chǎng)信號可以從較低電平轉換成TTL兼容電平。


圖1. 行、場(chǎng)信號電平轉換原理圖

MAX4885E還可以提供DDC (顯示數據控制)開(kāi)關(guān)、電平箝位和ESD保護功能。通過(guò)切換DDC信號，分離容性負載。這些信號兼容于I²C標準且最大負載電容為700pF。如果兩個(gè)負載連接到同一輸出，容性負載可能超出范圍。MAX4885E在同一時(shí)間只允許連接一個(gè)負載。類(lèi)似于其它功能，DDC輸入也具有±15kV ESD保護。

MAX4885E的DDC開(kāi)關(guān)還為此類(lèi)應用提供了一個(gè)附加功能：電壓箝位。來(lái)自顯示器的DDC電壓通常通過(guò)2.2kΩ電阻上拉到+5V (圖2)。DDC驅動(dòng)器不允許出現如此高的電壓，一般只允許最大+3.3V的電壓。DDC信號兼容于I²C標準，開(kāi)關(guān)兩側都有上拉電阻。開(kāi)關(guān)本身由一對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(guò)約0.7V以?xún)鹊臇艠O電壓。當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(kāi)關(guān)兩側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?，開(kāi)關(guān)很容易下拉。如果+5V側信號范圍為：0.5V至4.8V，則3.3V側的信號擺幅為0.5V至3.3V，如上圖(左側)。

結論

截至2015年，模擬VGA信號仍將用于主流計算機，甚至使用時(shí)間更長(cháng)。高清顯示器要求信號的上升/下降時(shí)間小于1.6ns。為了達到如此快的時(shí)間，DAC輸出端必須保持盡可能小的電容。MAX4885E VGA開(kāi)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，RGB、行、場(chǎng)輸出端以及DDC信號均不需要額外的保護電路。MAX4885E還增加了低電壓到TTL邏輯電平的轉換器/緩沖器，進(jìn)一步完善了功能需求。行、場(chǎng)信號可以從大約0.5V至1.5V轉換到5V TTL邏輯電平。具有靜電保護的輸出經(jīng)過(guò)緩沖后能夠為負載提供±8mA的驅動(dòng)，上升/下降時(shí)間小于5ns?？傊?，MAX4885E能夠提供低電容切換、箝位保護以及ESD保護。MAX4885E可理想用于筆記本電腦的塢站開(kāi)關(guān)，提供評估(EV)板方便地進(jìn)行器件測試和方案評估。