高性能模擬開(kāi)關(guān)改進(jìn)蜂窩電話(huà)設計

　　為了滿(mǎn)足GSM/GPRS 以及3G (第三代) 多模式蜂窩電話(huà)和其它便攜式產(chǎn)品的功能聚合需求，高性能模擬開(kāi)關(guān)應運而生。這是最重要的器件之一，能幫助設計人員降低成本、節省空間，并同時(shí)滿(mǎn)足不同的功能需要。具有高帶寬和低插入損耗特性的模擬開(kāi)關(guān)已廣泛用于高端蜂窩電話(huà)的設計中，能以低微的總諧波失真 (THD) 傳送音頻信號，并以最小的抖動(dòng)和邊沿失真傳送USB信號。本文將探討蜂窩電話(huà)應用對模擬開(kāi)關(guān)的特殊要求，以協(xié)助設計人員選擇合適的模擬開(kāi)關(guān)。此外，本文還將介紹減少非線(xiàn)性失真、偏斜和回波損耗的方法，從而加快設計速度。

　　音頻信號傳送

　　大多數標準蜂窩電話(huà)設計使用單位單刀雙擲 (SP/DT) 開(kāi)關(guān)，對外部和內部32 Ohm揚聲器或其它音頻處理單元之間的基帶語(yǔ)音信號進(jìn)行多路信號分離。由于蜂窩電話(huà)和便攜式電子產(chǎn)品日趨小型化，為了滿(mǎn)足印刷線(xiàn)路板空間受限的要求，小型封裝變得尤為重要。

　　在便攜式電子產(chǎn)品中，功耗永遠是重要的考慮因素。為了降低功耗，通常使用低導通電阻 (RON) 開(kāi)關(guān)以減少插入損耗。但是，如果只注重RON而不綜合考慮RON和總諧波失真 (THD) 的平衡，就會(huì )對音頻設計人員造成誤導。例如，對于前端接有放大器的32 Ohm揚聲器而言，超低的導通電阻(遠低于最大值1 Ohm)對于優(yōu)化設計K非必要，原因有二：首先，放大器增益可以補償由稍高導通阻抗引起的插入損耗;其次，如果選擇了超低的RON，通常會(huì )產(chǎn)生導通電容大幅增加的問(wèn)題。模擬開(kāi)關(guān)的導通電容和RON平坦度均會(huì )引起音頻信號的非線(xiàn)性失真，即總諧波失真。

　　THD在這里是重要的考慮因素，尤其在音頻放大器之前切換音頻信號時(shí)，存在THD噪聲增大的風(fēng)險。在任何實(shí)際設計中，均應考慮在音頻信號保真度和可能降低的功耗之間進(jìn)行折衷。此外，較高的導通電容常常伴隨著(zhù)較大的電荷注入，它會(huì )在揚聲器關(guān)閉時(shí)引?quot;爆音噪聲。此例中，重要的是使用了低電阻的模擬開(kāi)關(guān)(圖1)，導通電阻少于1.35 Ohm最大值，典型THD 為0.002% 左右。優(yōu)化的THD以及優(yōu)良的插入損耗性能使這些開(kāi)關(guān)成為蜂窩電話(huà)設計的理想選擇，特別適合具有嚴格音頻保真要求的蜂窩電話(huà)設計。

　　雙位單刀雙擲 (SP/DT) 開(kāi)關(guān)在使用立體聲音樂(lè )作為振鈴功能的高端蜂窩電話(huà)設計中十分有用。所示，來(lái)自基帶處理器的振鈴和語(yǔ)音信號共用一個(gè)內部揚聲器。此處的振鈴信號一般來(lái)自和諧振鈴發(fā)生器，由處理器的數字輸出驅動(dòng)，保證當用戶(hù)講話(huà)時(shí)振鈴功能關(guān)閉。由于曲調芯片具有左、右音頻聲道輸出，建議使用具有低THD和低導通電阻的雙SP/DT開(kāi)關(guān)，以實(shí)現高保真音頻信號切換。

　　USB 信號交換

　　由于大多數3G蜂窩電話(huà)設計具有功能密集的特點(diǎn)，基帶處理器制造商正轉向USB On the Go，以便更好地利用OTG的能力直佑臚饃枇接T詿擻τ彌校具有低偏斜和高帶寬的雙SP/DT模擬開(kāi)關(guān)，能夠以最小的邊沿失真切換USB信號。此外，模擬開(kāi)關(guān)具有共享USB和基帶處理器UART接口之間的連接器的能力，以適應電纜選項。同樣地，在智能蜂窩電話(huà)設計中，基帶處理器和PDA處理器的USB I/O可以借助雙SP/DT模擬開(kāi)關(guān)，共享相同的連接引腳，完全符合USB 1.1和USB 2.0的低速和全速規范。

　　所示為工作于12 Mbps、附加相位抖動(dòng) (峰至峰) 僅為1.25 ns的全速模式USB開(kāi)關(guān)的交流波形。USB開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的單位間隔抖動(dòng)小于2% UI，不會(huì )影響驅動(dòng)器一側的相位抖動(dòng)要求。超低的RON平坦度(0.2 Ohm)和差分通道電阻有助于減少低傳播延遲差異，最終可將確定抖動(dòng)降至最低。其傳播延遲也很低，這對于D+ 和D- 線(xiàn)路的偏斜影響微乎其微幾乎為零。超低的RON平坦度有助于將信號上升和下降時(shí)間的不一致性保持在USB規范的10%范圍內。

　　載波濾波器開(kāi)關(guān)

　　在雙頻段 (GSM900和DCS1800) 蜂窩電話(huà)應用中，每個(gè)頻段要求接收器在一定的鎖定時(shí)間內，鎖定于不同的頻率上 (900MHz和1800MHz)。在圖4中，兩個(gè)無(wú)源模擬RC濾波器共享一個(gè)數字式相位/頻率檢測器。低通濾波器的帶寬會(huì )影響VCO輸出鎖定于參考頻率所花費的時(shí)間。在閉環(huán)系統中，不同RC網(wǎng)絡(luò )之間的切換會(huì )產(chǎn)生不同的帶寬值，因而形成不同的動(dòng)態(tài)行為，如鎖定時(shí)間、阻尼比和輸出時(shí)鐘噪聲。因此，在這種應用中應該選用導通電阻低、激活時(shí)間短的模擬開(kāi)關(guān)，以避免可能出現的信號損耗和動(dòng)態(tài)環(huán)路干擾。

　　設計建議

　　對于USB信號的傳送，設計人員可采用某些技巧，利用模擬開(kāi)關(guān)加快PCB設計過(guò)程。首先應將差分信號的電路板引線(xiàn)條長(cháng)度差異降至最小，以?xún)?yōu)化通道之間的偏斜，從而進(jìn)一步降低可確定的抖動(dòng)。此外，開(kāi)關(guān)應布置在USB驅動(dòng)器輸出的附近，作為驅動(dòng)器輸出的集總負載。這種布局有助于減少反射或回波損失，并改善EMI性能。建議使USB驅動(dòng)器和連接器之間的線(xiàn)路板引線(xiàn)條長(cháng)度最小化，以獲得最佳的信號完整性。否則，引線(xiàn)條的電感可能會(huì )與開(kāi)關(guān)的導通電容共同作用，降低諧振頻率，減小數據通路的帶寬。這樣會(huì )使信號邊沿降級，造成更大的附加抖動(dòng)。為了將靜態(tài)功耗降至最小，建議使用選擇控制信號進(jìn)行0至VCC的切換。

　　總結

　　3G蜂窩電話(huà)的功能以正極速的步伐增加，包括MP3播放器、立體聲 FM收音機、PDA和電視等功能的聚合，而對小型封裝和低壓工作功能模擬開(kāi)關(guān)的需求將持續增長(cháng)。在設計中采用模擬開(kāi)關(guān)為硬件共享及音頻或視頻信號處理，傳送模擬或數字信號，能受益于模擬開(kāi)關(guān)的低導通電阻和低THD特性。高帶寬的智能開(kāi)關(guān)將繼續為市場(chǎng)服務(wù)，提供比功耗較大的有源開(kāi)關(guān)最少的功耗。