用于機頂盒設計的高性能模擬開(kāi)關(guān)

　　引言

　　隨著(zhù)機頂盒的設計加入更多新興功能，如作為錄象程序的硬盤(pán)、緊湊型閃存接口和視頻點(diǎn)播 (vod) 機器，模擬開(kāi)關(guān)在這類(lèi)應用中繼續得以廣泛采用。選用正確的開(kāi)關(guān)，設計人員不僅能縮短產(chǎn)品面市時(shí)間來(lái)改善設計，還可以解決重要的設計難題如維持信號完整性。在某些設計中，適當的開(kāi)關(guān)還有助于減少材料清單 (bom) 的成本。本文將探討模擬開(kāi)關(guān)在不同類(lèi)型機頂盒應用中的作用，并闡述如何利用正確的開(kāi)關(guān)來(lái)降低設計復雜性及元件成本。

　　應用例子

　　ip 數字機頂盒

　　隨著(zhù)終端用戶(hù)對視頻點(diǎn)播和voip服務(wù)的需求不斷增長(cháng)，高吞吐量的視頻流線(xiàn)路將通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )如dsl或線(xiàn)纜調制解調器來(lái)操作。圖1所示為簡(jiǎn)單的功能框圖，說(shuō)明寬頻帶模擬開(kāi)關(guān)如何可在ip 機頂盒設計中應用，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(kāi)關(guān)還提供高度靈活性，將10/100 base-t 以太網(wǎng)信號向另一個(gè)以太網(wǎng)rj-45接口回送，因而允許終端用戶(hù)方便地從機頂盒的前端存取以太網(wǎng)功能。由于100base-t電纜每對雙絞線(xiàn)通常都有100mbps的帶寬，開(kāi)關(guān)的頻帶只要大于100 mhz -3db便適合這類(lèi)應用采用。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于減低雙絞線(xiàn)對之間的相互干擾非常重要。這里模擬開(kāi)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(xiàn)，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) 的機頂盒

　　帶個(gè)人視像錄制功能 (prv) 的機頂盒已被終端用戶(hù)廣泛應用，以便在離家或觀(guān)看其它電視節目時(shí)錄制所喜愛(ài)的電視節目。一些機頂盒設計甚至有多個(gè)rf輸入來(lái)同時(shí)接收不同的電視節目，使到用戶(hù)可以在觀(guān)看一個(gè)節目時(shí)，能更方便地錄制另一個(gè)。這類(lèi)應用傳統上都是采用較昂貴的繼電器，在兩個(gè)rf調諧解調器輸出 (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。傳統繼電器除了bom成本較高外，體積也較大。由于今天及未來(lái)的市場(chǎng)對纖巧和流動(dòng)的設計需求日增，較佳的解決方案如采用較小型封裝的模擬開(kāi)關(guān)自然受到歡迎，理論上還擁有可進(jìn)行無(wú)限次切換的長(cháng)久壽命。圖2所示的單刀雙擲 (spdt) 低歐姆視頻開(kāi)關(guān)非常適合這類(lèi)應用。由于大多數cvbs的帶寬小于7mhz，基于cmos技術(shù)建構的典型模擬開(kāi)關(guān)便非常容易達到要求。在這類(lèi)應用中選擇適當的視頻開(kāi)關(guān)的重要標準，是微分增益和差分相位，它們直接與色飽和度與色調隨亮度變化有關(guān)。飛兆半導體最近推出的fsa4157開(kāi)關(guān)器件便是這種應用的理想選擇，擁有低至1歐姆的導通電阻和8kv 的hbm esd (人體放電模型靜電損害保護) 性能。由于無(wú)需在應用中外加esd保護二極管，因為開(kāi)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機頂盒中能改善以太網(wǎng)信號回波損耗的模擬開(kāi)關(guān)

　　當然, 錄制大容量的信息需要嵌入存儲器如硬盤(pán)驅動(dòng)器 (hdd)。一般來(lái)說(shuō)，ata i/o是hdd與其控制器之間的標準接口。在一些因應終端用戶(hù)需求而采用雙硬盤(pán)驅動(dòng)的設計中，16位spdt開(kāi)關(guān)可用來(lái)實(shí)現主硬盤(pán)和次硬盤(pán)之間的切換?？偩€(xiàn)開(kāi)關(guān)在這里可用來(lái)將硬盤(pán)從asic中隔離出來(lái)，使到設計人員擁有高度的靈活性，所提供的產(chǎn)品可帶或不帶硬盤(pán)。與此同時(shí)，隔離硬盤(pán)還可保護內部控制器不受外部esd靜電損害。當然，在這類(lèi)設計中，用5v驅動(dòng)的總線(xiàn)開(kāi)關(guān)必須要有足夠的帶寬 (-3db) 來(lái)通過(guò)高速ata數據流。事實(shí)上，這對于以cmos技術(shù)為基礎的一般總線(xiàn)開(kāi)關(guān)并不構成問(wèn)題，其內部開(kāi)關(guān)信道僅采用nmos結構。僅有nmos的結構能降低通道的寄生電容，并且有助于改善 -3db 的數據信道帶寬。

　　帶雙視頻輸出的機頂盒

　　隨著(zhù)機頂盒向高清晰度 (hd) 視頻輸出格式發(fā)展，720p/1080i甚至更高分辨率如1080p格式正在消費電子市場(chǎng)上出現。有些視頻驅動(dòng)器即使在dc耦合的情況下如雙scart輸出，也可以驅動(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 )嚴重影響hd的視頻信號圖象效果，即是因為傳輸線(xiàn)路在視頻驅動(dòng)器接口端未終接而產(chǎn)生邊沿失真及/或過(guò)沖失真或下沖失真等。幸運地，寬頻帶視頻開(kāi)關(guān)能夠解決_個(gè)設計問(wèn)題，當視頻輸出不用時(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具有很快的上升/下落時(shí)間，因此開(kāi)關(guān)必須要有足夠的帶寬信號才能通過(guò)。寬帶寬對數據通道后端的a/d轉換器尤其重要;有足夠的帶寬才能可靠地對有效的模擬視頻信號采樣，因為高清晰度像素時(shí)鐘的時(shí)段比標準清晰度視頻時(shí)鐘短很多。同時(shí)，當考慮到電視顯示側邊還有75歐姆遠端端接電阻，插入損耗必須要小才能降低色飽和度的損耗。通常，視頻開(kāi)關(guān)具5歐姆的導通阻抗就足夠。但帶寬需要大于500mhz 才能減低高清晰度視頻信號 (如720p 和1080p) 中的非線(xiàn)性失真。開(kāi)關(guān)的帶寬越高，產(chǎn)生的失真越小。

　　圖2 數字pvr機頂盒中的標準/高清晰度視頻開(kāi)關(guān)

　　帶外部存儲的機頂盒

　　除了嵌入式硬盤(pán)外，可移除的存儲設備如緊湊型閃存或其它小尺寸存儲卡等已被廣泛用于便攜式設計產(chǎn)品中，包括手機和數碼相機等，以滿(mǎn)足不斷增加的市場(chǎng)需求。未來(lái)的機頂盒也會(huì )具備足夠的智能，以讀取這些存儲設備及驅動(dòng)電視來(lái)顯示數碼相機照片。如圖3所示，在這類(lèi)應用中，一般機頂盒的核心cpu usb輸出會(huì )與嵌入式或可移動(dòng)存儲控制器共用同一個(gè)接口，以便與pc機通信。這里必須使用寬帶寬的高速u(mài)sb開(kāi)關(guān)來(lái)克服設計中的難題，原因有兩個(gè)：首先，高速u(mài)sb 2.0信號具有很快的上升/下落時(shí)間 (500ps)，這就要求開(kāi)關(guān)能切斷所有無(wú)用的掃跡，從而將反射信號減至最少，同時(shí)改善符合性測試所要求的開(kāi)眼 (eye opening) 指標。 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(lái)減小電勢的波動(dòng)。

　　選擇正確的開(kāi)關(guān)來(lái)減低bom成本

　　模擬開(kāi)關(guān)除了能解決上述設計難題外，在某些應用中采用適合的開(kāi)關(guān)還能協(xié)助設計人員大幅度降低bom數目及節省板卡空間。如圖4所示，某些機頂盒本身就能驅動(dòng)電視的復合視頻輸出如cvbs。當機頂盒處于待機狀態(tài)時(shí)，其它外部的視頻源如vcr或dvd播放機等也可直接驅動(dòng)電視。在這些應用中，雙74vhc4053器件會(huì )用來(lái)進(jìn)行機頂盒音/視頻編碼器輸出與vcr/dvd播放機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)是其導通阻抗高 (高達100歐姆)，如果將開(kāi)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(kāi)關(guān)從電視側的75歐姆端接電阻隔離開(kāi)來(lái)。

　　圖3 在帶外部?jì)Υ孢B接機頂盒中的高速u(mài)sb開(kāi)關(guān)

　　在添加npn后，npn的基部需要施加dc偏置電壓，這意味著(zhù)增加額外的元件成本，如ac耦合電容、電阻，以及用于穩定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為74vhc4053的高導通阻抗所致。如能選擇低導通阻抗的開(kāi)關(guān)，如飛兆半導體的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(méi)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(lái)比典型cmos視頻開(kāi)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定性和色調。圖4給出了采用fsav330或fsal200前和后的結構性快速比較，顯示出分立元件的使用大幅減少，比例為9：1。

　　圖4 低導通阻抗音/視頻開(kāi)關(guān)能降低機頂盒設計的bom成本

　　結語(yǔ)

　　除了傳統的數字視頻解碼功能外，機頂盒日漸在家電中擔演舉足輕重的角色，具備更多的智能化功能，如voip和視頻點(diǎn)播。未來(lái)的設計將廣泛地采用高性能模擬開(kāi)關(guān)，以加快產(chǎn)品面市時(shí)間。專(zhuān)用的寬頻帶視頻開(kāi)關(guān)能提高信號的完整性，協(xié)助設計人員解決高清晰度的設計難題。除了能通過(guò)在視頻輸出之間共享連接器來(lái)減低傳統的 bom 成本外，更高性能的視頻和以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)將有助于減少外部分立元件的數目，進(jìn)一步降低bom成本，并能節省pcb空間。機頂盒市場(chǎng)是另一個(gè)具龐大增長(cháng)潛力的區間，尤其是在中國。隨著(zhù)中國的國家廣播電影電視總局已定下2015年全面實(shí)施電視系統數字化的目標，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 )為區內的機頂盒和專(zhuān)用開(kāi)關(guān)市場(chǎng)帶來(lái)巨大的推動(dòng)力量。