|
引言 與電源設計應用中傳統大功率 MOSFET 開(kāi)關(guān)和存儲應用中多位數據總線(xiàn)開(kāi)關(guān)相比，模擬開(kāi)關(guān)大大不同。一般來(lái)講，模擬開(kāi)關(guān)主要用于切換手機等便攜式設計中的小功率模擬信號。但是，在最近的便攜式設計中附加功能的推動(dòng)下，模擬開(kāi)關(guān)從傳統的低帶寬音頻開(kāi)關(guān)發(fā)展成為高速混合信號開(kāi)關(guān)。由于模擬開(kāi)關(guān)具有低功耗、低漏電流及小封裝等特點(diǎn)，在某些設計中甚至可以將其用作低功耗 DC 信號開(kāi)關(guān)。本文會(huì )介紹模擬開(kāi)關(guān)的遷移軌跡，讓讀者了解便攜式基帶設計的市場(chǎng)趨勢。 變遷軌跡 圖1 基帶功能推動(dòng)手機功能變遷 如圖 1 所示，手機已從簡(jiǎn)單的單語(yǔ)音功能發(fā)展成為帶有 MP3 或音樂(lè )鈴聲等大功率立體聲音頻的通訊工具。至于視頻功能，簡(jiǎn)單的低分辨率相機已經(jīng)過(guò)時(shí)，而高于 200 萬(wàn)像素相機已經(jīng)成為大多數中高端手機的標準功能。由于低功耗數字式廣播調諧器適合便攜式應用，帶有復合視頻輸出的手機將在市場(chǎng)強勢出現，從而滿(mǎn)足外部大型顯示器或者專(zhuān)業(yè)投影儀顯示等專(zhuān)業(yè)應用需求。 現代的手機設計都嵌入了 MP3 功能，對于數據路徑而言，傳統以 UART 為基礎的接口已不能滿(mǎn)足最終用戶(hù)的下載要求。因此，USB 1.1 全速 (12Mbp) 甚至是 USB 2.0 高速接口在帶嵌入式硬盤(pán)或可拆卸大型存儲器的 MP3 手機設計中越來(lái)越普遍。 純音頻開(kāi)關(guān)從高導通電阻遷移到超低導通電阻 響應圖 1 中手機功能的變遷，最初在手機設計中采用模擬開(kāi)關(guān)是由于大多數基帶處理器只有有限的音頻輸出端口，如圖 2 所示。那些低端處理器只有單語(yǔ)音輸出，通常需要進(jìn)行語(yǔ)音隔離將其分別接到聽(tīng)筒或者耳機中。相對于 32 歐姆的耳機阻抗，這些開(kāi)關(guān)通常具有大約 10 歐姆相對較高的導通電阻。開(kāi)關(guān)的插入損耗通過(guò)前置放大器級來(lái)補償。大多數應用中的控制電壓與開(kāi)關(guān)的 3V 供電一致。 圖2 便攜設計中模擬開(kāi)關(guān)應用功能的變遷 在節能及更佳的總諧波失真 (THD) 需求帶動(dòng)下，市場(chǎng)出現了 1 歐姆開(kāi)關(guān)，在 0 到 VCC 的輸入電壓之間具有平坦的導通電阻。對于免提電話(huà)等功能來(lái)說(shuō)，來(lái)自基帶處理器的語(yǔ)音輸出可以路由到耳機和內部的 8 歐姆揚聲器上。由于放大器置于開(kāi)關(guān)之后和揚聲器之前 (見(jiàn)圖 2)，在這些應用中 THD 規范遂成為關(guān)鍵因素，以減小信號放大失真。 隨著(zhù)大多數基帶處理器設計需要進(jìn)一步降低功耗，通用 I/O (GPIO) 數字接口需要提供更低的輸出高壓閾值電平 (VOH)。對于這種應用，該電壓可低至 1.8V。但是由于 MP3 手機具有大功率立體聲音頻的需求，開(kāi)關(guān)電源電壓可以達到 4.2V，或者直接由電池供電。因為控制電壓輸入高電平 (VIH) 與開(kāi)關(guān)電源電壓之間存在失配，設計要求增加額外的電平偏移變換器以減小靜態(tài)漏電流。這樣不僅增加了設計難度，還提高了材料成本。在這樣的便攜式應用中，非常需要能夠識別低控制電壓 (1.8V) 的模擬開(kāi)關(guān)。 由于正電源下，模擬開(kāi)關(guān)建議用于傳輸正電平信號，因此需要在開(kāi)關(guān)之后設置 AC 耦合電容器為耳機或接收器阻隔 DC 成分。同時(shí)，考慮到揚聲器的阻抗大約為 8 歐姆，而在 4.3V 電源下這類(lèi)應用中的音頻開(kāi)關(guān)一般擁有低至 0.35 歐姆的導通電阻，能夠進(jìn)一步降低高導通電阻開(kāi)關(guān)的插入損耗所帶來(lái)的功耗。 混合信號和高速數字信號切換 市場(chǎng)對于薄型滑蓋手機等小巧手機的需求強勁，低引腳數連接器設計對用戶(hù)而言十分重要。UART 或 USB 等數字信號將與音頻輸出共享連接器的引腳，如圖 2 所示。大多數音頻信號都需要耳機用的耦合電容，但是必需設置在開(kāi)關(guān)之前，這與上一節所述的應用不同。在這種情況下，開(kāi)關(guān)必須能夠在單邊正電源供電下接收負信號。此外，設計人員非常希望能夠擁有帶自動(dòng) USB 插入感測功能的開(kāi)關(guān)，以便節省 GPIO 硬件資源。當然，這些開(kāi)關(guān)允許設計人員使用手動(dòng)控制來(lái)進(jìn)行選擇，隨時(shí)強迫開(kāi)關(guān)轉向音頻通道。 當外部 USB 插入時(shí)，手機可以使用 VBUS 作為主電源而進(jìn)入節電模式。外部 VBUS 可以直接作為開(kāi)關(guān)的電源。為了在沒(méi)有外部 USB 插入時(shí)實(shí)現可靠的音頻切換功能，需要獨立的音頻通路電源。這個(gè)雙電源的特點(diǎn)與前幾代的單電源音頻開(kāi)關(guān)有很大分別。對于這類(lèi)混合信號切換產(chǎn)品，具有高帶寬 USB 通路和低導通電阻音頻通路的不平衡信道還具有特殊的應用功能。 此外，MP3 和 MP4 手機的快速下載功能需要具備 USB 2.0 (480Mbps) 的高速接口。在這類(lèi)設計中，全速 USB 器件將與閃存控制器等其它高速 USB 控制器共享相同的連接器D+/D- 引腳。為了兼容 USB 2.0 信號眼圖規格，使用具有超低斷開(kāi)電容的 2 位單刀單擲 (SPST) 開(kāi)關(guān)有助于隔離全速控制器的大輸出電容（包括斷頭線(xiàn)和傳輸線(xiàn)電容），如圖 3所示。 圖3 硬盤(pán)電話(huà)設計中高速USB開(kāi)關(guān) 未來(lái)展望 如圖 1 所示，隨著(zhù)在亞太地區，尤其在中國即將推出大量的 3G 應用，數據、音頻和視頻切換應用對專(zhuān)用開(kāi)關(guān)的需求潛力巨大，能夠縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。面對這些應用，需要大量具有小封裝、低功耗、優(yōu)良的電源抑制比 (PSRR) 和高信噪比 (SNR) 的開(kāi)關(guān)。模擬開(kāi)關(guān)正在從傳統的低吞吐量模擬音頻信號開(kāi)關(guān)轉移至混合信號路由/調整中央單元，而該單元是處理器真正關(guān)鍵的同伴芯片。在便攜式產(chǎn)品市場(chǎng)下一代講求纖細和美觀(guān)的產(chǎn)品設計中，開(kāi)關(guān)肯定是不可或缺的重要組成部分。 |
