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隨著機頂盒的設計加入更多新興功能，如作為錄象程序的硬盤、緊湊型閃存接口和視頻點播 (VOD) 機器，模擬開關在這類應用中繼續得以廣泛采用。選用正確的開關，設計人員不僅能縮短產品面市時間來改善設計，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，適當的開關還有助于減少材料清單 (BOM) 的成本。本文將探討模擬開關在不同類型機頂盒應用中的作用，并闡述如何利用正確的開關來降低設計復雜性及元件成本。 應用例子 IP 數字機頂盒 隨著終端用戶對視頻點播和VoIP服務的需求不斷增長，高吞吐量的視頻流線路將通過互聯網網絡如DSL或線纜調制解調器來操作。圖1所示為簡單的功能框圖，說明寬頻帶模擬開關如何可在IP 機頂盒設計中應用，輕松地將進入的100Base-T 以太網連接進行路由。與此同時，該開關還提供高度靈活性，將10/100 Base-T 以太網信號向另一個以太網RJ-45接口回送，因而允許終端用戶方便地從機頂盒的前端存取以太網功能。由于100Base-T電纜每對雙絞線通常都有100Mbps的帶寬，開關的頻帶只要大于100 MHz -3db便適合這類應用采用。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對之間的相互干擾非常重要。這里模擬開關的關鍵作用是去除RJ45接口未連接PC時產生的懸接跡線，以及其它接頭寄生電容，從而改善回波損耗。 帶個人視像錄制功能 (PRV) 的機頂盒 帶個人視像錄制功能 (PRV) 的機頂盒已被終端用戶廣泛應用，以便在離家或觀看其它電視節目時錄制所喜愛的電視節目。一些機頂盒設計甚至有多個RF輸入來同時接收不同的電視節目，使到用戶可以在觀看一個節目時，能更方便地錄制另一個。這類應用傳統上都是采用較昂貴的繼電器，在兩個RF調諧解調器輸出 (CVBS) 之間進行切換，該兩個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。由于今天及未來的市場對纖巧和流動的設計需求日增，較佳的解決方案如采用較小型封裝的模擬開關自然受到歡迎，理論上還擁有可進行無限次切換的長久壽命。圖2所示的單刀雙擲 (SPDT) 低歐姆視頻開關非常適合這類應用。由于大多數CVBS的帶寬小于7MHz，基于CMOS技術建構的典型模擬開關便非常容易達到要求。在這類應用中選擇適當的視頻開關的重要標準，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。飛兆半導體最近推出的FSA4157開關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。由于無需在應用中外加ESD保護二極管，因為開關就放置于視頻RCA連接器的邊緣，因此能進一步減低BOM成本。 圖1 用于IP機頂盒中能改善以太網信號回波損耗的模擬開關 當然, 錄制大容量的信息需要嵌入存儲器如硬盤驅動器 (HDD)。一般來說，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需求而采用雙硬盤驅動的設計中，16位SPDT開關可用來實現主硬盤和次硬盤之間的切換。總線開關在這里可用來將硬盤從ASIC中隔離出來，使到設計人員擁有高度的靈活性，所提供的產品可帶或不帶硬盤。與此同時，隔離硬盤還可保護內部控制器不受外部ESD靜電損害。當然，在這類設計中，用5V驅動的總線開關必須要有足夠的帶寬 (-3db) 來通過高速ATA數據流。事實上，這對于以CMOS技術為基礎的一般總線開關并不構成問題，其內部開關信道僅采用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 隨著機頂盒向高清晰度 (HD) 視頻輸出格式發展，720p/1080i甚至更高分辨率如1080p格式正在消費電子市場上出現。有些視頻驅動器即使在DC耦合的情況下如雙SCART輸出，也可以驅動雙視頻輸出。通常，在一個時間只有一個輸出連接進行顯示，另一個則作為浮接。浮接輸出會嚴重影響HD的視頻信號圖象效果，即是因為傳輸線路在視頻驅動器接口端未終接而產生邊沿失真及/或過沖失真或下沖失真等。幸運地，寬頻帶視頻開關能夠解決_個設計問題，當視頻輸出不用時便會切斷其掃跡 (如圖2所示)。由于高清晰度模擬視頻信號具有很快的上升/下落時間，因此開關必須要有足夠的帶寬信號才能通過。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鐘的時段比標準清晰度視頻時鐘短很多。同時，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，視頻開關具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) 中的非線性失真。開關的帶寬越高，產生的失真越小。 圖2 數字PVR機頂盒中的標準/高清晰度視頻開關 帶外部存儲的機頂盒 除了嵌入式硬盤外，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品中，包括手機和數碼相機等，以滿足不斷增加的市場需求。未來的機頂盒也會具備足夠的智能，以讀取這些存儲設備及驅動電視來顯示數碼相機照片。如圖3所示，在這類應用中，一般機頂盒的核心CPU USB輸出會與嵌入式或可移動存儲控制器共用同一個接口，以便與PC機通信。這里必須使用寬帶寬的高速USB開關來克服設計中的難題，原因有兩個：首先，高速USB 2.0信號具有很快的上升/下落時間 (500ps)，這就要求開關能切斷所有無用的掃跡，從而將反射信號減至最少，同時改善符合性測試所要求的開眼 (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減小電勢的波動。 選擇正確的開關來減低BOM成本 模擬開關除了能解決上述設計難題外，在某些應用中采用適合的開關還能協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電視的復合視頻輸出如CVBS。當機頂盒處于待機狀態時，其它外部的視頻源如VCR或DVD播放機等也可直接驅動電視。在這些應用中，雙74VHC4053器件會用來進行機頂盒音/視頻編碼器輸出與VCR/DVD播放機A/V輸入之間的切換，以便共享一個顯示器。74VHC4053的一個主要缺點是其導通阻抗高 (高達100歐姆)，如果將開關輸出直接連接到電視上，將造成視頻亮度損耗。通常采用一個簡單的緩沖 (如用分立的NPN元件) 便可將開關從電視側的75歐姆端接電阻隔離開來。 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，以及用于穩定DC偏置電壓的鐵氧體磁環，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關，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/視頻開關能降低機頂盒設計的BOM成本 結語 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和視頻點播。未來的設計將廣泛地采用高性能模擬開關，以加快產品面市時間。專用的寬頻帶視頻開關能提高信號的完整性，協助設計人員解決高清晰度的設計難題。除了能通過在視頻輸出之間共享連接器來減低傳統的 BOM 成本外，更高性能的視頻和以太網開關將有助于減少外部分立元件的數目，進一步降低BOM成本，并能節省PCB空間。機頂盒市場是另一個具龐大增長潛力的區間，尤其是在中國。隨著中國的國家廣播電影電視總局已定下2015年全面實施電視系統數字化的目標，這個市場將更具吸引力。高清晰度視頻格式和低成本通信 (如VoIP) 的發展，也會為區內的機頂盒和專用開關市場帶來巨大的推動力量。 |
