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可攜設備及消費電子USB應用中的類比開關選擇

上網時間: 2005年02月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:bus switches  匯流排開關  Analog Switches  類比開關  Ultra-Portable Applications 

當進行可攜設備的設計時,工程師在選擇類比開關時必須特別關注RON、串擾、THD、頻寬、電荷注入、插損等參數。本文闡述了類比開關的工作原理以及選擇這種元件時對各種關鍵參數的折衷考慮。

圖1:理論上傳輸閘的合成RON特性曲線圖。

最近幾年,開關正進入PC、伺服器、筆記型電腦及擴展基座(docking station)應用等市場中,這隨後導致眾多晶片廠商大量推出各種‘匯流排開關’。這些匯流排開關之所以具有吸引力,是因為透過在應用中與(緩衝記憶體或記憶體中的)多工/解多工數據隔離或進行電壓轉換,在插入(連接)或斷開期間就很方便地將匯流排電容器與附加卡或設備隔開。大多數匯流排開關產品都是能處理奇偶或非奇偶應用數據通訊匯流排寬度的8、10、16、18、24或32位元元件。這些產品還被用於位元組交換、縱橫(交叉)路由及記憶體交錯等。匯流排開關一般被設計成單NMOS元件,且由於其雙向本質、低(或‘零’)傳播延遲(典型為250ps)、低電容器及低電流源要求而常常被作為緩衝器或收發器的替代元件。但單NMOS通道的缺點是,隨著源極電壓接近Vcc,閘極下面的漏-源區會逐漸被夾緊,因而限制電流供應能力並使輸出電壓箝位。但請記住,電流源是以驅動緩衝器為特徵,而開關並非天然就具有電流供應能力,它只想起簡單的‘連線’作用。其主要缺點是下降沿上的下衝,這會引起記憶體模組的假同步,但此問題由於‘下衝加固電路(UHC)’及類似技術的導入而被固定。

圖2:不同電源電壓範圍的典型Ron指標(FSA2257)。

筆記型電腦/PC繼續將開關用於多工應用,包括在視訊上重疊圖形(子母畫面)、MPEG數據流的切換(在串-並轉換後)以及隨後在視訊加速卡上不同監視器(TV、LCD、PC監視器)源之間的RGB數據再使用等。

最近幾年,消費者對具有多媒體與整合功能的特性要求已經在推動技術需求的發展,因此開關功能是視訊、圖形及音訊傳輸或處理過程中的一個完整組成部份。鑒於此,除簡單的RON及RFLAT特徵外,目前對‘開關’在串擾、總諧波失真(THD)、衰減及頻寬方面的指標要求也有了很大的提高。這推動了轉向類比開關系列產品。起初,人們只是簡單地將匯流排開關技術換成更小的數據位元寬,因為RON電阻、RFLAT及5V電源已經夠用。10至75歐姆以上的開關指標已經足夠,而且人們想用音訊放大器來設計系統,以便能驅動從數百至數千歐姆的揚聲器通路阻抗。功率並非必然是一個限制因素,在相對較高的放大器阻抗(>100k歐姆)中串聯10至75歐姆的電阻,對功率轉換或訊號衰減的影響很小,因為放大器增益會補償任何插入損耗。此外,相對較低的開關阻抗對非線性失真的影響也很小。

圖3:標準的頻寬標指標測試原理圖。

隨著手機及其它超可攜式產品的日益普及,用戶對更多功能的需求日益增加。包括照相、email、即時消息及網際網路存取在內的更強特性集有多條數據路徑需要控制。因此人們正採用整合度更高的基頻處理器、多處理器架構、定製ASIC及電源管理晶片組。這種整合反過來又壓低了電源電壓,要求類比開關既能在整個電源電壓範圍內工作,同時又不至於使RON(平坦度)、串擾、頻寬及總諧波失真等關鍵指標明顯下降。現在的趨勢是:低RON(1Ω以下),同時保證適當低的I/O電容器;低衰減和保證不同電壓時的平坦度。

超可攜環境中的關鍵設計參數

圖4:串擾與隔離度測試原理圖。

因此,當在超可攜空間內進行設計時,工程師在選擇類比開關時所必須回答的關鍵問題包括RON、串擾、THD、頻寬、電荷注入、插損等指標。在討論這些指標以前,先來了解一下類比開關的工作原理以及這些元件的折衷與限制因素。

類比開關由傳輸(或選通)閘(PMOS與NMOS並聯)組成,且基於半導體實體的固有特性,對於等效(匹配) RON,PMOS的尺寸大約為NMOS尺寸的兩倍。這意味著存在影響電荷注入指標的電容器失配(稍後討論)。圖2顯示對於傳輸閘,理論上單個元件與合成RON特性的曲線。

圖3顯示一種單刀雙擲(SPDT)類比開關(例如Fairchild的FSA2257)在不同電源電壓上所測得的合成RON。可看出,當轉向低電壓(1.8V)環境時,在RON中如何有適中的偏差(Δ),這也是為什麼在低電壓及低RON類比開關開發方面相當活躍的主要原因。

導通電阻與平坦度

圖5:開關應用與THD。

人們從直覺上可能會認為RON最低的元件會最好,但必須考慮的是具體應用在訊號擺動、可用電源與源/吸收電流方面的要求以及成本與封裝目標等。導通電阻在數據手冊中針對具體VCC、VIN(電壓輸入)及特定負載電流而指定。在電晶體級,RON為元件長度(L)、元件寬度(W)、電子與空穴遷移率((n、(p)、氧化層電容器(COX)、閘限電壓(VT)及訊號電壓(VGS)的函數。最佳情況是擁有設計成匹配的導通電阻以使RON位於訊號電壓中點的MOS元件。導通電阻平坦度(RFLAT)即表示RON隨著VIN在0V至VCC(或V-至V+)間變化而變化的情況,或者表示圖2所示的RON曲線的波峰與谷底之差。

若RFLAT指標較大,則表示PMOS/NMOS失配且合成RON曲線可引起隨輸入訊號變化的可變衰減,進而導致語音訊號失真。RFLAT仍將是合成RON最大與最小值之間的差。因此,製程技術與特性尺寸在選擇類比開關設計時非常重要。公式1及公式2表示如何運算圖2中的導通電阻曲線。

圖6:THD測試原理圖。

公式1:RON P=L/((p*Co*W(VGS-VT))

公式2:RON n= L / ( (n x Cox x W (VGS 求 VT ))

從以上公式,假設(p、(n、VT及COX固定,我們可看出,在低電壓環境下,閘-源電壓及寬度由於保持(或減少)RON而如何不符合我們的理想,因為當減少VGS時寬度必然增加,這反過來又會增加具有較高電容器的元件的周長。我們在設計時必須創造出既能有效增加閘極面積以減少通道電阻同時又使周界增加最小的電晶體。透過將RON減少至小於1Ω,我們還能運用該技術來直接(而不是透過放大器)驅動揚聲器(從32Ω直至8Ω)。這也暗示著電流吸收能力指標超過今天數據手冊上通常提供的100mA,因而能滿足揚聲器的功率轉換能力要求。

頻寬、串擾與隔離度

具有諷刺意味的是,頻寬指標幾乎沒有什麼意義,除非我們將串擾及隔離度指標與頻寬一起考慮。數百MHz的3dB頻寬很常見,但由於串擾及隔離度指標會以20dB/10的速度下降,故在高頻時它們將佔主要地位。一般而言,頻寬是針對1MHz的測試頻率而言,且為負載電容器的函數。圖4為一種典型的頻寬指標測試原理圖。

對於採用類比開關的視訊應用,人們一定會認為在1MHz頻率上擁有70dB隔離度的開關在100MHz頻率上僅擁有30dB的隔離度。同樣,當在1MHz頻率上擁有-90dB的串擾時,在100MHz頻率上僅擁有-50dB的串擾。串擾與隔離度是用來衡量開關通道與不用(或關閉)通道之間噪音的指標,且在指定頻率上測量。串擾是指類比輸入通道與另一通道之間的交叉耦合,且可以有兩種形式:鄰近通道與非鄰近通道。隔離度是指禁用通道輸入與輸出之間的耦合。這兩種參數都以dB表示,即公式3:20 Log10 (VOUT / VIN)。

隔離度通常以增益(VOUT/VIN)來表示,但有些數據手冊可能會將其表示為相對於VIN的衰減。串擾與隔離度會以20dB/10的速度下降。圖5顯示串擾與隔離度指標測試原理圖。

圖7:電荷注入測試原理圖。

插入損耗

插入損耗是指輸出訊號相對於輸入訊號的衰減,且為負載與系統環境的函數。故它是一項必須明確了解且由環境確定的指標,因為它隨負載與板設計變化可能會影響到整個系統性能。如圖2所示,在運算插損時,公式變為:插入損耗(dB) = 20 Log10 ( 1 + ΔRFLAT / RLOAD) (E7)。

請注意,我們這?使用了ΔRFLAT而不是RON,因為那是開關在那部份合成電阻中工作的最壞情況。從理論上講,我們是想擁有真正匹配元件的谷點。由於插損還是電路板與系統環境的函數,故在插入開關以前透過測量該環境的插入損耗而將其考慮進去非常重要。例如,您可能擁有在1MHz頻率上測得的特定插入損耗,然後發現開關在更高頻率上具有更大的衰減並認為這是開關的特徵,但這可能是電路板設計帶來了大部份衰減。插入損耗也可用圖5右側所示隔離度的方案來測試。

總諧波失真

從概念上講,總諧波失真也是一種插損,但它被定義成類比訊號在諧波方面的失真,且以百分比而不是以dB來表示。因此,RFLAT及結電容器仍是引起THD的主要因素。圖6及公式4與公式5給出開關如何導入失真(THD的函數)。

公式4:VOUT = (1 Vp sin((t) + (2 Vp sin(2(t) + .......+ (n Vp sin(n(t)

其中,VIN = Vp sin (t)

公式5:THD = [ ( ((22 + (32 + ....+(n2 ) / (1 ] x 1

圖8:採用SP3T FSA3357類比開關的典型USB應用。

00%

換言之,THD是諧波係數與基本係數平方和之比的均方根值。這些係數同時也是流經類比開關的訊號電流的函數,因此又是RFLAT/RON值的函數。作為一階近似,由於RFLAT(0.1 x RON,故:

公式6:THD ( (0.1 x RON / RLOAD) x 100%

但隨著我們轉向低RON開關,電容器開始變得更佔優勢,且當我們開始在視訊領域使用這些開關時,它便成為我們所測得的主要阻抗(電抗)。圖7顯示THD指標測試原理圖。

電荷注入

電荷注入與類比開關在開關期間的失配寄生電容器及其對輸出訊號完整性的貢獻相關。由於這種失配,當開關接通時,PMOS與NMOS的閘-漏電容器會將不同程度的正負電荷耦合到漏極中。當開關打開時,輸出端電荷便有效地透過開關導通電阻放電。當開關切斷時,所耦合的電荷便會通過閘-漏電容器而增加至輸出中,且由於開關現在為高阻抗,故輸出負載必須儲存該電荷直至開關再次打開。對於低頻,隨著注入電荷在下一次開關轉換以前泄漏,人們可能會看到在輸出上出現正負假訊號。有人可能會將分離電容器置於晶片上的NMOS閘-漏之間,以減少電容器失配,但這也只能補償一部份特定頻率及輸入電壓。實際上,注入電荷為開關通-斷時間與CLOAD的函數。為減少電荷注入效應,可增加CLOAD(Q=C x V),但這也會減少頻寬。重要的是須記住,電荷注入會隨源電壓而改變,而數據手冊一般規定均為Vsource = 0,因為在其它電壓上,對於單個元件,漏-源電容器會隨通道變化而改變(公式1及公式2)。圖8顯示電荷注入指標測試原理圖。

因此在今天的超可攜市場中,如果工程師在設計未來特性集時想保證有良好的訊號完整性、優異的立體聲、最佳的功率轉換、更小的封裝以及良好的隔離,則他必須考慮很多對立的變量,因為數據手冊並不總是能給出元件在實際應用所處頻率上的性能。

對類比開關以上所有參數及其來源的了解,將使您能做出正確的工程決策。圖9所示架構圖給出了一種典型的USB應用,其中類比開關能扮演一個創新的角色。

作者:Graham LS Connolly


應用/定義工程師


Email:graham.connolly@fairchildsemi.com


Fairchild公司IC部門





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