面向便攜式USB設(shè)計(jì)的寬帶模擬開關(guān)
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引言
隨著在pc主機(jī)與便攜式設(shè)備（如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等）之間快速上傳和下載需求的不斷增加，通用串行總線(usb)接口已成為終端設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕涌凇Ｓ绕涫菍τ诳膳恼帐謾C(jī)與打印機(jī)之間無須pc介入的直接接口，usb
otg更起著重要作用。在講求美觀設(shè)計(jì)的驅(qū)動下，采用小巧的連接方式（如微型 ab usb連接器）取代了過去笨拙的耳機(jī)連接器?；谶@種應(yīng)用，在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等高端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，廣泛采用高寬帶模擬開關(guān)，用作usb線和外部耳機(jī)間的引腳共享。
應(yīng)用研究
為了滿足usb外設(shè)間的直接接口要求，高端手機(jī)設(shè)計(jì)如基于cdma2000的高端手機(jī)平臺都采用了usb otg。新的協(xié)議nhp使手機(jī)既可作為主機(jī)，又可作為外設(shè)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與打印機(jī)間的直接相連，數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)12 mbps，比串行i/o口（如uart）的速率更高。為了維護(hù)和線纜連接方便，典型的設(shè)計(jì)中仍然保持uart輸出，通過使用高寬帶模擬開關(guān)在usb和uart功能之間進(jìn)行切換。同樣，源于外形美觀設(shè)計(jì)的要求，模擬開關(guān)也可以用來實(shí)現(xiàn)usb i/o口和音頻耳機(jī)輸出之間的引腳共享。通過這種共享，笨拙的耳機(jī)連接器可以被小型的串行數(shù)據(jù)i/o口代替，以實(shí)現(xiàn)更小的設(shè)計(jì)，如圖1所示。
除引腳共享外，模擬開關(guān)還可廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)計(jì)中usb總線的上拉控制。如圖2所示，當(dāng)vbus供電電壓被斷開后，到d+的上拉電阻(1.5
k )應(yīng)在10秒內(nèi)與3 v終端斷開。在vbus導(dǎo)通時，開關(guān)應(yīng)以極小的導(dǎo)通阻抗提供最少的衰減，以便降低功耗及dc壓降。飛兆提供的1 模擬開關(guān)(fsa1156)的截止漏電流可低至20
na，并提供8 kv esd (hbm)總線保護(hù)，因而特別適合這類應(yīng)用。
圖3顯示了模擬開關(guān)的另一種應(yīng)用，即用于數(shù)碼相機(jī)(dsc)或手機(jī)等便攜式設(shè)計(jì)的總線隔離。這種隔離可保護(hù)內(nèi)部asic免受外部噪聲干擾。此外，對于帶usb
otg接口的高端便攜式設(shè)計(jì)，usb phy與外部世界的隔離可進(jìn)一步減少兩用（dual-role）設(shè)備之間(如兩部手機(jī))觸發(fā)錯誤會話請求協(xié)議(srp)脈沖的潛在危險。在這類應(yīng)用中，當(dāng)串行總線被切斷后，便需要卓越的截止隔離功能。若數(shù)據(jù)總線被激活，則需要模擬開關(guān)提供高帶寬性能以減少確定性抖動。雙重單刀單擲(spst)開關(guān)fsa1256具有300
mhz帶寬，提供 70 db截止隔離性能，可以全速通過usb 2.0而無明顯邊緣失真，因此特別適合于這類應(yīng)用。其超小型micropak封裝僅占用2.56
mm2的pcb面積，專門針對空間要求嚴(yán)格的便攜式設(shè)計(jì)而優(yōu)化。
usb模擬開關(guān)的選擇
除了以上應(yīng)用外，現(xiàn)進(jìn)一步探討開關(guān)規(guī)范和整體系統(tǒng)信號完整性之間的關(guān)系。大多數(shù)便攜式設(shè)計(jì)現(xiàn)在仍采用12 mbps數(shù)據(jù)吞吐量的全速i/o。數(shù)據(jù)信號的上升和下降時間由4 ns至20 ns不等。當(dāng)此低邊緣的信號(20 ns上升/下降時間)經(jīng)過開關(guān)時，可看到信號從低到高幾乎全軌的慢慢轉(zhuǎn)變。當(dāng)信號通過開關(guān)后，信道導(dǎo)通電阻(ron)將被電壓瞬態(tài)輸入所調(diào)制，并且可能由于導(dǎo)通電阻的變化而引起相位延遲差異。這一差異隨后會導(dǎo)致相位抖動，因此需要帶有低導(dǎo)通平滑阻抗（rflat(on)）的模擬開關(guān)。但是，過于強(qiáng)調(diào)平滑性會誤導(dǎo)設(shè)計(jì)者。事實(shí)上，較低的導(dǎo)通阻抗和阻抗平滑性會導(dǎo)致更高的導(dǎo)通電容，從而降低開關(guān)帶寬。低帶寬的模擬開關(guān)對于全軌變動的快速上升/下降時間信號可能會帶來更多的確定性抖動。因此必須考慮偏移和帶寬之間的折衷。fsusb11開關(guān)具有350 mhz帶寬，并提供良好的偏移性能(典型值為150 ps)。
圖4顯示了工作于12 mbps全速模式下usb開關(guān)的ac波形，其附加抖動只有1.25 ns(峰值至峰值)。usb開關(guān)對單位間隔抖動的影響低于2％，而且不會影響驅(qū)動器邊的抖動預(yù)算。超低ron平滑 (0.2 )和差分信道阻抗有助于減少傳輸延遲差異，并最終將確定性抖動減至最小。傳輸延遲很小，這對d+和d 線的偏移影響可以忽略不計(jì)。得益于這一超低ron平滑，上升和下降時間的不對稱性僅限于usb規(guī)范的10％之內(nèi)。fsusb11便非常適合這類應(yīng)用，如圖4所示。
線路板布線建議
在對usb信號進(jìn)行布線時，設(shè)計(jì)者可使用一些布線技巧來加快pcb設(shè)計(jì)進(jìn)程。首先，差分信號的跡線長度差異必須減至最小，以優(yōu)化信道間的偏移，從而降低確定性抖動。
此外，開關(guān)必須放置在靠近usb驅(qū)動器輸出的地方，作為驅(qū)動輸出的集總負(fù)載。這一安排有助于減少反射或逆程損耗，并且提高emi性能。usb驅(qū)動器和連接器之間的跡線長度應(yīng)減至最少，以獲得最好的信號完整性，否則跡線感應(yīng)可能會與模擬開關(guān)的導(dǎo)通電容一起降低數(shù)據(jù)路徑的帶寬，使信號邊緣惡化，引起更大的附加抖動。為了減少靜態(tài)功耗，建議采用選擇性控制信號在0至vcc間切換。除了在四層設(shè)計(jì)中電源和接地之間的自然去耦電容外，額外的去耦電容(1 f和0.1 f)也需要放置在靠近usb開關(guān)vcc引腳的地方，以期獲得更好的導(dǎo)通阻抗平滑和較低的附加抖動。
結(jié)語
隨著便攜式設(shè)計(jì)對usb功能需求的增加，具有高esd和截止隔離性能的寬帶模擬開關(guān)正廣泛地用于pda、手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等應(yīng)用中，在提供可靠性能的同時，也正實(shí)現(xiàn)著更具吸引力的輕巧設(shè)計(jì)。通過小型連接器降低外部引腳連接的發(fā)展趨勢，將進(jìn)一步驅(qū)動模擬開關(guān)在這類設(shè)計(jì)中的使用。與pcb可靠連接的微型封裝如micropak等，更為pcb空間受限的便攜式應(yīng)用帶來更多的優(yōu)勢。
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