宽带视频开关应付高分辨率视频设计的挑战

出自:www.apacsource.com

 

作者：飞兆半导体技术市务主任工程师鞠建宏 (Jeff Ju)

 

1.  引言

 

消费电子市场见证了显示设备的功能性融合，如 LCD 电视和多功能 LCD 显示器等。这些高档产品型号大多数都支持双端甚至多端元件输入，包括 PC RGB 及来自 DVD播放器等外部设备的逐行 YPbPr 输入。LCD 显示器不再是单纯的桌面显示设备，而是配有多个模拟输入的智能装置，并具备潜在的画中画 (PIP) 功能，让用户在观看电影的同时在同一显示器上进行电脑输入的工作。

 

此外，随着 PC 和消费电子产品趋向 HDMI 或 DVI 数字 I/O 发展，宽带差分模拟开关在路由数字视频信号以降低硬件成本方面起着关键的作用。本文首先分析带宽要求方面的设计挑战，之后会对笔记本电脑设计和 LCD TV 设计及其参考电路等应用进行研究。最后，本文会在加快 PCB 布局和减少噪声及抖动等方面给出设计上的建议。

 

2.  高清晰度视频设计挑战

 

鉴于计算机 RGB 元件输入转移至 LCD TV 设计中，设计人员遇到了信号完整性问题的挑战，例如高分辨率信号的下冲、上冲和边缘失真等。图 1 所示为典型 LCD TV 模拟前端视频处理结构，并带有视频开关，用于选择从计算机 RGB 输入或高分辨率 YPbPr 输入，以共享同一个视频 ASIC，从而降低成本。对于分辨率低于 XGA的传统 RGB 信号，RGB 信号带宽一般小于 30MHz。具有300MHz （-3db ） 带宽的模拟开关是这类应用的理想选择。但是对于 UXGA 和 QXGA 等高分辨率显示器，要达到最好的视频效果，视频开关在系统容性负载条件下的最低带宽要求为 >400MHz (或更高)，以便将低至中频范围的非线性频率失真减至最小。而很多高分辨率 RGB 视频信号都处于这一频率范围内。较小带宽会导致 AC 增益在这个频率范围内造成较大波动。这也可通过差分增益和相位等系统规格参数来体现，而这正是色彩饱和及色调变化的直接原因。

图1：宽带视频开关可将 PC RGB 信号上行路由至 QXGA 分辨率

 

在图 1 所示的典型 LCD TV 设计中，A/D 转换器在图像稳定性方面也起着重要作用。在每个象素时间内，模拟输入视频信号必须在幅度变化时进行平定。在 A/D 转换器中锁相环电路所生成的象素时钟采样之前，模拟视频信号必须平定到稳定值。对于高分辨率视频显示，难题在于整个采样周期时间变得更短。为了获得更加稳定和可靠的图像，平定时间必须更短。影响平定时间的一个主要因素是物理视频信号数据路径的带宽。图1的宽带视频开关具有最小的导通电容，能避免在视频数据路径上增加平定时间。

 

在高分辨率视频设计中，除了带宽问题外，鬼影对于大多数设计人员来说是另一项挑战。嵌入到大多数视频亮度信号和绿色信道 (SOG) 的 SYNC 脉冲通常具有-300mV 的数量级。对于每个元件视频信号带三级 SYNC 的高分辨率元件视频来说尤其如此。以图 1 的应用为例，YPbPr 输入关闭，RGB 输入导通并被路由到 A/D转换器输入。在理想情况下，DVD 视频输入 (YPbPr) 应该被阻止，但对 RGB 信道却没有什么影响。这在常见的视频开关数据表中称为“关闭隔离”。

 

但是，在一些 LCD TV 设计中，设计人员会遇到从 DVD 信道耦合到 RGB 信道的鬼影问题。真正的原因在于关闭信道并非完全关闭，这是受到开关内 NMOS 器件的子阈值影响。当 SYNC 峰值接近 -500mV 时更是如此，使得内部 NMOS 器件很难完全关闭。解决方案之一是将 AC 耦合输入视频开关，然后用 DC 恢复以便提升峰值电压高于接地水平。在图 1 中，只有 Y 信道具有DC 偏置，但是设计人员在需要时也可直流偏置其它元件视频输入。由 AC 耦合电容和电阻分压器网络形成的高通滤波器带宽必须比视频信号的最小频率低得多 (>10)。

 

图 2 是高带宽视频开关在笔记本电脑设计中的另一种应用。来自 DAC 的模拟 RGB元件视频输入需要驱动两路显示，一个是通往常见的 VGA 连接器，另一个则通往笔记本电脑坞站。在大多数模拟视频设计中，都会采用可选的 EMI 滤波器来减少磁辐射及滤除来自 D/A 转换器的噪声。但是，EMI 滤波器和 ESD 保护器件会为开关带来高容性负载。这个额外电容、迹线电感及视频开关导通电容混合在一起，将导致视频信号路径的带宽降级。这对于分辨率高于 UXGA 的 PC RGB 信号亦然，因为在高容性负载条件下它需要最少 400MHz 的带宽才能实现最佳信号边缘。

 

此外，不幸的是较低带宽总伴随着缓慢的上升时间，这对视频分辨率至关重要，尤其是高分辨率内容。在这类应用中，具有最低导通电容和高带宽的视频开关可节省用于 EMI 滤波和 ESD 保护器件的容性预算，特别是对于 UXGA 和 QXGA 模式等高分辨率视频信号。

 

飞兆半导体新发布的 1.1GHz 视频开关特别适用于这类应用，不但能够所有上述的好处，而且可维持视频信号边缘及降低插入损耗 (75 欧姆负载的典型值为-0.6db)。飞兆半导体 FSAV430 提供的串扰性能达 -75db，这使得活动信道之间的视频干扰微不足道，特别是边缘速率快的高分辨率视频。由于该器件的高线性行为，其差分增益小于 0.2%，差分相位小于 0.1 度。视频开关较小的差分增益和差分相位对于减低色彩饱和变化对亮度的依赖非常重要。

图2：宽带视频开关提供充足的带宽空间，能以最小的边缘失真路由高分辨率视频信号

 

随着 DVI 和 HDMI 接口等高速数字视频连接在消费电子应用中出现，典型的四对差分信号 (TMDS) 被用于传输甚至没有压缩的数字视频信息。这为高吞吐量模拟开关在数字视频引脚共享等应用中的使用创造了机会。高带宽开关可路由具有更高帧速率的画面，有助减少视觉噪声。由于其超低功耗特性 (1uA 静态电流)，高带宽模拟开关可广泛应用于便携式和手持式设计，如便携式 DVD 设备和笔记本电脑，其高分辨率视频信号路由的功耗比典型的有源差分开关低得多。在这些设计中，附加抖动、脉冲偏移及信道至信道偏移是接收器端时钟恢复电路的关键参数。鉴于一般的模拟开关都是基于通栅结构设计，抖动的主要来源是信道间导通阻抗的不匹配，这会导致信道至信道偏移以及来自上升和下降边缘的确定性抖动。在这类应用的高吞吐量信号路由设计中，边缘速率的选择需要作出折中。差分信号的快速边缘速率通常对应于较小的确定性抖动，原因是上升时间更短。但这在反射等传输线路效应方面会对开关带来挑战。

 

此外，快速上升边缘速率需要宽带开关，因为低带宽可能导致边缘的某些高频部分丢失，从而减慢边缘。相反地，慢边缘具有相反效应。为了减低这些设计难度，最理想是使用同时具有高频带及低 RC 延迟的开关。换言之，模拟开关具有低导通电容、合理的导通电阻及宽 -3db 频带是市场上最理想的选择。开关导通电阻的选择标准与噪声的减少有关。高导通电阻会引致信号幅度衰减及噪声容限的降低。例如，对于高速 LVDS 信号切换，典型的 LVDS 驱动器具有 350mV 的输出波动。开关的10 欧姆导通电阻在 50 欧姆迹线环境下会引起 17％ 的信号振幅损失。这意味着它会对阈值 100mV 的LVDS接受器来讲降低了 24％ 的噪声容限。因此，导通阻抗越低，噪声容限越好。最后，对于具有高边缘速率和波动幅度的高速伪随机数据输入，低带宽直接对应于依赖数据模式的相位抖动的增加。较高的相位抖动可能引起位误差及眼模的失败。图 3 是飞兆半导体新型视频开关 FSAV430 (1.1GHz -3db带宽,导通电阻常值为5欧姆) 的输出眼图，输入为 1.4Gbps TMDS PRBS 和 1Gbps LVDS 信号。TMDS 输入的附加相位抖动只有 66ps 峰值至峰值，LVDS 输入则为 38ps，而其静态电流消耗只有 1uA。这对于采用电池供电的笔记本电脑或便携式 DVD 播放器至关重要。该开关的功耗也比市面上大多数其它基于充电泵方案的宽带视频开关低得多得多。通常需要两片FSAV430来切换四组TMDS或LVDS差分信号。

a)     TMDS输入(1.4Gbps) 的输出眼图

b) LVDS输入(1Gbps)的输出眼图

图3：FSAV430 用于路由高吞吐量差分信号

 

3.  设计建议

 

对于应用 1 和 2 中的模拟设计，除带宽外，差分增益和差分相位规格对大多数视频设计人员也很重要。事实上，差分增益与模拟数据路径的线性度有关。为了改进模拟开关的线性度主要体现在导通电阻阻值水平化方面，在接近模拟开关VCC 电源引脚处安置 0.01uF 和 1uF 的去耦电容十分重要。邻近视频信道间顶部的楔形接地铜线对于改善关闭隔离及串扰性能十分有效。为了减少对迹线特征阻抗的影响，接地铜线到活动信号之间的距离必须大大长于信号到地面层的距离。对于视频信道上带 EMI 滤波器的应用，重要的是将驱动器和连接器之间的迹线长度减至最少，还要让终端匹配电阻尽量接近连接器，从而将反射降至最少。最短的迹线长度有助于维持视频数据路径带宽。当然，视频数据路径上的阻抗匹配对于优化返回损耗也很重要。对于数字视频信号路由，除以上建议外，信道至信道偏移对于减少确定性抖动也十分关键。差分信号除了要求在数据路径上具有相同的寄生容性负载外，也需要同样长度的布线。对于单位脉冲宽度比较小的高分辨率数字视频信号来说，相位抖动性能变得越来越重要。为了减小位错率，视频数据路径上每个组成部分的相位抖动预算也变得更紧。

 

4.  总结

 

随着视频显示转向更高的分辨率及更大的屏幕，尤其是更高的帧速率，宽带模拟开关在 LCD TV、DVD-RW 和机顶盒的应用越来越广泛，因为它可以通过共享连接器或硬件来降低成本。这对于消费电子应用及计算机来说特别重要，因为 LCD 显示器已逐渐演变为多功能终端设备，同时带有 PC RGB 和逐行 YPbPr 信号输入。此外，对于模拟前端或后端元件视频 I/O，宽带模拟开关可减少高分辨率视频信号的非线性失真，特别是有 EMI 滤波器时，对于分辨率高于 UXGA 的 RGB 信号更是这样。总的来说，具有低导通电阻和导通电容的宽带模拟开关将更加普及地应用于未来的显示应用中，不但可进一步降低 BOM 成本，而且为设计人员提供产品更新的结构设计灵活性。

 

 

 

作者介绍:

飞兆半导体公司技术市务主任工程师 鞠建宏

鞠建宏于2001年1月加入飞兆半导体公司，肩负双重任务，除了担任该公司开关产品线的技术市务主任工程师外，还于飞兆半导体在中国的信号路径模擬产品部技术市场战略小组中担当举足轻重的角色。

鞠建宏在系统和硅芯片领域拥有超过7年丰富的设计经验。加入飞兆半导体前，他原于M/H 环境工程公司中国区任职首席电气工程师和项目代表。

鞠建宏曾针对高速接口电路设计撰写、联合撰写和发表过多篇相关的技术文章。

鞠建宏持有中国江苏省南通工学院的电机工程学士学位，以及美国宾姆厄顿State University of New York的电机工程硕士学位。他能操流利的英语和普通话。

 

(编辑:张迎辉)