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平面显示器所需的类比开关性能
 

【作者: Jeff Ju】2004年05月05日 星期三

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与传统的CRT显示器相比,以LCD技术为基础的平面显示器和电视机由于重量较轻和尺寸较小,愈来愈受消费者所欢迎。虽然以DVI TMDS或LVDS为基础的数位介面最近终于进入市场,类比视频界面如RGB、S-video和CVBS在一般LCD TV和电脑LCD显示器中仍然非常流行。类比开关正广泛用于这类应用中,以有限的类比输入通道,为解码器和定标器多工传输视频信号源。


最近有许多发表文章都关注于在CRT显示器或类比电视之间传送类比RGB资料,由于信号频宽不同,它们对LCD平面显示器的类比开关要求也不一样。对于传统的显示应用,导通(On)电阻等DC规格较频宽和关断隔离等动态规格更为重要。然而,这对于所有视频应用并不是全然正确。本文将探讨类比开关应具备何种性能,以使LCD TV或LCD显示器设计达到最佳化。


主要规格

导通阻抗

一般用于视频图形的类比输出晶片,如RGB RAMDAC,提供用于RGB资料的电流输出,并经由终端电阻转换为电压。对于诸如RS-343A 和 RS-170等视频标准来说,全程类比RGB输出电压通常小于1V(RS-343A视频格式为0.714V、RS-170视频格式为1.0V)。这就意味着RAMDAC可以RS-170视频格式,将高达26.66mA的电流输送到37.5 ohm的负载,如(图一)所示;这通常要求类比视频开关能够处理高于26.66mA的直流电流,使其能够直接与RAMDAC介面。在图一中,源端电阻RS与远端电阻RT均用来吸收反射,以维持视频信号的完整性。


《图一 一般RAMDAC输出负载配置》
《图一 一般RAMDAC输出负载配置》

导通电阻(RON)通常由​​特定电流负载(NTSC标准电流负载通常为13mA 或 26mA)的特定输入电压来决定。当与RAMDAC输出直接互连时,高RON值开关会违反最大允许输出条件(通常为1.4V),从而引起RAMDAC输出干扰。此外,高导通电阻还会生产未聚焦或不正确的彩色图像,通常称为“鬼影”(ghosting)。校正鬼影一般需要添加额外的增益级,因此会增加制造产品的成本,并使设计变得更为复杂,特别对于短距离连接。


由于大多数RGB资料的类比电压水平为0V至1V,类比开关应在此范围内提供较小的导通电阻。但是,过分强调低导通电阻会误导视频设计人员,因为较低的导通电阻通常隐含较高的电容,令到频宽较窄,可能会削弱视频信号边缘并影响显示的清晰度。对于LCD显示器应用中带有D-Sub连接器的普通RGB视频开关而言,300MHz的-3db频宽连同3 ohm的典型导通电阻,是显示清晰度和亮度最理想的规格。


差分增益/差分相位

差分增益和差分相位是视频开关如何因应不同DC电平,如RS-170格式下的0V至1V的输入偏置而不同程度地削弱信号的技术参数。在实际应用中,它指的是不同亮度水平下色彩幅度变化的状况。该指标与通常处于0V至1V输入信号范围内的Ron平坦度有关。为了正确显示不同饱和度的色彩,系统当然需要较低的差分增益。在不同偏压条件下,视频开关的导通电容(CON)变化越小,差分相位也越小,获得的色调将更好。差分增益与差分相位通常使用NTSC标准的3.58MHz彩色副载波频率及PAL标准的4.43MHz彩色副载波频率来测量。


关断隔离

关断隔离(off isolation)规格基本描述通道关闭时多余信号通过通道的状况,它通常透过输出与输入之间的db值来表示。关断隔离与内部MOS元件源极和漏极之间的结合点电容直接相关,并与内部开关电晶体所用材料及尺寸有着密切的关系。对于大多数幅度低于1V的类比视频信号,仅有NMOS电晶体设计的开关通道可以满足这类应用的要求,具有最小的寄生电感和宽频宽。此外,虽然某些标准开始转向较低的电源电压,5V电源仍可轻易地从系统里取得。


根据显示器解析度的不同,在某些信号频宽较高的高解析度显示器中,视频信号从黑变白的上升时间可以快至2ns或更短。在理想状况下,如果开关关闭,这个信号将被阻断。由于漏源极之间存在通道耦合电容,某些高频能量可以流通 ((公式一)),成为有源视频信号的干扰杂讯。经由在每隔一个相邻引脚之间布置接地铜线,可以改进关断隔离性能。对于引脚间距非常小的封装,可在迹线之间插入楔形铜线,但是如果接地铜线放置在顶层,建议顶层接地铜线和迹线之间的空间必须远远大于迹线和内部接地平面之间的距离。这将减低由于存在额外电容负载 ((公式二)) 引起干扰受控迹条特性阻抗的风险。对于应用中具有快速上升或下降时间的视频开关,建议10MHz 条件下测试的关断隔离至少为 -60db,以减少两个视频源之间的干扰。


《公式二》
《公式二》

串扰

这里讨论两种串扰,一种是相邻引脚之间的串扰,另一种是非相邻通道串扰。传统的相邻串扰可定义为在单位切换范围内相邻引脚之间的串扰;这个规格的测试通常是向导通通道注入信号,并使用网路分析仪来监控关断通道。非相邻通道串扰则定义为当一个通道投入运作时,会对受干扰的导通通道带来有害的干扰;这种串扰是为通道至通道串扰。两类串扰均会在视频通道之间引起鬼影杂讯。在关断隔离部分,采用在两个相邻引脚间插入楔形接地铜线的方法,而减少通道之间耦合共有电容的设计,可有效改善相邻和非相邻的串扰。


设计范例

(图二)为一LCD TV视频开关设计范例;输入可以为SCART RGB信号连同带有定时资讯的CVBS信号。类比视频开关用于在两个RGB资料线对或Y/C视频输入线对之间进行切换,以分享定标器或解码器的相同输入。根据所用解决方案,A/D转换器可置于定标器内,具有用于Y/C元件视频输入的解交错功能。由微处理器产生的TTL相容控制信号S来选择视频输入。


《图二 LCD TV视频开关设计范例》
《图二 LCD TV视频开关设计范例》

对于中等尺寸的平面显示器,TSSOP或QSOP封装元件仍是非常适合的低成本方案。根据设计不同,尺寸较小的平面显示器如携带式薄型DVD播放器、可携式摄影机及橱柜式LCD TV,其电路板空间往往有所限制,因而需要较小型封装的类比开关以实现便携性,同时仍对视频信号的切换提供出色的串扰和关断隔离功能。图二的范例元件可以有效地用作视频开关,多工传输或多工分解10MHz串扰性能为-60db的合成或Y/C视频信号,并提供250MHz的高频宽。该元件的占用面积仅为6.2 mm2,可满足单刀三掷(SPTT)需求;另外也有占用面积仅8.75mm2、提供双SPTT功能、可做为切换s-video信号之解决方案可供选择。元件采用DQFN封装,特性为从内部裸片至外部PCB电路板的连接线路较短,有助于降低电感,并有效增加信号资料通道的频宽。


结语

对于PCB电路板布局,至少需要一层接地平面,以设置所需的受控阻抗迹线。除了在电源和接地平面之间形成自然的解耦电容外,拥有某些尽可能靠近晶片本身电源Vcc的解耦电容(0.1uF和1uF 并行)是非常有帮助的,能获得最低的差分增益。


如前所述,楔形铜线能够插入相邻的迹线之间,进一步改善关断隔离和串扰。当然,连接器至解码器或定标器的迹线长度最好保持在最小限度,以优化信号的完整性。视频开关应尽量靠近下一级带有75 ohm终端电阻的元件;这会因为沿资料路径的阻抗失配而降低潜在反射。要实现最少的功耗,用于视频开关的选择引脚应该从0至Vcc波动,使静态功耗降至最低。


(作者为快捷半导体高级应用工程师)


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