隨著機上盒的設計中加入了更多的新興功能，例如支援視訊編程錄影的硬碟、高密度快閃記憶體介面和視訊點播（VOD）功能，使得類比開關可以持續且大量地被這類產品所採用。藉由選用正確的開關，設計人員不僅能縮短產品上市的時間及改善設計，還可以克服各種重要的設計挑戰，例如：維持信號的完整性。在某些設計中，適當的開關還有助於減少材料清單（BOM）的成本。本文將探討類比開關在不同類型機上盒應用中所扮演的角色，並闡述如何利用正確的開關來降低設計的複雜性及元件成本。

應用實例

IP數位機上盒

隨著終端用戶對視訊點播和VoIP服務的需求不斷增加，高傳輸量的視訊串流線路（video stream line）將透過網際網路的聯網設備如DSL或纜線數據機來操作。(圖一)所示為一簡單的功能方塊圖，說明IP機上盒設計如何使用寬頻類比開關，以便為進來的100Base-T乙太網路連接進行路由。與此同時，該開關還提供高度的彈性，將10/100 Base-T乙太網路信號向另一個乙太網路RJ-45介面回送，因而可以讓終端用戶方便地從機上盒的前端使用乙太網路功能。由於100Base-T電纜每對雙絞線通常都是100Mbps，因此開關的頻寬只要大於100MHz -3db，便適用於這類的應用。由於100Base-T採用全雙工模式作業，因此相鄰和非相鄰串音性能對於減低雙絞線對之間的相互干擾便非常重要了。類比開關在這裡提供的關鍵作用是去除在RJ45介面還未連接到PC時的懸接跡線，以及其他接頭寄生電容，從而改善回波損耗。

具有個人視訊錄影功能 （PRV）的機上盒

具有個人視訊錄影功能（PRV）的機上盒已廣泛地使用在終端用戶之間，以便在離家或觀賞其他電視節目時，錄製所喜愛的電視節目。有一些機上盒設計甚至加入多個RF輸入來同時接收不同的電視節目，以便讓用戶可以在觀賞一個節目時，還可以方便地來錄製另一個節目。這類應用傳統上都是採用較昂貴的繼電器，在兩個RF調諧解調器輸出（CVBS）之間進行切換，這兩個輸出並且共用相同的類比前端視訊解碼器。傳統繼電器除了BOM成本較高外，體積也較大。由於今天及未來的市場對小巧和行動性設計的需求愈來愈高，因此，一個類似採用較小型封裝類比開關這種較佳的解決方案自然受到很大的歡迎，同時，在理論上，它還擁有可進行無限次切換的長久壽命。(圖二)所示的單刀雙擲（SPDT）低歐姆視訊開關就非常適合這類應用。由於大多數CVBS的頻寬小於7MHz，基於CMOS技術建構的典型類比開關便非常容易達到要求。在這類應用中選擇適當視訊開關的標準是微分增益和差分相位，它們直接與色彩飽和度與色調亮度有關。FSA4157開關元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。由於無需在開關位於視訊RCA連接器邊緣的應用中外加ESD保護二極體，因此能進一步降低BOM的成本。

《圖一　 用於IP機上盒中能改善乙太網路信號回波損耗的類比開關》

當然，要錄製大容量的資訊需要嵌入式記憶體如硬碟驅動器（HDD）。一般來說，ATA I/O是HDD與其控制器之間的標準介面。在一些因應終端用戶需求而採用雙硬碟驅動的設計中，16位元SPDT開關可用來實現主硬碟和次硬碟之間的切換。匯流排開關在這裏可用來將硬碟從ASIC中隔離出來，使得設計人員可以擁有高度的彈性，所提供的產品可以配備或不配備硬碟。與此同時，隔離硬碟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驅動的匯流排開關必須要有足夠的頻寬（-3db）來通過高速的ATA資料串流。事實上，這對於以CMOS技術為基礎的一般匯流排開關並不構成問題，其內部開關通道僅採用NMOS結構。僅有NMOS的結構能降低通道的寄生電容，並且有助於改善-3db的資料通道頻寬。

具有雙視訊輸出的機上盒

隨著機上盒朝向高解析度（HD）視訊輸出格式的方向發展，720p/1080i、甚至更高解析度如1080p格式也逐漸出現在消費性電子市場上。有些視訊驅動器即使在DC耦合的情況下，例如雙SCART輸出，也可以驅動雙視訊輸出。通常，在一個時間只有一個輸出連接來提供顯示的功能，另一個則是浮接的（floating）。浮接輸出會嚴重地影響HD的視訊信號圖樣的效果，換句話說，就是邊緣失真或過沖失真或下沖失真等，而這是因為緊接在視訊驅動器上的非終端型連接器之傳輸線路問題所引起的。幸運的是，寬頻視訊開關能夠解決此一設計問題，當視訊輸出不用時便會切斷其線跡，如圖二所示。由於高解析度類比視訊信號具有很快的上升/下降時間，因此開關必須要有足夠的頻寬信號才能通過。更寬的頻寬對資料通道後端的A/D轉換器尤其重要；有足夠的頻寬才能可靠地對有效類比視訊信號進行採樣，因為高解析度像素時脈的時段比標準清晰度視訊時脈短很多。同時，當考慮到電視顯示器一側中還有一個75歐姆的遠端端接電阻，插入損耗必須要夠小才能降低色彩飽和度的損耗。通常，視訊開關只要具有5歐姆的導通阻抗就夠了。但頻寬需要大於500MHz 才能減低高解析度視訊信號（如720p和1080p）中的非線性失真。開關的頻寬越高，產生的失真越小。

《圖二　數位PVR機上盒中的標準/高解析度視訊開關》

具有外部儲存的機上盒

除了嵌入式硬碟外，可移除的儲存設備如高密度的快閃記憶體或其他小尺寸儲存卡等都已廣泛地應用在可攜式產品的設計中，包括手機和數位相機等，以滿足不斷成長的市場需求。未來的機上盒也會具備足夠的智慧，以讀取這些儲存設備及驅動電視來顯示數位相機的照片。如(圖三)所示，在這類應用中，一般機上盒的核心CPU USB輸出會與嵌入式或可移動式儲存控制器共用同一介面，以便與PC主機通信。這裏必須使用寬頻的高速USB開關來克服設計中的難題，原因有兩項：首先，高速USB 2.0信號具有很快的上升/下降時間（500ps），這就要求開關能切斷所有無用的線跡，從而將反射信號降到最低，同時改善符合性測試所要求的開眼（eye opening）指標。 其次，CPU和快閃記憶體控制器的輸出都有1.5K的升壓電阻，兩者必須互相隔離以降低電勢的波動。

選擇正確的開關來降低BOM成本

類比開關除了能解決上述設計難題外，在某些應用中採用適合的開關還能協助設計人員大幅度降低BOM的成本及節省電路板的空間。如(圖四)所示，某些機上盒本身就能驅動電視的複合視訊輸出如CVBS。當機上盒處於待機狀態時，其他外部的視訊源如VCR或DVD播放機等也可直接驅動電視。在這些應用中，需使用正確的開關元件來進行機上盒音/視訊編碼器輸出與VCR/DVD播放機A/V輸入之間的切換，以便共用一個顯示器。此處所用之開關元件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，將造成視訊亮度損耗。通常採用一個簡單的緩衝（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。

《圖三　具有外部儲存連接的機上盒中之高速USB開關》

在添加NPN後，NPN的基部需要施加DC偏置電壓，這意味著將增加額外的元件成本，如AC耦合電容、電阻以及用於穩定DC偏置電壓的鐵氧體磁環（ferrite bead），以防止串入電源VCC低鳴。所有這些附加成本都是因為開關元件的高導通阻抗所導致的。如能選擇低導通阻抗的開關，便可省掉所有這些額外的元件，由於省去了那些大型的電阻和電容，電路板的面積因而可以大幅縮小。適當的開關元件所具備的低頻寬特性能帶來比典型CMOS視訊開關更高的微分增益和差分相位，後者並具有卓越的色彩飽和穩定性和色調。(圖四)顯示了採用兩種不同開關元件前後的結構性快速比較，顯示出分離元件的使用數目大幅減少，比例為9：1。

《圖四　低導通阻抗音/視訊開關能降低機上盒設計的BOM成本》

結論

除了傳統的數位視訊解碼功能外，機上盒已逐漸在家電中扮演起舉足輕重的角色，並提供更多的智慧型功能，如VoIP和視訊點播等。未來的設計將廣泛地採用高性能類比開關，以加快產品上市時間。專用的寬頻視訊開關能提高信號的完整性，協助設計人員解決高解析度的設計難題。除了能透過在視訊輸出之間共用連接器來降低傳統BOM的成本外，更高性能的視訊和乙太網路開關將有助於減少外部分離元件的數目，進一步降低BOM的成本，並能節省電路板的空間。機上盒市場是另一個具有龐大成長潛力的市場，尤其是在中國更是如此。在中國的國家廣播電影電視總局訂下以2015年全面實施電視系統數位化的目標後，這個市場就更具有吸引力了。高解析度視訊格式和低成本通信（如VoIP）的發展，也會為此一區域內的機上盒和專用開關市場帶來巨大的推動力量。

（作者為Fairchild快捷半導體類比信號產品事業部亞太地區技術行銷經理Jeff Ju）

延 伸 閱 讀

未來智慧手機的電源管理技術 本篇應用筆記介紹了如何使用類比開關實現T1/E1/J1, N+1冗餘保護。同時還提供了一些選擇類比開關的指導，並給出了使用Maxim/Dallas類比開關和T1/E1/J1收發器的測試結果。相關介紹請見「 利用類比開關實現T1/E1/J1的N+1冗餘保護」一文。 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。你可在「 可攜設備及消費電子USB應用中的類比開關選擇 」一文中得到進一步的介紹。 隨著手機和其他超便攜產品進入主流產品行列，要求加入更多功能，如圖像、電子郵件、簡訊以及網際網路連接，這需要對多重資料通路進行控制。而高整合度基頻處理器、多處理器結構、ASIC和功率管理晶片組也已集成在產品中，迫使電源電壓降低，因而需要類比開關在整個電源電壓範圍內工作，同時要求開關的關鍵特性，如RON、串擾、頻寬和THD等衰減最少。在「 在超便攜應用中類比開關的關鍵設計參數」一文為你做了相關的評析。

市場動態

austriamicrosystems推出了一系列新型高性能類比開關。這些高速、低電壓、方形、單刀單擲（SPST）類比開關的性能超過了目前市場上的同類產品。它在典型切換時間提高40％以上. 的同時，保持了卓越的導通電阻（Ron）平坦度和通道匹配。相關介紹請見「 奧地利微電子高速類比信號開關系列再添新成員」一文。 Supertex推出兩款低電荷注入、16通道、200V類比開關IC。該產品具有更高的密度和性能。HV2601與HV2701可使系統製造商在更小的空間中整合更多的通道，同時這兩款晶片的靜態電流僅10uA，因而具有更高的工作效率。你可在「 Supertex推出兩款200V類比開關IC」一文中得到進一步的介紹。 Fairchild宣佈推出全新雙重單刀雙擲（SPDT）開關FSA2257，具備低失真和出色的ESD保護性能，加上堅固的超小型無鉛MicroPak封裝，能夠針對可攜式設備不斷要求小型化的趨勢，優化設計靈活性。在「 飛兆半導體推出新款類比開關，旨在提高音頻品質」一文為你做了相關的評析。