淺談筆記本中VGA信號(hào)切換的原理

概述

盡管數(shù)字視頻開(kāi)關(guān)在2008已經(jīng)變得非常流行，但是，截至2015年，市場(chǎng)上仍然會(huì)有數(shù)千萬(wàn)的顯示器、投影儀采用模擬VGA。幾乎所有采用塢站的筆記本電腦都是通過(guò)筆記本電腦底部的一組接口切換VGA信號(hào)。

支持塢站與VGA連接器之間切換的理想器件不僅要管理控制所有開(kāi)關(guān)，而且要對(duì)所有連接到輸出的器件提供足夠的ESD保護(hù)。

MAX4885E?VGA開(kāi)關(guān)優(yōu)化用于筆記本電腦和塢站之間的信號(hào)切換，器件包括三路高頻(約950MHz) RGB開(kāi)關(guān)、兩路低頻DDC信號(hào)的箝位開(kāi)關(guān)以及一對(duì)用于行、場(chǎng)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換的緩沖器。

優(yōu)化VGA信號(hào)切換

為了正確處理模擬VGA信號(hào)，七路信號(hào)應(yīng)該切換到計(jì)算機(jī)的連接器或塢站端口。如果沒(méi)有使用開(kāi)關(guān)，那么，每個(gè)端口都可能連接了沒(méi)有使用的信號(hào)，需要考慮在DAC輸出端增大的電容，會(huì)造成帶寬損失。視頻信號(hào)通常是標(biāo)準(zhǔn)的75Ω，視頻DAC通常是一個(gè)驅(qū)動(dòng)75Ω負(fù)載的電流源。顯示器也是75Ω負(fù)載，這樣就形成了雙終端負(fù)載系統(tǒng)，而DAC能夠?yàn)?5Ω負(fù)載提供的最大VGA驅(qū)動(dòng)是0.7V。

許多設(shè)計(jì)人員都試圖設(shè)計(jì)支持1920 × 1200、60Hz的視頻，像素速率≈6.0ns。如果允許信號(hào)的上升、下降沿分別為1.7ns，信號(hào)可以滿足VESA (視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))的要求，因此：

tR = 2.2RC, 其中R = 37.5Ω

如果DAC的tR為0，由上式可以得出系統(tǒng)的tR。但是，典型應(yīng)用中的DAC在沒(méi)有額外負(fù)載的情況下，tR一般為1ns。假設(shè)DAC的延遲包含兩部分：內(nèi)部延時(shí)和輸出電容引起的上升時(shí)間。對(duì)于上述應(yīng)用，假設(shè)DAC的內(nèi)部延時(shí)為300ps，容值為8pf。加上開(kāi)關(guān)的8pf，總電容≈16pF。所以，對(duì)于大多數(shù)這樣的應(yīng)用，傳統(tǒng)模擬開(kāi)關(guān)的f3dB帶寬為400MHz，雖然足以支持140Msps的信號(hào)，但DAC占用了整個(gè)系統(tǒng)的絕大部分裕量。

MAX4885E VGA開(kāi)關(guān)大大減少了元件數(shù)量

MAX4885E是一款完整的1:2 VGA開(kāi)關(guān)，具有大于700MHz的RGB帶寬和小于7pF電容。另外，所有輸出均具備±15kV HBM (人體模式) ESD保護(hù)，無(wú)需外加ESD保護(hù)電路，不僅節(jié)省了成本，而且消除了用于ESD保護(hù)的外部電容。

MAX4885E還有兩個(gè)重要功能：能夠?qū)⒌碗娖降男?、?chǎng)信號(hào)按照VESA標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成5.0V TTL兼容邏輯電平(圖1)。所提供的行、場(chǎng)信號(hào)可驅(qū)動(dòng)雙負(fù)載。與RGB信號(hào)一樣，行、場(chǎng)信號(hào)也具備±15kV的靜電保護(hù)，無(wú)需增加額外元件保護(hù)其輸出。將VL引腳連接到+3.3V，行、場(chǎng)信號(hào)可以從較低電平轉(zhuǎn)換成TTL兼容電平。

圖1. 行、場(chǎng)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換原理圖

MAX4885E還可以提供DDC (顯示數(shù)據(jù)控制)開(kāi)關(guān)、電平箝位和ESD保護(hù)功能。通過(guò)切換DDC信號(hào)，分離容性負(fù)載。這些信號(hào)兼容于I2C標(biāo)準(zhǔn)且最大負(fù)載電容為700pF。如果兩個(gè)負(fù)載連接到同一輸出，容性負(fù)載可能超出范圍。MAX4885E在同一時(shí)間只允許連接一個(gè)負(fù)載。類(lèi)似于其它功能，DDC輸入也具有±15kV ESD保護(hù)。

MAX4885E的DDC開(kāi)關(guān)還為此類(lèi)應(yīng)用提供了一個(gè)附加功能：電壓箝位。來(lái)自顯示器的DDC電壓通常通過(guò)2.2kΩ電阻上拉到+5V (圖2)。DDC驅(qū)動(dòng)器不允許出現(xiàn)如此高的電壓，一般只允許最大+3.3V的電壓。DDC信號(hào)兼容于I2C標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)關(guān)兩側(cè)都有上拉電阻。開(kāi)關(guān)本身由一對(duì)n溝道晶體管組成。

圖2. n溝道FET晶體管箝位原理圖

由于體二極管的影響，n溝道FET只能通過(guò)約0.7V以內(nèi)的柵極電壓。當(dāng)電壓接近柵極電壓時(shí)，由于偏置電壓不夠大，溝道電阻增大。而開(kāi)關(guān)兩側(cè)均上拉到各自的供電電壓時(shí)，n溝道幾乎完全箝位?？梢詡鬏斀咏仉娢坏男盘?hào)，開(kāi)關(guān)很容易下拉。如果+5V側(cè)信號(hào)范圍為：0.5V至4.8V，則3.3V側(cè)的信號(hào)擺幅為0.5V至3.3V，如上圖(左側(cè))。

結(jié)論

截至2015年，模擬VGA信號(hào)仍將用于主流計(jì)算機(jī)，甚至使用時(shí)間更長(zhǎng)。高清顯示器要求信號(hào)的上升/下降時(shí)間小于1.6ns。為了達(dá)到如此快的時(shí)間，DAC輸出端必須保持盡可能小的電容。MAX4885E VGA開(kāi)關(guān)具有小于7pF的電容，提供微小的4mm × 4mm封裝。器件的所有輸出均具有±15kV ESD保護(hù)，RGB、行、場(chǎng)輸出端以及DDC信號(hào)均不需要額外的保護(hù)電路。MAX4885E還增加了低電壓到TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換器/緩沖器，進(jìn)一步完善了功能需求。行、場(chǎng)信號(hào)可以從大約0.5V至1.5V轉(zhuǎn)換到5V TTL邏輯電平。具有靜電保護(hù)的輸出經(jīng)過(guò)緩沖后能夠?yàn)樨?fù)載提供±8mA的驅(qū)動(dòng)，上升/下降時(shí)間小于5ns?？傊?，MAX4885E能夠提供低電容切換、箝位保護(hù)以及ESD保護(hù)。MAX4885E可理想用于筆記本電腦的塢站開(kāi)關(guān)，提供評(píng)估(EV)板方便地進(jìn)行器件測(cè)試和方案評(píng)估。