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平面顯示器所需的類比開關性能
 

【作者: Jeff Ju】   2004年05月05日 星期三

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與傳統的CRT顯示器相比,以LCD技術為基礎的平面顯示器和電視機由於重量較輕和尺寸較小,愈來愈受消費者所歡迎。雖然以DVI TMDS或LVDS為基礎的數位介面最近終於進入市場,類比視頻界面如RGB、S-video和CVBS在一般LCD TV和電腦LCD顯示器中仍然非常流行。類比開關正廣泛用於這類應用中,以有限的類比輸入通道,為解碼器和定標器多工傳輸視頻信號源。


最近有許多發表文章都關注於在CRT顯示器或類比電視之間傳送類比RGB資料,由於信號頻寬不同,它們對LCD平面顯示器的類比開關要求也不一樣。對於傳統的顯示應用,導通(On)電阻等DC規格較頻寬和關斷隔離等動態規格更為重要。然而,這對於所有視頻應用並不是全然正確。本文將探討類比開關應具備何種性能,以使LCD TV或LCD顯示器設計達到最佳化。


主要規格

導通阻抗

一般用於視頻圖形的類比輸出晶片,如RGB RAMDAC,提供用於RGB資料的電流輸出,並經由終端電阻轉換為電壓。對於諸如RS-343A 和 RS-170等視頻標準來說,全程類比RGB輸出電壓通常小於1V(RS-343A視頻格式為0.714V、RS-170視頻格式為1.0V)。這就意味著RAMDAC可以RS-170視頻格式,將高達26.66mA的電流輸送到37.5 ohm的負載,如(圖一)所示;這通常要求類比視頻開關能夠處理高於26.66mA的直流電流,使其能夠直接與RAMDAC介面。在圖一中,源端電阻RS與遠端電阻RT均用來吸收反射,以維持視頻信號的完整性。


《圖一 一般RAMDAC輸出負載配置》
《圖一 一般RAMDAC輸出負載配置》

導通電阻(RON)通常由特定電流負載(NTSC標準電流負載通常為13mA 或 26mA)的特定輸入電壓來決定。當與RAMDAC輸出直接互連時,高RON值開關會違反最大允許輸出條件(通常為1.4V),從而引起RAMDAC輸出干擾。此外,高導通電阻還會生產未聚焦或不正確的彩色圖像,通常稱為“鬼影”(ghosting)。校正鬼影一般需要添加額外的增益級,因此會增加製造產品的成本,並使設計變得更為複雜,特別對於短距離連接。


由於大多數RGB資料的類比電壓水平為0V至1V,類比開關應在此範圍內提供較小的導通電阻。但是,過分強調低導通電阻會誤導視頻設計人員,因為較低的導通電阻通常隱含較高的電容,令到頻寬較窄,可能會削弱視頻信號邊緣並影響顯示的清晰度。對於LCD顯示器應用中帶有D-Sub連接器的普通RGB視頻開關而言,300MHz的-3db頻寬連同3 ohm的典型導通電阻,是顯示清晰度和亮度最理想的規格。


差分增益/差分相位

差分增益和差分相位是視頻開關如何因應不同DC電平,如RS-170格式下的0V至1V的輸入偏置而不同程度地削弱信號的技術參數。在實際應用中,它指的是不同亮度水平下色彩幅度變化的狀況。該指標與通常處於0V至1V輸入信號範圍內的Ron平坦度有關。為了正確顯示不同飽和度的色彩,系統當然需要較低的差分增益。在不同偏壓條件下,視頻開關的導通電容(CON)變化越小,差分相位也越小,獲得的色調將更好。差分增益與差分相位通常使用NTSC標準的3.58MHz彩色副載波頻率及PAL標準的4.43MHz彩色副載波頻率來測量。


關斷隔離

關斷隔離(off isolation)規格基本描述通道關閉時多餘信號通過通道的狀況,它通常透過輸出與輸入之間的db值來表示。關斷隔離與內部MOS元件源極和漏極之間的結合點電容直接相關,並與內部開關電晶體所用材料及尺寸有著密切的關係。對於大多數幅度低於1V的類比視頻信號,僅有NMOS電晶體設計的開關通道可以滿足這類應用的要求,具有最小的寄生電感和寬頻寬。此外,雖然某些標準開始轉向較低的電源電壓,5V電源仍可輕易地從系統裏取得。


根據顯示器解析度的不同,在某些信號頻寬較高的高解析度顯示器中,視頻信號從黑變白的上升時間可以快至2ns或更短。在理想狀況下,如果開關關閉,這個信號將被阻斷。由於漏源極之間存在通道耦合電容,某些高頻能量可以流通 ((公式一)),成為有源視頻信號的干擾雜訊。經由在每隔一個相鄰引腳之間布置接地銅線,可以改進關斷隔離性能。對於引腳間距非常小的封裝,可在跡線之間插入楔形銅線,但是如果接地銅線放置在頂層,建議頂層接地銅線和跡線之間的空間必須遠遠大於跡線和內部接地平面之間的距離。這將減低由於存在額外電容負載 ((公式二)) 引起干擾受控跡條特性阻抗的風險。對於應用中具有快速上升或下降時間的視頻開關,建議10MHz 條件下測試的關斷隔離至少為 -60db,以減少兩個視頻源之間的干擾。


《公式二》
《公式二》

串擾

這裏討論兩種串擾,一種是相鄰引腳之間的串擾,另一種是非相鄰通道串擾。傳統的相鄰串擾可定義為在單位切換範圍內相鄰引腳之間的串擾;這個規格的測試通常是嚮導通通道注入信號,並使用網路分析儀來監控關斷通道。非相鄰通道串擾則定義為當一個通道投入運作時,會對受干擾的導通通道帶來有害的干擾;這種串擾是為通道至通道串擾。兩類串擾均會在視頻通道之間引起鬼影雜訊。在關斷隔離部分,採用在兩個相鄰引腳間插入楔形接地銅線的方法,而減少通道之間耦合共有電容的設計,可有效改善相鄰和非相鄰的串擾。


設計範例

(圖二)為一LCD TV視頻開關設計範例;輸入可以為SCART RGB信號連同帶有定時資訊的CVBS信號。類比視頻開關用於在兩個RGB資料線對或Y/C視頻輸入線對之間進行切換,以分享定標器或解碼器的相同輸入。根據所用解決方案,A/D轉換器可置於定標器內,具有用於Y/C元件視頻輸入的解交錯功能。由微處理器產生的TTL相容控制信號S來選擇視頻輸入。


《圖二 LCD TV視頻開關設計範例》
《圖二 LCD TV視頻開關設計範例》

對於中等尺寸的平面顯示器,TSSOP或QSOP封裝元件仍是非常適合的低成本方案。根據設計不同,尺寸較小的平面顯示器如攜帶式薄型DVD播放器、可攜式攝影機及櫥櫃式LCD TV,其電路板空間往往有所限制,因而需要較小型封裝的類比開關以實現便攜性,同時仍對視頻信號的切換提供出色的串擾和關斷隔離功能。圖二的範例元件可以有效地用作視頻開關,多工傳輸或多工分解10MHz串擾性能為-60db的合成或Y/C視頻信號,並提供250MHz的高頻寬。該元件的佔用面積僅為6.2 mm2,可滿足單刀三擲(SPTT)需求;另外也有佔用面積僅8.75mm2、提供雙SPTT功能、可做為切換s-video信號之解決方案可供選擇。元件採用DQFN封裝,特性為從內部裸片至外部PCB電路板的連接線路較短,有助於降低電感,並有效增加信號資料通道的頻寬。


結語

對於PCB電路板佈局,至少需要一層接地平面,以設置所需的受控阻抗跡線。除了在電源和接地平面之間形成自然的解耦電容外,擁有某些盡可能靠近晶片本身電源Vcc的解耦電容(0.1uF和1uF 並行)是非常有幫助的,能獲得最低的差分增益。


如前所述,楔形銅線能夠插入相鄰的跡線之間,進一步改善關斷隔離和串擾。當然,連接器至解碼器或定標器的跡線長度最好保持在最小限度,以優化信號的完整性。視頻開關應儘量靠近下一級帶有75 ohm終端電阻的元件;這會因為沿資料路徑的阻抗失配而降低潛在反射。要實現最少的功耗,用於視頻開關的選擇引腳應該從0至Vcc波動,使靜態功耗降至最低。


(作者為快捷半導體高級應用工程師)


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