便攜式設計中的模擬開關遷移軌跡

引言 　　
與電源設計應用中傳統大功率 MOSFET 開關和存儲應用中多位數據總線開關相比，模擬開關大大不同。一般來講，模擬開關主要用于切換手機等便攜式設計中的小功率模擬信號。但是，在最近的便攜式設計中附加功能的推動下，模擬開關從傳統的低帶寬音頻開關發展成為高速混合信號開關。由于模擬開關具有低功耗、低漏電流及小封裝等特點，在某些設計中甚至可以將其用作低功耗 DC 信號開關。本文會介紹模擬開關的遷移軌跡，讓讀者了解便攜式基帶設計的市場趨勢。
　　
變遷軌跡

圖1 基帶功能推動手機功能變遷

　　
如圖 1 所示，手機已從簡單的單語音功能發展成為帶有 MP3 或音樂鈴聲等大功率立體聲音頻的通訊工具。至于視頻功能，簡單的低分辨率相機已經過時，而高于 200 萬像素相機已經成為大多數中高端手機的標準功能。由于低功耗數字式廣播調諧器適合便攜式應用，帶有復合視頻輸出的手機將在市場強勢出現，從而滿足外部大型顯示器或者專業投影儀顯示等專業應用需求。
　　
現代的手機設計都嵌入了 MP3 功能，對于數據路徑而言，傳統以 UART 為基礎的接口已不能滿足最終用戶的下載要求。因此，USB 1.1 全速 (12Mbp) 甚至是 USB 2.0 高速接口在帶嵌入式硬盤或可拆卸大型存儲器的 MP3 手機設計中越來越普遍。
　　
純音頻開關從高導通電阻遷移到超低導通電阻
　　
響應圖 1 中手機功能的變遷，最初在手機設計中采用模擬開關是由于大多數基帶處理器只有有限的音頻輸出端口，如圖 2 所示。那些低端處理器只有單語音輸出，通常需要進行語音隔離將其分別接到聽筒或者耳機中。相對于 32 歐姆的耳機阻抗，這些開關通常具有大約 10 歐姆相對較高的導通電阻。開關的插入損耗通過前置放大器級來補償。大多數應用中的控制電壓與開關的 3V 供電一致。

圖2 便攜設計中模擬開關應用功能的變遷

　　
在節能及更佳的總諧波失真 (THD) 需求帶動下，市場出現了 1 歐姆開關，在 0 到 VCC 的輸入電壓之間具有平坦的導通電阻。對于免提電話等功能來說，來自基帶處理器的語音輸出可以路由到耳機和內部的 8 歐姆揚聲器上。由于放大器置于開關之后和揚聲器之前 (見圖 2)，在這些應用中 THD 規范遂成為關鍵因素，以減小信號放大失真。
　　
隨著大多數基帶處理器設計需要進一步降低功耗，通用 I/O (GPIO) 數字接口需要提供更低的輸出高壓閾值電平 (VOH)。對于這種應用，該電壓可低至 1.8V。但是由于 MP3 手機具有大功率立體聲音頻的需求，開關電源電壓可以達到 4.2V，或者直接由電池供電。因為控制電壓輸入高電平 (VIH) 與開關電源電壓之間存在失配，設計要求增加額外的電平偏移變換器以減小靜態漏電流。這樣不僅增加了設計難度，還提高了材料成本。在這樣的便攜式應用中，非常需要能夠識別低控制電壓 (1.8V) 的模擬開關。
　　
由于正電源下，模擬開關建議用于傳輸正電平信號，因此需要在開關之后設置 AC 耦合電容器為耳機或接收器阻隔 DC 成分。同時，考慮到揚聲器的阻抗大約為 8 歐姆，而在 4.3V 電源下這類應用中的音頻開關一般擁有低至 0.35 歐姆的導通電阻，能夠進一步降低高導通電阻開關的插入損耗所帶來的功耗。
　　
混合信號和高速數字信號切換
　　
市場對于薄型滑蓋手機等小巧手機的需求強勁，低引腳數連接器設計對用戶而言十分重要。UART 或 USB 等數字信號將與音頻輸出共享連接器的引腳，如圖 2 所示。大多數音頻信號都需要耳機用的耦合電容，但是必需設置在開關之前，這與上一節所述的應用不同。在這種情況下，開關必須能夠在單邊正電源供電下接收負信號。此外，設計人員非常希望能夠擁有帶自動 USB 插入感測功能的開關，以便節省 GPIO 硬件資源。當然，這些開關允許設計人員使用手動控制來進行選擇，隨時強迫開關轉向音頻通道。
　　
當外部 USB 插入時，手機可以使用 VBUS 作為主電源而進入節電模式。外部 VBUS 可以直接作為開關的電源。為了在沒有外部 USB 插入時實現可靠的音頻切換功能，需要獨立的音頻通路電源。這個雙電源的特點與前幾代的單電源音頻開關有很大分別。對于這類混合信號切換產品，具有高帶寬 USB 通路和低導通電阻音頻通路的不平衡信道還具有特殊的應用功能。

此外，MP3 和 MP4 手機的快速下載功能需要具備 USB 2.0 (480Mbps) 的高速接口。在這類設計中，全速 USB 器件將與閃存控制器等其它高速 USB 控制器共享相同的連接器D+/D- 引腳。為了兼容 USB 2.0 信號眼圖規格，使用具有超低斷開電容的 2 位單刀單擲 (SPST) 開關有助于隔離全速控制器的大輸出電容（包括斷頭線和傳輸線電容），如圖 3所示。

圖3 硬盤電話設計中高速USB開關

　　
未來展望
　　
如圖 1 所示，隨著在亞太地區，尤其在中國即將推出大量的 3G 應用，數據、音頻和視頻切換應用對專用開關的需求潛力巨大，能夠縮短產品上市時間。面對這些應用，需要大量具有小封裝、低功耗、優良的電源抑制比(PSRR) 和高信噪比 (SNR) 的開關。模擬開關正在從傳統的低吞吐量模擬音頻信號開關轉移至混合信號路由/調整中央單元，而該單元是處理器真正關鍵的同伴芯片。在便攜式產品市場下一代講求纖細和美觀的產品設計中，開關肯定是不可或缺的重要組成部分。