高性能模擬開關(guān)改進(jìn)蜂窩電話設(shè)計(jì)

飛兆半導(dǎo)體應(yīng)用工程師 Jeff Ju

為了滿足GSM/GPRS 以及3G (第三代) 多模式蜂窩電話和其它便攜式產(chǎn)品的功能聚合需求，高性能模擬開關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。這是重要的器件之一，能幫助設(shè)計(jì)人員降低成本、節(jié)省空間，并同時(shí)滿足不同的功能需要。具有高帶寬和低插入損耗特性的模擬開關(guān)已廣泛用于高端蜂窩電話的設(shè)計(jì)中，能以低微的總諧波失真 (THD) 傳送音頻信號(hào)，并以的抖動(dòng)和邊沿失真?zhèn)魉蚒SB信號(hào)。本文將探討蜂窩電話應(yīng)用對(duì)模擬開關(guān)的特殊要求，以協(xié)助設(shè)計(jì)人員選擇合適的模擬開關(guān)。此外，本文還將介紹減少非線性失真、偏斜和回波損耗的方法，從而加快設(shè)計(jì)速度。

音頻信號(hào)傳送

大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)蜂窩電話設(shè)計(jì)使用單位單刀雙擲 (SP/DT) 開關(guān)，對(duì)外部和內(nèi)部32 Ohm揚(yáng)聲器或其它音頻處理單元之間的基帶語音信號(hào)進(jìn)行多路信號(hào)分離。由于蜂窩電話和便攜式電子產(chǎn)品日趨小型化，為了滿足印刷線路板空間受限的要求，小型封裝變得尤為重要。

在便攜式電子產(chǎn)品中，功耗永遠(yuǎn)是重要的考慮因素。為了降低功耗，通常使用低導(dǎo)通電阻 (RON) 開關(guān)以減少插入損耗。但是，如果只注重RON而不綜合考慮RON和總諧波失真 (THD) 的平衡，就會(huì)對(duì)音頻設(shè)計(jì)人員造成誤導(dǎo)。例如，對(duì)于前端接有放大器的32 Ohm揚(yáng)聲器而言，超低的導(dǎo)通電阻（遠(yuǎn)低于值1 Ohm）對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)並非必要，原因有二：首先，放大器增益可以補(bǔ)償由稍高導(dǎo)通阻抗引起的插入損耗；其次，如果選擇了超低的RON，通常會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通電容大幅增加的問題。模擬開關(guān)的導(dǎo)通電容和RON平坦度均會(huì)引起音頻信號(hào)的非線性失真，即總諧波失真。

THD在這里是重要的考慮因素，尤其在音頻放大器之前切換音頻信號(hào)時(shí)，存在THD噪聲增大的風(fēng)險(xiǎn)。在任何實(shí)際設(shè)計(jì)中，均應(yīng)考慮在音頻信號(hào)保真度和可能降低的功耗之間進(jìn)行折衷。此外，較高的導(dǎo)通電容常常伴隨著較大的電荷注入，它會(huì)在揚(yáng)聲器關(guān)閉時(shí)引?quot;爆音"噪聲。此例中，重要的是使用了低電阻的模擬開關(guān)（圖1），導(dǎo)通電阻少于1.35 Ohm值，典型THD 為0.002% 左右。優(yōu)化的THD以及優(yōu)良的插入損耗性能使這些開關(guān)成為蜂窩電話設(shè)計(jì)的理想選擇，特別適合具有嚴(yán)格音頻保真要求的蜂窩電話設(shè)計(jì)。

雙位單刀雙擲 (SP/DT) 開關(guān)在使用立體聲音樂作為振鈴功能的高端蜂窩電話設(shè)計(jì)中十分有用。如圖2所示，來自基帶處理器的振鈴和語音信號(hào)共用一個(gè)內(nèi)部揚(yáng)聲器。此處的振鈴信號(hào)一般來自和諧振鈴發(fā)生器，由處理器的數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)，保證當(dāng)用戶講話時(shí)振鈴功能關(guān)閉。由于曲調(diào)芯片具有左、右音頻聲道輸出，建議使用具有低THD和低導(dǎo)通電阻的雙SP/DT開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)高保真音頻信號(hào)切換。

USB 信號(hào)交換

由于大多數(shù)3G蜂窩電話設(shè)計(jì)具有功能密集的特點(diǎn)，基帶處理器制造商正轉(zhuǎn)向USB On the Go，以便更好地利用OTG的能力直佑臚饃枇印Ｔ詿擻τ彌?，具有低偏斜和竾\淼乃玈P/DT模擬開關(guān)，能夠以的邊沿失真切換USB信號(hào)。此外，模擬開關(guān)具有共享USB和基帶處理器UART接口之間的連接器的能力，以適應(yīng)電纜選項(xiàng)。同樣地，在智能蜂窩電話設(shè)計(jì)中，基帶處理器和PDA處理器的USB I/O可以借助雙SP/DT模擬開關(guān)，共享相同的連接引腳，完全符合USB 1.1和USB 2.0的低速和全速規(guī)范。

圖3 所示為工作于12 Mbps、附加相位抖動(dòng) (峰至峰) 僅為1.25 ns的全速模式USB開關(guān)的交流波形。USB開關(guān)產(chǎn)生的單位間隔抖動(dòng)小于2% UI，不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器一側(cè)的相位抖動(dòng)要求。超低的RON平坦度（0.2 Ohm）和差分通道電阻有助于減少低傳播延遲差異，終可將確定抖動(dòng)降至。其傳播延遲也很低，這對(duì)于D+ 和D- 線路的偏斜影響微乎其微幾乎為零。超低的RON平坦度有助于將信號(hào)上升和下降時(shí)間的不一致性保持在USB規(guī)范的10%范圍內(nèi)。

載波濾波器開關(guān)

在雙頻段 (GSM900和DCS1800) 蜂窩電話應(yīng)用中，每個(gè)頻段要求接收器在一定的鎖定時(shí)間內(nèi)，鎖定于不同的頻率上 (900MHz和1800MHz)。在圖4中，兩個(gè)無源模擬RC濾波器共享一個(gè)數(shù)字式相位/頻率檢測器。低通濾波器的帶寬會(huì)影響VCO輸出鎖定于參考頻率所花費(fèi)的時(shí)間。在閉環(huán)系統(tǒng)中，不同RC網(wǎng)絡(luò)之間的切換會(huì)產(chǎn)生不同的帶寬值，因而形成不同的動(dòng)態(tài)行為，如鎖定時(shí)間、阻尼比和輸出時(shí)鐘噪聲。因此，在這種應(yīng)用中應(yīng)該選用導(dǎo)通電阻低、激活時(shí)間短的模擬開關(guān)，以避免可能出現(xiàn)的信號(hào)損耗和動(dòng)態(tài)環(huán)路干擾。

設(shè)計(jì)建議

對(duì)于USB信號(hào)的傳送，設(shè)計(jì)人員可采用某些技巧，利用模擬開關(guān)加快PCB設(shè)計(jì)過程。首先應(yīng)將差分信號(hào)的電路板引線條長度差異降至，以優(yōu)化通道之間的偏斜，從而進(jìn)一步降低可確定的抖動(dòng)。此外，開關(guān)應(yīng)布置在USB驅(qū)動(dòng)器輸出的附近，作為驅(qū)動(dòng)器輸出的集總負(fù)載。這種布局有助于減少反射或回波損失，并改善EMI性能。建議使USB驅(qū)動(dòng)器和連接器之間的線路板引線條長度化，以獲得的信號(hào)完整性。否則，引線條的電感可能會(huì)與開關(guān)的導(dǎo)通電容共同作用，降低諧振頻率，減小數(shù)據(jù)通路的帶寬。這樣會(huì)使信號(hào)邊沿降級(jí)，造成更大的附加抖動(dòng)。為了將靜態(tài)功耗降至，建議使用選擇控制信號(hào)進(jìn)行0至VCC的切換。

總結(jié)

3G蜂窩電話的功能以正極速的步伐增加，包括MP3播放器、立體聲 FM收音機(jī)、PDA和電視等功能的聚合，而對(duì)小型封裝和低壓工作功能模擬開關(guān)的需求將持續(xù)增長。在設(shè)計(jì)中采用模擬開關(guān)為硬件共享及音頻或視頻信號(hào)處理，傳送模擬或數(shù)字信號(hào)，能受益于模擬開關(guān)的低導(dǎo)通電阻和低THD特性。高帶寬的智能開關(guān)將繼續(xù)為市場服務(wù)，提供比功耗較大的有源開關(guān)少的功耗。