在筆記本電腦中切換VGA信號

摘要：本文介紹了一種利用MAX4885E低電容VGA開關實現筆記本電腦與塢站之間視頻切換的解決方案。MAX4885E的電流損耗近乎為零，集成在4mm × 4mm封裝內，器件包含了分立方案所需的絕大部分開關和有源元件，從而節省了成本、減少了所需元件數量。器件的所有輸出端具有±15kV人體模式(HBM) ESD保護。

概述

盡管數字視頻開關在2008已經變得非常流行，但是，截至2015年，市場上仍然會有數千萬的顯示器、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筆記本電腦底部的一組接口切換VGA信號。

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關，而且要對所有連接到輸出的器件提供足夠的ESD保護。

MAX4885E VGA開關優化用于筆記本電腦和塢站之間的信號切換，器件包括三路高頻(約950MHz) RGB開關、兩路低頻DDC信號的箝位開關以及一對用于行、場信號電平轉換的緩沖器。

優化VGA信號切換

為了正確處理模擬VGA信號，七路信號應該切換到計算機的連接器或塢站端口。如果沒有使用開關，那么，每個端口都可能連接了沒有使用的信號，需要考慮在DAC輸出端增大的電容，會造成帶寬損失。視頻信號通常是標準的75Ω，視頻DAC通常是一個驅動75Ω負載的電流源。顯示器也是75Ω負載，這樣就形成了雙終端負載系統，而DAC能夠為75Ω負載提供的最大VGA驅動是0.7V。

許多設計人員都試圖設計支持1920 × 1200、60Hz的視頻，像素速率≈6.0ns。如果允許信號的上升、下降沿分別為1.7ns，信號可以滿足VESA (視頻電子標準協會)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的tR。但是，典型應用中的DAC在沒有額外負載的情況下，tR一般為1ns。假設DAC的延遲包含兩部分：內部延時和輸出電容引起的上升時間。對于上述應用，假設DAC的內部延時為300ps，容值為8pf。加上開關的8pf，總電容≈16pF。所以，對于大多數這樣的應用，傳統模擬開關的f3dB帶寬為400MHz，雖然足以支持140Msps的信號，但DAC占用了整個系統的絕大部分裕量。

MAX4885E VGA開關大大減少了元件數量

MAX4885E是一款完整的1:2 VGA開關，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，無需外加ESD保護電路，不僅節省了成本，而且消除了用于ESD保護的外部電容。

MAX4885E還有兩個重要功能：能夠將低電平的行、場信號按照VESA標準轉換成5.0V TTL兼容邏輯電平(圖1)。所提供的行、場信號可驅動雙負載。與RGB信號一樣，行、場信號也具備±15kV的靜電保護，無需增加額外元件保護其輸出。將VL引腳連接到+3.3V，行、場信號可以從較低電平轉換成TTL兼容電平。


圖1. 行、場信號電平轉換原理圖

MAX4885E還可以提供DDC (顯示數據控制)開關、電平箝位和ESD保護功能。通過切換DDC信號，分離容性負載。這些信號兼容于I2C標準且最大負載電容為700pF。如果兩個負載連接到同一輸出，容性負載可能超出范圍。MAX4885E在同一時間只允許連接一個負載。類似于其它功能，DDC輸入也具有±15kV ESD保護。

MAX4885E的DDC開關還為此類應用提供了一個附加功能：電壓箝位。來自顯示器的DDC電壓通常通過2.2kΩ電阻上拉到+5V (圖2)。DDC驅動器不允許出現如此高的電壓，一般只允許最大+3.3V的電壓。DDC信號兼容于I2C標準，開關兩側都有上拉電阻。開關本身由一對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只能通過約0.7V以內的柵極電壓。當電壓接近柵極電壓時，由于偏置電壓不夠大，溝道電阻增大。而開關兩側均上拉到各自的供電電壓時，n溝道幾乎完全箝位。可以傳輸接近地電位的信號，開關很容易下拉。如果+5V側信號范圍為：0.5V至4.8V，則3.3V側的信號擺幅為0.5V至3.3V，如上圖(左側)。

結論

截至2015年，模擬VGA信號仍將用于主流計算機，甚至使用時間更長。高清顯示器要求信號的上升/下降時間小于1.6ns。為了達到如此快的時間，DAC輸出端必須保持盡可能小的電容。MAX4885E VGA開關具有小于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，RGB、行、場輸出端以及DDC信號均不需要額外的保護電路。MAX4885E還增加了低電壓到TTL邏輯電平的轉換器/緩沖器，進一步完善了功能需求。行、場信號可以從大約0.5V至1.5V轉換到5V TTL邏輯電平。具有靜電保護的輸出經過緩沖后能夠為負載提供±8mA的驅動，上升/下降時間小于5ns。總之，MAX4885E能夠提供低電容切換、箝位保護以及ESD保護。MAX4885E可理想用于筆記本電腦的塢站開關，提供評估(EV)板方便地進行器件測試和方案評估。