高性能模拟开关改进蜂窝电话设计

　　为了满足GSM/GPRS 以及3G (第三代) 多模式蜂窝电话和其它便携式产品的功能聚合需求，高性能模拟开关应运而生。这是最重要的器件之一，能帮助设计人员降低成本、节省空间，并同时满足不同的功能需要。具有高带宽和低插入损耗特性的模拟开关已广泛用于高端蜂窝电话的设计中，能以低微的总谐波失真 (THD) 传送音频信号，并以最小的抖动和边沿失真传送USB信号。本文将探讨蜂窝电话应用对模拟开关的特殊要求，以协助设计人员选择合适的模拟开关。此外，本文还将介绍减少非线性失真、偏斜和回波损耗的方法，从而加快设计速度。

　　音频信号传送

　　大多数标准蜂窝电话设计使用单位单刀双掷 (SP/DT) 开关，对外部和内部32 Ohm扬声器或其它音频处理单元之间的基带语音信号进行多路信号分离。由于蜂窝电话和便携式电子产品日趋小型化，为了满足印刷线路板空间受限的要求，小型封装变得尤为重要。

　　在便携式电子产品中，功耗永远是重要的考虑因素。为了降低功耗，通常使用低导通电阻 (RON) 开关以减少插入损耗。但是，如果只注重RON而不综合考虑RON和总谐波失真 (THD) 的平衡，就会对音频设计人员造成误导。例如，对于前端接有放大器的32 Ohm扬声器而言，超低的导通电阻(远低于最大值1 Ohm)对于优化设计K非必要，原因有二：首先，放大器增益可以补偿由稍高导通阻抗引起的插入损耗;其次，如果选择了超低的RON，通常会产生导通电容大幅增加的问题。模拟开关的导通电容和RON平坦度均会引起音频信号的非线性失真，即总谐波失真。

　　THD在这里是重要的考虑因素，尤其在音频放大器之前切换音频信号时，存在THD噪声增大的风险。在任何实际设计中，均应考虑在音频信号保真度和可能降低的功耗之间进行折衷。此外，较高的导通电容常常伴随着较大的电荷注入，它会在扬声器关闭时引?quot;爆音噪声。此例中，重要的是使用了低电阻的模拟开关(图1)，导通电阻少于1.35 Ohm最大值，典型THD 为0.002% 左右。优化的THD以及优良的插入损耗性能使这些开关成为蜂窝电话设计的理想选择，特别适合具有严格音频保真要求的蜂窝电话设计。

　　双位单刀双掷 (SP/DT) 开关在使用立体声音乐作为振铃功能的高端蜂窝电话设计中十分有用。所示，来自基带处理器的振铃和语音信号共用一个内部扬声器。此处的振铃信号一般来自和谐振铃发生器，由处理器的数字输出驱动，保证当用户讲话时振铃功能关闭。由于曲调芯片具有左、右音频声道输出，建议使用具有低THD和低导通电阻的双SP/DT开关，以实现高保真音频信号切换。

　　USB 信号交换

　　由于大多数3G蜂窝电话设计具有功能密集的特点，基带处理器制造商正转向USB On the Go，以便更好地利用OTG的能力直佑胪馍枇接T诖擞τ弥校具有低偏斜和高带宽的双SP/DT模拟开关，能够以最小的边沿失真切换USB信号。此外，模拟开关具有共享USB和基带处理器UART接口之间的连接器的能力，以适应电缆选项。同样地，在智能蜂窝电话设计中，基带处理器和PDA处理器的USB I/O可以借助双SP/DT模拟开关，共享相同的连接引脚，完全符合USB 1.1和USB 2.0的低速和全速规范。

　　所示为工作于12 Mbps、附加相位抖动 (峰至峰) 仅为1.25 ns的全速模式USB开关的交流波形。USB开关产生的单位间隔抖动小于2% UI，不会影响驱动器一侧的相位抖动要求。超低的RON平坦度(0.2 Ohm)和差分通道电阻有助于减少低传播延迟差异，最终可将确定抖动降至最低。其传播延迟也很低，这对于D+ 和D- 线路的偏斜影响微乎其微几乎为零。超低的RON平坦度有助于将信号上升和下降时间的不一致性保持在USB规范的10%范围内。

　　载波滤波器开关

　　在双频段 (GSM900和DCS1800) 蜂窝电话应用中，每个频段要求接收器在一定的锁定时间内，锁定于不同的频率上 (900MHz和1800MHz)。在图4中，两个无源模拟RC滤波器共享一个数字式相位/频率检测器。低通滤波器的带宽会影响VCO输出锁定于参考频率所花费的时间。在闭环系统中，不同RC网络之间的切换会产生不同的带宽值，因而形成不同的动态行为，如锁定时间、阻尼比和输出时钟噪声。因此，在这种应用中应该选用导通电阻低、激活时间短的模拟开关，以避免可能出现的信号损耗和动态环路干扰。

　　设计建议

　　对于USB信号的传送，设计人员可采用某些技巧，利用模拟开关加快PCB设计过程。首先应将差分信号的电路板引线条长度差异降至最小，以优化通道之间的偏斜，从而进一步降低可确定的抖动。此外，开关应布置在USB驱动器输出的附近，作为驱动器输出的集总负载。这种布局有助于减少反射或回波损失，并改善EMI性能。建议使USB驱动器和连接器之间的线路板引线条长度最小化，以获得最佳的信号完整性。否则，引线条的电感可能会与开关的导通电容共同作用，降低谐振频率，减小数据通路的带宽。这样会使信号边沿降级，造成更大的附加抖动。为了将静态功耗降至最小，建议使用选择控制信号进行0至VCC的切换。

　　总结

　　3G蜂窝电话的功能以正极速的步伐增加，包括MP3播放器、立体声 FM收音机、PDA和电视等功能的聚合，而对小型封装和低压工作功能模拟开关的需求将持续增长。在设计中采用模拟开关为硬件共享及音频或视频信号处理，传送模拟或数字信号，能受益于模拟开关的低导通电阻和低THD特性。高带宽的智能开关将继续为市场服务，提供比功耗较大的有源开关最少的功耗。