浅谈笔记本中VGA信号切换的原理

概述

尽管数字视频开关在2008已经变得非常流行，但是，截至2015年，市场上仍然会有数千万的显示器、投影仪采用模拟VGA。几乎所有采用坞站的笔记本电脑都是通过笔记本电脑底部的一组接口切换VGA信号。

支持坞站与VGA连接器之间切换的理想器件不仅要管理控制所有开关，而且要对所有连接到输出的器件提供足够的ESD保护。

MAX4885E VGA开关优化用于笔记本电脑和坞站之间的信号切换，器件包括三路高频(约950MHz) RGB开关、两路低频DDC信号的箝位开关以及一对用于行、场信号电平转换的缓冲器。

优化VGA信号切换

为了正确处理模拟VGA信号，七路信号应该切换到计算机的连接器或坞站端口。如果没有使用开关，那么，每个端口都可能连接了没有使用的信号，需要考虑在DAC输出端增大的电容，会造成带宽损失。视频信号通常是标准的75Ω，视频DAC通常是一个驱动75Ω负载的电流源。显示器也是75Ω负载，这样就形成了双终端负载系统，而DAC能够为75Ω负载提供的最大VGA驱动是0.7V。

许多设计人员都试图设计支持1920 × 1200、60Hz的视频，像素速率≈6.0ns。如果允许信号的上升、下降沿分别为1.7ns，信号可以满足VESA (视频电子标准协会)的要求，因此：

tR = 2.2RC, 其中R = 37.5Ω

如果DAC的tR为0，由上式可以得出系统的tR。但是，典型应用中的DAC在没有额外负载的情况下，tR一般为1ns。假设DAC的延迟包含两部分：内部延时和输出电容引起的上升时间。对于上述应用，假设DAC的内部延时为300ps，容值为8pf。加上开关的8pf，总电容≈16pF。所以，对于大多数这样的应用，传统模拟开关的f3dB带宽为400MHz，虽然足以支持140Msps的信号，但DAC占用了整个系统的绝大部分裕量。

MAX4885E VGA开关大大减少了元件数量

MAX4885E是一款完整的1:2 VGA开关，具有大于700MHz的RGB带宽和小于7pF电容。另外，所有输出均具备±15kV HBM (人体模式) ESD保护，无需外加ESD保护电路，不仅节省了成本，而且消除了用于ESD保护的外部电容。

MAX4885E还有两个重要功能：能够将低电平的行、场信号按照VESA标准转换成5.0V TTL兼容逻辑电平(图1)。所提供的行、场信号可驱动双负载。与RGB信号一样，行、场信号也具备±15kV的静电保护，无需增加额外元件保护其输出。将VL引脚连接到+3.3V，行、场信号可以从较低电平转换成TTL兼容电平。

图1. 行、场信号电平转换原理图

MAX4885E还可以提供DDC (显示数据控制)开关、电平箝位和ESD保护功能。通过切换DDC信号，分离容性负载。这些信号兼容于I2C标准且最大负载电容为700pF。如果两个负载连接到同一输出，容性负载可能超出范围。MAX4885E在同一时间只允许连接一个负载。类似于其它功能，DDC输入也具有±15kV ESD保护。

MAX4885E的DDC开关还为此类应用提供了一个附加功能：电压箝位。来自显示器的DDC电压通常通过2.2kΩ电阻上拉到+5V (图2)。DDC驱动器不允许出现如此高的电压，一般只允许最大+3.3V的电压。DDC信号兼容于I2C标准，开关两侧都有上拉电阻。开关本身由一对n沟道晶体管组成。

图2. n沟道FET晶体管箝位原理图

由于体二极管的影响，n沟道FET只能通过约0.7V以内的栅极电压。当电压接近栅极电压时，由于偏置电压不够大，沟道电阻增大。而开关两侧均上拉到各自的供电电压时，n沟道几乎完全箝位。可以传输接近地电位的信号，开关很容易下拉。如果+5V侧信号范围为：0.5V至4.8V，则3.3V侧的信号摆幅为0.5V至3.3V，如上图(左侧)。

结论

截至2015年，模拟VGA信号仍将用于主流计算机，甚至使用时间更长。高清显示器要求信号的上升/下降时间小于1.6ns。为了达到如此快的时间，DAC输出端必须保持尽可能小的电容。MAX4885E VGA开关具有小于7pF的电容，提供微小的4mm × 4mm封装。器件的所有输出均具有±15kV ESD保护，RGB、行、场输出端以及DDC信号均不需要额外的保护电路。MAX4885E还增加了低电压到TTL逻辑电平的转换器/缓冲器，进一步完善了功能需求。行、场信号可以从大约0.5V至1.5V转换到5V TTL逻辑电平。具有静电保护的输出经过缓冲后能够为负载提供±8mA的驱动，上升/下降时间小于5ns。总之，MAX4885E能够提供低电容切换、箝位保护以及ESD保护。MAX4885E可理想用于笔记本电脑的坞站开关，提供评估(EV)板方便地进行器件测试和方案评估。