AN-6015SC—FSHDMI04(HDMI开关)

©2006FairchildSemiconductorCorporation•8/23/06AN-6015SC—FSHDMI04(HDMI开关)应用指南对于已存在单一HDMI输入端的系统设计中，通过开关来复用HDMI解码器从而加入第二组HDMI输入端口，这样既简化了设计又降低了系统的成本。首批因HDMI开关产品而受益的主要应用包括各种格式的高清显示器诸如CRT、LCD、DLP和等离子显示器等。这些产品中无需使用更新更贵的双输入HDMI接收器，只是增加第二个端口，HDMI开关就可以对现有已采用单HDMI输入端的设计迅速进行升级。HDMI开关(如FSHDMI04)只需简单地置放在HDMI接收器和两个HDMI连接器之间。这种配置能让用户将数字机顶盒(STB)和游戏机或未来具HDMI功能的高清DVD播放机连接到显示器上。利用标准的单输入显示器，用户必须拔去STB才可通过HDMI线缆播放电影或视频游戏。由于FSHDMI04是双向的，它既能作为接收器应用（如显示屏）又能作为数据源应用（如机顶盒，计算机），在这应用里面一个单一数据源可以连接到不同的输出点。图1的应用显示了怎么加入第二组的HDMI输入口到现有的设计中，特别指出还种方案需要能发送更高电压及更低频率的控制信号。建议使用一个至少165MHz的耐5V四通道SPDT开关(例如FSAL200或FSAV330)。这些控制信号用于接收器和数据源之间的首次握手，数据源根据这些控制信号来确定接收器能够处理什么样的视频分辨率。只需要FSHMDI04开关和一个以用于切换控制数据的开关，就可以在单输入设计上完全实现第二个HDMI输入接口的加入。图1FSHDMI04FSAV330orFSAL200HDMIReceiverHDMISource13TMDSPairs1ClockPair3TMDSPairs1ClockPairHDMISource23TMDSPairs1ClockPairHDMISource1HDMISource2I2Csignals,HotPlugDetectI2C,HotPlugDetectI2Csignals,HotPlugDetectAN-6015SCAPPLICATIONNOTE©2006FairchildSemiconductorCorporation•8/23/062以下是HDMI和DVI概述。HDMIHHDMI是两者之中较新的一种格式，基于老的DVI规范。DVI只能处理视频数据，HDMI却可包含音频及视频数据，并通过称为高清内容保护(HDCP)的数字加密协议形式提供更强的内容保护功能。由于HDMI连接涵盖视频和音频数据，因此可在数据源和接收器之间实现单一连接。两种格式都遵循相同的电气规格，所以像FSHDMI04等无源视频开关HDMI或DVI信号并不加以区分。这种共同遵循的电气规格为最小化传输差分信号(TMDS)，在每一链路中使用了由3个差分数据对与1个差分时钟对组成的4个差分对。HDMI在两种基本数字配置之一(单链路或双链路)上传输数据。任一给定链路的最大总带宽是4.95Gbps(3个TMDS并且每对差分信号的传输速率为1.65Gbps)。对应于165MHz的最大时钟频率。数据和时钟频率不同的原因在于数据以称作像素的10位数据包发送。对清晰度要求低于165兆像素/秒的显示器而言，单一链路连接已经足够。假若清晰度要求在165兆像素/秒和350兆像素/秒之间，可使用第二条链路并行发送数据。由于两条链路共享一个时钟对，因此最大的时钟频率始终为165MHz。图2显示了基本的双链路架构，并可供单链路或双链路连接使用。DVIDVI是市场上第一个标准化的纯数字视频连接。像HDMI一样，它对单或双链路配置的需求取决于所选的显示器清晰度、显示器类型和相应的刷新频率。DVI连接在电脑应用中仍然相当普及，许多系统都具有DVI输出以便实现至数字LCD显示器的直接数字连接。例如，一个刷新频率为60Hz的高清LCD显示器(1,920x1,080)可利用单链路DVI和约130MHz的时钟频率连接。这些能够在图3（参自于DVI标准）中观察到。图2AN-6015SCAPPLICATIONNOTE©2006FairchildSemiconductorCorporation•8/23/063HDMI/DVI的应用挑战和关键规范由于DVI和HDMI的基本电气特性都是基于同一标准，像FSHDMI04这样的开关适用于这两种数字视频格式。HDMI和DVI的数据速率都非常高，并允许传输未经压缩的数字视频。在单链路HDMI连接中，每个TMDS对将以高达1.65Gbps的速率传输数据，较高速USB快三倍。因此当利用高速数据传输协议进行设计时，出现了新的应用挑战。在这个环境中，以前微不足道的寄生电容、线载(lineloading)和信号失配都可能导致误码率的增加，甚至造成发送或接收数据的失败。此外，HDMI和DVI规范的编写者从不会想到在发送器和接收器之间的信号路径中插入无源高频低损耗开关。认真阅读HDMI和DVI的规范便可明显发现这一点，因为在电气规范中几乎没有留给加入的非理想开关器件带来的变化余地。因此，HDMI和DVI高性能开关生产商必须针对应用的特定需求谨慎定制其产品，否则将不能在系统中正常工作。以下是一些关键的功能特性，根据这些特性可以判定开关能否在高速环境下工作。导通电容与导通阻抗开关的导通电容是判断开关对TMDS数据流影响的最重要因素。过大的开关电容会导致信号弧形边缘，造成较慢的上升和下降速度。其结果是，系统的抖动增加，相应的误码率增大。通道的电容失配对HDMI和DVI规范的影响很大，使得要满足非常严苛的偏移(skew)规范更加困难。例如，当以最高速率传输数据时，差分对内偏移不能超过0.15Tb，亦即不能大于90ps。HDMI/DVI开关设计工程师必须面对的一个设计问题是导通电图3AN-6015SCAPPLICATIONNOTE©2006FairchildSemiconductorCorporation•8/23/064容和导通阻抗的折衷。低导通电容性能需要付出导通阻抗增加的代价。这个折衷是不可避免的，这也正是HDMI/DVI开关必须针对有关应用进行设计的基本原因之一。许多设计工程师都很熟悉电压驱动应用，并因此很自然地认为导通阻抗是开关选择中最重要的规格。这是因为在电压源应用中，导通阻抗往往会引起插入损耗和信号衰减。但幸运的是，HDMI和DVI信号并没有这个问题，因为它们使用具有终结电阻的电流源来建立信号电平。图4所示为如何建立TMDS信号的基本原理图。当知道TMDS信号的典型信号范围为AVCC到AVCC-0.5V就能够得出结论，电流源将设置为通过50欧姆的偏置电阻(RT)提供10mA电流，以建立接收器输入电压。由于TMDS传输线是由电流驱动，开关上的插入损耗要比电压驱动应用少得多。采用恒定的10mA电流源，不论电阻上的电压降为多大，都能在接收器输入端提供正确的电压(由于没有理想的电流源，故需记住开关的导通阻抗不能过大)。由于这些原因，FSHMDI04开关拥有几乎没有的导通电容和略高的导通电阻的特性。当面对导通电容/导通阻抗的折衷问题时，应当选择较低的导通电容，因为导通电容对系统性能的影响相对较大。导通电容应该小于5-6pF.这是可以被接收的当导通电阻在10几欧姆时（比如FSHDMI04）。图4带宽第二个重要的开关特性是带宽。要以最大的速率传输数据，HDMI/DVI开关就必须具有至少825MHz的带宽(因为数据速率传输为1.65Gbps，并同时在上升和下降沿触发)。由此得知在0到825MHz的频率范围上，开关的信号损耗不得大于3dB。当传输最高视频分辨率信号时，如果开关不能达到这种性能，将会使数据流严重衰减，从而导致HDMI或DVI接收器无法对数据进行恢复。此外，较窄的带宽会缩短系统可接受的缆线长度，使得最终的设计对于消费者的吸引力大减。基于这些原因，HDMI/DVI开关至少应该具有825MHz的带宽。AN-6015SCAPPLICATIONNOTE©2006FairchildSemiconductorCorporation•8/23/065阻抗匹配以减少反射最后，必须考虑阻抗匹配以及在高速数据线路上增加开关对于信号反射产生的影响。虽然HDMI/DVI开关不可能完美地匹配传输线的线阻抗，但是这些开关仍可通过设计使信号反射减至最小。通过选择具有低导通电容和导通阻抗的HDMI开关，便可以将总系统反射降至最小。就信号反射而言，最好选择较低的导通电容和较高的导通阻抗，这会使开关输入端的电压驻波比(VSWR)具有较大的幅值，有助于补偿稍高的导通阻抗导致的任何损耗，并同时允许加性眼图波罩余量(eyemaskmargin)。DISCLAIMERFAIRCHILDSEMICONDUCTORRESERVESTHERIGHTTOMAKECHANGESWITHOUTFURTHERNOTICETOANYPRODUCTSHEREINTOIMPROVERELIABILITY,FUNCTION,ORDESIGN.FAIRCHILDDOESNOTASSUMEANYLIABILITYARISINGOUTOFTHEAPPLICATIONORUSEOFANYPRODUCTORCIRCUITDESCRIBEDHEREIN;NEITHERDOESITCONVEYANYLICENSEUNDERITSPATENTRIGHTS,NORTHERIGHTSOFOTHERS.LIFESUPPORTPOLICYFAIRCHILD’SPRODUCTSARENOTAUTHORIZEDFORUSEASCRITICALCOMPONENTSINLIFESUPPORTDEVICESORSYSTEMSWITHOUTTHEEXPRESSWRITTENAPPROVALOFTHEPRESIDENTOFFAIRCHILDSEMICONDUCTORCORPORATION.Asusedherein:1.Lifesupportdevicesorsystemsaredevicesorsystemswhich,(a)areintendedforsurgicalimplantintothebody,or(b)supportorsustainlife,or(c)whosefailuretoperformwhenproperlyusedinaccordancewithinstructionsforuseprovidedinthelabeling,canbereasonablyexpectedtoresultinsignificantinjurytotheuser.2.Acriticalcomponentisanycomponentofalifesupportdeviceorsystemwhosefailuretoperformcanbereasonablyexpectedtocausethefailureofthelifesupportdeviceorsystem,ortoaffectitssafetyoreffectiveness.