개요: 이 애플리케이션 노트는 낮은 커패시턴스 VGA 스위치 MAX4885E를 사용하여 노트북 컴퓨터와 도킹 스테이션 간의 스위칭 기능을 수행하는 방법에 대해 설명한다. MAX4885E는 제로에 가까운 전류를 소비하며 개별 구현에 사용되는 대부분의 스위치와 능동 부품을 4mm x 4mm 패키지에 통합하고 있어 애플리케이션의 비용과 부품 수를 줄여준다. 모든 소자 출력은 ±15kV HBM(Human Body Model)으로 보호된다.
머리말
디지털 비디오 스위칭은 2008년에 이용이 더욱 증가하고 있지만 아직도 수천 만대의 모니터와 프로젝트는 최소 2015년까지 아날로그 VGA 지원을 지정하고 있다. 도킹 스테이션을 사용하는 거의 모든 기업형 노트북 컴퓨터는 노트북 베이스에 있는 일련의 커넥터를 통해 VGA 신호를 스위칭한다.
도킹 스테이션과 VGA 커넥터 간의 스위칭을 처리하는 데 이상적인 소자는 모든 스위칭을 관리하고 포트 커넥터에 연결되는 모든 출력에 적절한 ESD 보호 기능을 제공하는 소자이다.
MAX4885E VGA 스위치는 노트북과 도킹 스테이션 간의 신호 스위칭을 위해 최적화되어 있다. 이 소자에는 RGB를 위한 매우 높은 주파수 (~950MHz) 스위치 3개, DDC 신호를 위한 저주파수 클램핑 스위치 2개, 수평 및 수직 신호를 위한 한 쌍의 레벨 변환 버퍼가 내장되어 있다.
최적화된 VGA 스위칭
아날로그 VGA 신호를 적절히 처리하기 위해서는 7개 신호를 컴퓨터 뒷면 커넥터 또는 도킹 포트에 라우팅해야 한다. 이 기능이 스위칭되지 않으면 사용되지 않는 동안에 어느 한 쪽의 포트가 연결될 수 있으며, 이에 따라 DAC에 상당한 커패시턴스가 추가되고 대역폭 롤 오프를 초래할 수 있다. 비디오 신호는 보통 75Ω 임피던스로 표준화되며, 비디오 DAC는 일반적으로 75Ω 부하를 구동하는 전류 소스이다. 모니터 또한 75Ω 부하이며 두 배로 터미네이트되는 시스템을 제공한다. 75Ω 부하에 대한 DAC 최대 출력은 VGA에 0.7V이다.
많은 설계자는 ≈6.0ns 픽셀 레이트를 생성하는 1920 x 1200, 60Hz를 구현하려고 한다. 각각 1.7ns의 상승 및 하강 시간을 허용하면 신호는 VESA (Video Electronics Standards Association) 요구사항을 통과한다. 따라서 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
tR = 2.2RC, 여기서 R = 37.5Ω
DAC가 0 tR을 갖는다고 할 때 이 수식에서 시스템에 대한 tR을 구할 수 있다. 그러나 이 애플리케이션에 대한 일반적인 DAC는 추가 부하 없이 1ns의 tR을 갖는다. DAC는 자체 출력 커패시턴스로 인해 두 가지 지연 요소인 내부 지연과 상승 시간을 갖는다고 가정하는데, 여기서 DAC는 300ps 내부 지연과 8pf 커패시턴스를 갖는다고 가정한다. 이는 스위치에 허용되는 총 8pF와 함께 ≈16pF의 전체 커패시턴스를 허용한다. 이러한 기능을 위해 사용되는 이전의 많은 아날로그 스위치는 400MHz 정격, f3dB의 대역폭을 갖는다. 이 대역폭은 140Msps 신호에는 적절한 것으로 보이지만 DAC는 훨씬 높은 시스템 마진을 사용한다.
부품 수를 줄여주는 MAX4885E VGA 스위치
MAX4885E는 RGB 스위칭을 위해 700MHz 이상의 대역폭과 7pF 미만의 커패시턴스를 갖는 완전한 VGA 1:2 스위치이다. 이 밖에도 이들 출력은 ±15kV HBM (Human Body Model) 레벨로 보호되므로 추가 ESD 보호 기능이 필요 없다. 이 설계는 비용을 절감할 뿐 아니라 보호 소자에 의해 발생되는 별도의 커패시턴스도 필요 없다.
MAX4885E는 추가적인 두 가지 중요한 기능을 제공한다. 하나는 로우 레벨 수평 및 수직 신호를 VESA 규격에 따라 5.0V 호환 TTL 신호로 변환하는 것이다(그림 1). 두 부하를 모두 구동하기 위해 한 세트의 수평 및 수직 출력이 제공된다. RGB 신호와 마찬가지로 수평 및 수직 신호는 ±15kV까지 보호되므로 출력 보호를 위한 추가 부품이 필요 없다. VL 핀을 +3.3V로 연결함으로써 수평 및 수직 신호는 로우 레벨에서 풀 TTL 호환 상태로 변환된다.
그림 1. 수평 및 수직 변환기 회로도
MAX4885E는 또한 DDC (display data control) 스위칭, 레벨 클램핑 및 ESD 보호 기능을 제공한다. DDC 신호를 스위칭하면 용량성 부하가 분할된다. 이들 신호는 I²C 호환되며 700pF의 최대 부하가 발생한다. 2개의 부하가 동일한 출력에 존재할 경우 용량성 부하가 초과될 수 있다. MAX4885E는 한 번에 하나의 부하만 존재하도록 허용한다. 다른 기능과 같이 DDC 출력은 ±15kV ESD 보호된다.
마지막으로 MAX4885E DDC 스위치가 애플리케이션에 제공하는 기능으로 전압 클램핑이 있다. 모니터의 DDC 전압은 일반적으로 2.2kΩ 저항을 통해 최대 +5V까지 구동된다(그림 2). 이 전압은 DDC 드라이버 소자에 허용되지 않는다. DDC 소자는 보통 최대 +3.3V를 받아들인다. DDC 신호는 I²C 호환되며 스위치 양쪽에 각각 풀 업 저항을 갖는다. 스위치 자체는 한 쌍의 n채널 트랜지스터로 구성된다.
그림 2. n채널 FET 변환기 클램프 회로도
기판 효과로 인해 n채널 FET는 ~0.7V 이내의 게이트 전압으로만 신호를 통과시킬 수 있다. 전압이 게이트 전압에 접근하면 바이어스 부족으로 채널 저항이 증가한다. 스위치 양쪽은 각각 최대 전원까지 구동되므로 n채널은 거의 완전한 클램프 상태가 된다. 또한 접지 가까이에서 신호를 통과시키는 데 문제가 없으므로 풀 다운이 용이하다. 위(왼쪽)에서 보듯이 +5V 측이 0.5V에서 4.8V로 스윙하면 3.3V 측은 0.5V에서 3.3V로 스윙한다.
결론
아날로그 VGA 신호는 2015년 또는 그 이후까지 주류 컴퓨터에 필요할 것으로 보인다. 고화질 모니터 신호는 1.6ns 미만의 상승/하강 시간을 가져야 한다. 이렇게 매우 빠른 시간을 달성하려면 DAC 출력은 모든 추가 커패시턴스를 최소화해야 한다. MAX4885E는 7pF 미만의 커패시턴스를 갖는 VGA 스위칭 소자이며 초소형 4mm x 4mm 패키지로 제공된다. 모든 소자의 출력은 ±15kV까지 보호되므로 RGB, 수평 및 수직, DDC 신호를 위해 추가적인 소자가 필요 없다. 요구사항을 만족하기 위해 MAX4885E는 TTL 로직 레벨 변환기/버퍼에 저전압을 추가한다. 수평 및 수직 신호는 ≈0.5V ~ 1.5V로부터 풀 5V TTL 레벨로 변환된다. 출력은 버퍼링 및 보호되고, 부하로 ±8mA를 구동할 수 있으며 5ns 미만의 상승/하강 시간을 갖는다. 마지막으로 MAX4885E는 감소된 커패시턴스를 위한 스위칭, 보호 클램핑 및 ESD 보호 기능을 제공한다. MAX4885E는 도킹용 스위치를 필요로 하는 모든 랩탑에 사용할 수 있다. 이 소자와 애플리케이션을 테스트할 수 있도록 간편한 EV 킷(EV kit)이 제공된다.
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