寬帶視頻切換集成電路AD8108／AD8109及其應(yīng)用

寬帶視頻切換集成電路AD8108／AD8109及其應(yīng)用

摘要：介紹了AD8108，AD8109的主要功能、工作原理、控制邏輯的編程方法，指出了用AD8108設(shè)計(jì)8×16視頻切換系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題。實(shí)踐表明，該切換系統(tǒng)可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)。

0 引言
??? 視頻矩陣切換器主要用于電視視頻領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)的發(fā)展，它的應(yīng)用范圍越來越廣泛?；诖?，許多大公司紛紛推出了寬帶視頻切換集成電路。其中美國模擬器件公司生產(chǎn)的AD8108／AD8109不僅集成了許多分立元件實(shí)現(xiàn)的功能，而且成本低、使用壽命長、電磁兼容性好、擴(kuò)展性好。本文從寬帶視頻切換集成電路AD8108／AD8109的功能入手，著重討論了其工作原理和控制邏輯和編程，并結(jié)合AD8108的應(yīng)用對應(yīng)用時(shí)需注意的問題進(jìn)行了討論。

1 AD8108／AD8109的功能原理
??? AD8108／AD8109是一種高速8×8的視頻切換矩陣，其-3 dB帶寬大于250 MHz，信道切換時(shí)間少于25 ns，且其損耗小于l％。AD8108／AD8109在5 MHz時(shí)僅有-83 dB的串?dāng)_和-98dB的隔離度，具有優(yōu)于0．02％，0．02°的微分增益誤差／微分相位誤差。由于其具有0．1 dB的增益平坦度，從而使AD8108／AD8109成為視頻信號切換的理想器件。
1．1 引腳功能
??? AD8108／AD8109采用TQFP封裝，共有80引腳，其引腳結(jié)構(gòu)如圖1所示。各主要引腳的功能如下：

??? INxx：模擬輸入通道，xx表示通道號00～07；
??? DATA IN：串行數(shù)據(jù)輸入，兼容TTL電平；
??? CLK：時(shí)鐘，下降沿有效，兼容TTL電平；
??? DATA OUT：串行數(shù)據(jù)輸出，兼容TTL電平；
??? ：數(shù)據(jù)控制端。為低時(shí)，允許寄存器數(shù)據(jù)直接送到開關(guān)矩陣；為高時(shí)，鎖存數(shù)據(jù)；
??? ：芯片使能端，低電平有效；
??? ：復(fù)位端，低電平有效；
??? ：工作方式選擇端。低電平，選擇串行模式：高電平時(shí)，選擇并行模式。
??? OUTyy：模擬輸出，yy表示通道號00～07；
??? A2～A0：并行數(shù)據(jù)輸入端，兼容TTL電平，
其中A0是最低位；
??? D2～D0：并行數(shù)據(jù)輸入端，兼容TTL電平，
其中D0是最低位；
??? D3：并行數(shù)據(jù)輸入輸出使能，與TTL兼容。
??? NC：懸空端。
??? 其它還有比如模擬地(AGND)、數(shù)字地(DGND)、模擬負(fù)電源(AVEE)、模擬正電源(AVCC)等都比較容易理解，此處不再贅述。

1．2 工作原理
??? AD8108(G=1)和AD8109(G=2)具有相同的內(nèi)核。其容量都是8×8。主要由32 bit移位寄存器、并行鎖存器、解碼器、64點(diǎn)的切換矩陣和輸
出緩沖器等部分組成，圖2是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

??? 由圖2可以看出，AD8108／AD8109有兩種控制方式，它們均通過芯片內(nèi)的32 bit移位寄存器對8路輸入和8路輸出進(jìn)行切換控制。
??? 當(dāng)為低電平時(shí)，選擇串行模式。在該模式下，以默認(rèn)的順序確定輸出端口，而不用輸入地址。AD8108／AD8109有8個(gè)輸出端口，分別對應(yīng)4bit數(shù)據(jù)，即D3～DO。其中D3用來阻斷或使能該輸出端口，當(dāng)D3為0時(shí)，D2～DO無效，相應(yīng)的輸出端口阻斷。D2～DO用來確定與某個(gè)輸出端口相連接的輸入端口。DATA IN通過CLK信號的下降沿驅(qū)動(dòng)，依次傳輸OUT7[D3]、OUT7[D2]、OUT7[D1]、OUT7[D0]、 ……、OUT0[D3]、OUT0[D2]、OUT0[Dl]、OUT0[D0]數(shù)據(jù)到芯片內(nèi)的32bit移位寄存器中，并由移位寄存器控制輸入信號和輸出信號的對應(yīng)切換關(guān)系。當(dāng)32bit數(shù)據(jù)全部輸入完畢時(shí)，停止CLK信號，變?yōu)榈碗娖剑瑫r(shí)根據(jù)剛輸入的32bit數(shù)據(jù)來切換矩陣的輸入和輸出。若CLK信號沒有停止，則切換矩陣數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更改。當(dāng)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，32 bit數(shù)據(jù)鎖存完畢。采用串行模式的特點(diǎn)是使用的控制信號少，但速度慢：同時(shí)每次更改輸入輸出配置時(shí)，必須提供32 bit的串行數(shù)據(jù)，這樣才能將整個(gè)矩陣數(shù)據(jù)更改：此外，串行數(shù)據(jù)輸出端也可為構(gòu)建大容量的矩陣切換器提供方便，此時(shí)，只需將一個(gè)芯片的DATA OUT端連接到另一個(gè)芯片的DATA IN，而其它(如CLK、、、)則應(yīng)該并行連接。
??? 當(dāng)為高電平時(shí)。選擇并行模式。在該模式下，當(dāng)為低電平，設(shè)置為高電平且在CLK下降沿時(shí)，包括、A2～A0、D3～DO在內(nèi)的引腳上的邏輯值都將進(jìn)入帶有4位并行加載功能的32位移位寄存器中。至于4位數(shù)據(jù)D3～D0裝入到32位移位寄存器的哪一個(gè)4位單元，則由A2～A0決定。A2～A0將32位移位寄存器分成8個(gè)4位單元段，每一個(gè)4位單元段對應(yīng)一個(gè)輸出緩沖器。當(dāng)為低電平時(shí)，上述移位寄存器的內(nèi)容進(jìn)入并行鎖存模塊，然后經(jīng)8x4：8解碼后，即可對開關(guān)矩陣進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)由D3、D2～D0、A2～A0決定8路輸入中的任一路輸入向8路輸出中的任一路輸出。并行模式的特點(diǎn)：一是使用的控制信號多，但速度快；二是在改變單個(gè)輸出通道的工作方式時(shí)，不需要重新編程設(shè)置整個(gè)切換矩陣。

2 時(shí)序及控制邏輯編程
??? AD8108／AD8109的信號通道帶寬不低于250MHz(-3dB)，高于計(jì)算機(jī)視頻信號和許多雷達(dá)視頻脈沖的帶寬，因而可用于復(fù)合視頻、分量
視頻、壓縮視頻等許多寬頻帶信號的切換；該芯片將輸出緩沖器集成在芯片內(nèi)，減少了寄生電容，且使它的抗干擾能力較強(qiáng)；這種高密度集成模塊更便于集成更大規(guī)模的視頻矩陣切換電路；器件有串行或并行兩種控制方式，其控制都比較簡單，而且驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能驅(qū)動(dòng)150Ω負(fù)載。此外，該芯片功耗低，工作電流僅45 mA，并有輸出禁止功能，可允許多個(gè)芯片的輸出直接連接。

2．1 時(shí)序圖
??? AD8108／AD8109的串行模式時(shí)序圖如圖3所示。圖中，其時(shí)鐘信號CLK和刷新信號均是下降沿有效。特別應(yīng)當(dāng)注意的是，數(shù)據(jù)的建立時(shí)間t1最少為20 ns，的鎖存時(shí)間t6最少為50 ns，即在數(shù)據(jù)建立后，最長不超過180 ns(t7)串口輸出數(shù)據(jù)。故當(dāng)一組數(shù)據(jù)(D3-D0)傳送完時(shí)，可立即在時(shí)鐘下降沿有效，(降為低電平)鎖存數(shù)據(jù)；也可停止時(shí)鐘，隔一段時(shí)間使有效。

??? 圖4所示是其工作在并行模式時(shí)的時(shí)序圖。該模式下，數(shù)據(jù)的建立時(shí)間和信號的鎖存時(shí)間均與串行模式相同。
2．2控制邏輯的編程
??? 串行工作模式通常使用引腳、CLK、DATA IN、和。第一步，應(yīng)在低電平有效的情況下，設(shè)為低電平，使其工作在串行模式；第二步，串行輸入32 bit的數(shù)據(jù)以完成一次輸入輸出配置的更改。每個(gè)輸出端口對應(yīng)4 bit位(D3～DO，D3先輸入，如D3為低電平，則相應(yīng)的輸出阻斷，緊跟的D2～D0則沒意義)，共8個(gè)輸出端口，第8個(gè)輸出端口的數(shù)據(jù)最先輸入；第三步，在32 bit的數(shù)據(jù)全部輸入完畢時(shí)，停止CLK信號，變?yōu)榈碗娖?，并根?jù)剛輸入的32 bit數(shù)據(jù)來切換矩陣的輸入輸出配置。如果在為低電平期間，CLK信號沒有停止。則切換矩陣數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更改；第四步，變?yōu)楦唠娖剑?2 bit數(shù)據(jù)鎖存完畢。
??? 需要注意的是：如果多個(gè)AD8108／AD8109器件級聯(lián)，則一次更改所需bit數(shù)是32與器件數(shù)的乘積。串行數(shù)據(jù)首先輸入第一個(gè)芯片的DATA
IN，然后依次進(jìn)入其它芯片，直至最后的芯片。因此，給最后一個(gè)芯片的數(shù)據(jù)是程控序列的前端。
??? 并行工作模式一次只允許更改一個(gè)輸出端口的配置。由于一次更改只花費(fèi)一個(gè)CLK和周期，因而極大地提高了更改速度。并行工作模式需用到引腳、CLK、、D3-D0、A2～A0和。第一步，首先是在低電平有效的情況下，設(shè)置為高電平，使其工作在并行模式；第二步則設(shè)置為高電平，同時(shí)設(shè)置輸出地址A2～A0，和輸入地址D2～DO，以及輸出使能端D3，以使4位數(shù)據(jù)D3～D0裝入由A2～A0決定的32位移位寄存器中的某個(gè)4位單元段。第三步，端置低電平。32位移位寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖存到并行寄存器中，再經(jīng)8x4：8解碼后控制矩陣完成切換。
??? 必須重點(diǎn)考慮的是：復(fù)位信號不能復(fù)位AD8108／AD8109中的所有寄存器，只是將切換矩陣的所有輸出通道設(shè)為禁止?fàn)顟B(tài)，而寄存器中切換邏輯仍置于一個(gè)隨機(jī)的排列中。因此，不管是串行模式還是并行模式，初始上電后，都必須將所有的移位寄存器編程為期望的狀態(tài)。

3 AD8108／AD8109的應(yīng)用及注意事項(xiàng)
??? AD8108／AD8109是高密度集成模塊，利用其輸出使能、片選使能的不同特征可構(gòu)建超過8x8的大尺寸視頻切換開關(guān)。構(gòu)建更大的矩陣開關(guān)
時(shí)，可將它們與AD8116配合使用。圖5所示是使用2片AD8108組成的8x16視頻切換系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)8路輸入中的任一路向16路輸出中的任一
路輸出，可滿足某型雷達(dá)告警設(shè)備比幅測向功能測試時(shí)需要將兩路視頻窄脈沖序列不同時(shí)切換到四個(gè)方向、四個(gè)頻段16通道的需求。

??? AD8108／AD8109主要用于視頻切換。由于視頻信號頻率較高，頻帶較寬，故在使用AD8108／AD8109時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
??? (1)信號通道帶寬的考慮
??? 信號通道帶寬是視頻切換系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它決定了視頻切換系統(tǒng)的技術(shù)難度、功能和成本。ADI公司的8×8矩陣切換芯片有AD8108／
AD8109，它們的-3 dB帶寬為325 MHz／250 MHz，雖然這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電視視頻信號和計(jì)算機(jī)視頻信號的帶寬，但整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后的通道帶寬往往會降低。實(shí)驗(yàn)表明，前級選用AD8108進(jìn)行小信號切換，后級選用AD8109進(jìn)行切換和放大，并注意阻抗的匹配，有利于提高矩陣切換器的通道帶寬，并加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。
??? (2)隔離度要求
??? 隔離度是衡量系統(tǒng)抗交叉串?dāng)_能力的重要指標(biāo)。雖然AD8108／AD8109在5 MHz時(shí)的隔離度為-83 dB／-75 dB，但隔離度與串?dāng)_信號的頻率有很大的關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)完成整個(gè)系統(tǒng)后，其隔離度指標(biāo)往往要降低很多。研究表明，人眼視覺可覺察到3％的亮度差異，相當(dāng)于-30 dB的隔離度。而-45 dB的隔離度相當(dāng)于0．56％的噪音(或串?dāng)_)，遠(yuǎn)低于3％，由于有足夠的余量，因而人眼感覺不到串?dāng)_光點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)完成整個(gè)系統(tǒng)后，其隔離度應(yīng)不低于-45 dB才能滿足要求。
??? (3)大型切換矩陣構(gòu)建
??? AD8108和AD8109最大的不同是增益不同。AD8108的增益為+1，而AD8109的增益為+2。故在構(gòu)建大型切換矩陣時(shí)，為了減少切換時(shí)的串?dāng)_、提高信號通道帶寬，同時(shí)考慮到AD8109較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，一般將AD8108用在前級，而將AD8109用在后級。
??? (4)印制板設(shè)計(jì)
??? AD8108／AD8109是高密度集成模塊，其輸出使能、片選使能的不同特征使得它們在構(gòu)建大型切換矩陣中發(fā)揮了重要作用。為了最小化系統(tǒng)電路板產(chǎn)生的串?dāng)_，設(shè)計(jì)時(shí)必須仔細(xì)處理接地、屏蔽、信號通路和供電旁路等，具體應(yīng)注意的：一是各路視頻信號間應(yīng)用較粗的地線隔開；二是模擬地和數(shù)字地應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格分開，只在電源處相連；三是模擬電源和數(shù)字電源獨(dú)立，電源的走線應(yīng)盡量與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致；四是采用多點(diǎn)接地屏蔽，且接地線應(yīng)盡量粗，并在關(guān)鍵部位配置去耦電容；五是在用多片AD8108／AD8109組成大容量系統(tǒng)時(shí)，其控制線及片選線須加驅(qū)動(dòng)電路。
??? (5)軟件編程控制
??? 軟件控制切換時(shí)，應(yīng)先使所有的輸出處于禁止?fàn)顟B(tài)，然后，使相應(yīng)的輸出處于允許狀態(tài)，再接通對應(yīng)的輸入?？紤]到AD8108／AD8109通常工作于并行模式時(shí)，復(fù)位信號只能將切換矩陣的所有輸出通道設(shè)為禁止?fàn)顟B(tài)。而不能復(fù)位AD8108／AD8109中所有寄存器，寄存器中切換邏輯仍置于一個(gè)隨機(jī)的排列中。因此，初始上電后，和不允許都置低，以防止矩陣開關(guān)處于一個(gè)未知狀態(tài)。

4 結(jié)束語
??? 通過本文的分析和設(shè)計(jì)，利用2片AD8108組成的8x16矩陣切換系統(tǒng)，目前已成功運(yùn)用于某型雷達(dá)告警設(shè)備比幅測向功能的測試中，并成功實(shí)現(xiàn)了在兩路視頻窄脈沖序列不同時(shí)切換到四個(gè)方向、四個(gè)頻段16通道的切換功能。實(shí)踐表明，該切換系統(tǒng)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。