Toshiba總線開關提供的附加功能與種類

1. 總線開關提供的附加功能

總線開關用於傳遞或阻止數字信號。

一些總線開關具有電平轉換和容限功能。 (電平轉換總線開關可以在兩個不同的電壓域之間傳遞信號。)

1.1. 電平轉換功能

使用n溝道MOSFET的總線開關可以在兩個不同的電壓域之間傳遞信號。在輸入和/或輸出開關引腳上增加了一個上拉電阻,以將信號電壓拉至每個域中的電源電壓。當使用總線開關雙向傳遞信號時,開關引腳可以是輸入或輸出。在這種情況下,必須在兩個開關引腳上都增加上拉電阻,如圖1.1所示。相反,當使用總線開關單向傳遞信號時,則無需在輸入開關引腳上增加上拉電阻。

 
圖1.1雙電源總線開關的主要電路及其輸入和輸出功能


該總線開關允許通過控制輸入(參考VCCA)進行開/關控制。

在通過控制輸入控制總線開關接通的情況下,當輸入電壓超過由VCCA確定的基準電壓時,總線開關將斷開。假設參考電壓為VCCA,並且總線開關將信號從引腳A傳遞到引腳B。然後,當輸入電壓升至VCCA時,總線開關斷開,並且輸出信號通過VCCB側的上拉電阻上拉至VCCB。同樣,假設總線開關將信號從引腳B傳遞到引腳A。然後,當輸入電壓上升到VCCA時,總線開關斷開,並且通過VCCA側的上拉電阻保持輸出電壓。

由於雙電源總線開關使用上拉電阻進行電平轉換,因此其輸出上升時間比輸出下降時間長。可以根據總線開關的上升波形來計算其最大工作頻率。由於電壓是由電容器通過電阻器的充電和放電決定的,因此,我們使用一個時間常數(代表信號上升到電源電壓的63%所需的時間)來計算最大工作頻率:

最大工作頻率≈1 /(τ),其中τ是時間常數:

1/ (τ)= 1 /(C×R)


例如,假設在以下條件下使用TC7SPB9306。然後,將時間常數τ計算為τ=(14 pF + 30 pF)×1kΩ。因此,該總線開關的最大工作頻率經計算約為20 MHz。應充分評估總線開關,以確保它們在實際工作條件下能夠正常工作,因為其傳播延遲時間會隨電路板電容和其他條件而變化。

開關輸入/輸出電容,CI / O:14 pF

負載電容,CL:30 pF

上拉電阻,Rpu:1kΩ

 
圖1.2 雙電源總線開關的主要電路及其輸入和輸出功能


總線開關和標準邏輯緩衝器的電平轉換差異:

如第1.3節所示,標準邏輯緩衝器由CMOS器件組成。數字信號施加到柵極以驅動內部MOSFET。因此,它具有固有的驅動能力並提供數字輸出。另外,輸出相對於輸入有延遲,如圖3.2所示。

 

1.2. 輸入和輸出容錯功能

總線開關的控制和開關引腳提供容錯功能。當輸入電壓設置為高於電源電壓(VCC)或VCC = 0 V時,控制引腳的輸入耐受功能可防止電流從輸入流向電源。輸入電壓規格顯示在技術數據表的“工作範圍”表中。

例如,當輸入電壓範圍指定為0至VCC時,不得施加高於VCC的電壓,因為總線開關在輸入和VCC引腳之間有一個箝位二極管(即,無輸入容限功能)。相反,當輸入電壓範圍指定為2.0至5.5 V時,無論電源電壓(VCC≤5.5 V)如何,輸入引腳均可接受高達5.5 V的電壓。

開關引腳的容差功能旨在防止在VCC = 0 V時以及在關閉操作期間電流從開關引腳流到VCC。

有關容忍功能的可用性,請參見各個技術數據表。

 


圖1.3 總線開關沒有容錯開關  / 不帶容錯功能的總線開關
表1.1 容錯功能有關的特性


2.總線開關陣容

東芝提供通用和高帶寬總線開關。

表2.1列出了具有不同數據速率的東芝總線開關的類別。

表2.1 總線開關的類別

 

 

2.1. 通用總線開關

通用總線開關東芝提供三種通用總線開關:低電壓,5V和雙電源電平轉換總線開關。表4.2總結了可用的開關配置,電源電壓,類型和容錯功能。

通用總線開關適用於數據速率低於200 Mbps的信號線。

表2.2通用總線開關陣容

2.2. 高頻寬總線開關

USB 2.0,USB 3.0和PCIe 3.0串行鏈路使用了高頻寬總線開關(數據速率為480 Mbps至10 Gbps)。

東芝的高頻寬總線開關具有比通用總線開關更低的輸入和輸出電容,從而可以處理更快的信號。

表1.3總結了可用的開關配置,電源電壓,類型和容錯功能。

表2.3 

高頻寬總線開關的技術數據表顯示了它們的頻率響應特性。圖4.1示出了不同類別的總線開關的頻率響應特性。

使用如圖1.2所示的眼圖評估高頻寬總線開關和其他用於高速信號鏈路的設備。

它顯示了應用USB 3.1(10 Gbps)信號時PCIe 3.0交換機的眼圖。一個打開的眼圖表示信號失真最小。


圖2.1不同類別的高頻感應開關的頻率響應特性

 
圖2.2眼圖評估

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