平面電視設(shè)計(jì)中的靈巧集成技術(shù)介紹與應(yīng)用

　平面電視正在迅速占領(lǐng)消費(fèi)類電子市場(chǎng)，這種“高級(jí)”電視的銷售增長(zhǎng)率使人聯(lián)想到早期的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)?！案呒?jí)電視”的概念現(xiàn)在是指液晶電視(LCD TV)、等離子電視(PDP TV)、微顯背投電視〔包括液晶顯示器(LCD)、數(shù)字光輸處理器(DLP)和液晶硅顯示器(LCoS)〕、前投式投影機(jī)和全平面陰極射線管(CRT)電視。

　　要想在一個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)上保持競(jìng)爭(zhēng)力，制造商們就不能停滯不前。他們必須不懈努力，通過降低成本、提高圖像質(zhì)量、增強(qiáng)可靠性和增加新的用戶功能來改進(jìn)其產(chǎn)品。其中最重要的是，制造商們必須提高產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，使它們更容易生產(chǎn)并且成本更低。達(dá)到所有這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵問題就是如何在顯示器接口中采用“靈巧集成”技術(shù)。

　　把分立的功能集成到單芯片上可以減少元器件數(shù)量并降低制造成本，這是一個(gè)在過去十幾年里對(duì)PC制造商來說確實(shí)卓有成效的策略。但是顯示器需要“靈巧集成”，因?yàn)樵诮M合各種顯示接口功能時(shí)還要克服一些重大技術(shù)難題。如果要把高性能模擬電路和高速數(shù)字電路集成到一個(gè)解決方案中，需要有專門的混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)。一個(gè)集成的接口需要產(chǎn)品滿足低成本和小封裝尺寸的要求，同時(shí)又不能犧牲圖像質(zhì)量和生產(chǎn)能力。

1 典型的LCD TV

　　典型的LCD TV為系統(tǒng)集成提供了多種選擇(見圖1)，其中包括：

　　·模擬接口與數(shù)字接口相結(jié)合以便提供與目前大多數(shù)的DVD光盤播放機(jī)和機(jī)頂盒兼容的“傳統(tǒng)兼容性”，并為將來做好了“數(shù)字化準(zhǔn)備”；

　　·接口與圖形控制器功能以及LCD TV中與圖像有關(guān)的主要電路相結(jié)合；

　　·減少內(nèi)部連線的數(shù)量并且簡(jiǎn)化印制電路板(PCB)布線從而降低了影響圖像質(zhì)量的信號(hào)失真；

　　·以增加少許成本提供具有CD光盤質(zhì)量的音頻和PC兼容性。

圖1 一種典型的高級(jí)電視系統(tǒng)框圖為系統(tǒng)集成提供了多種選擇

1.1 集成模擬接口

　　雖然人們對(duì)新出現(xiàn)的數(shù)字平面顯示器接口的興趣還在持續(xù)增長(zhǎng)，但是分量模擬視頻接口仍然是目前市場(chǎng)上銷售的高級(jí)電視主要選擇的高質(zhì)量接口。許多高級(jí)電視還包含一個(gè)模擬視頻圖形適配器(VGA)接口以便與PC應(yīng)用兼容。集成的分量模擬接口，例如美國(guó)模擬器件公司(ADI)的AD9883A，已經(jīng)在單芯片上集成了顯示器接口所需要的所有傳統(tǒng)模擬功能(見圖2 )。這種顯示器接口集成的第一步已經(jīng)起到降低成本、改進(jìn)圖像質(zhì)量并且簡(jiǎn)化PCB布線的作用。

　　采用混合信號(hào)互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)或BiCMOS 晶片制造工藝可以大批量生產(chǎn)這種集成的模擬接口芯片，并且滿足平板顯示接口應(yīng)用要求，即高速(大于100 MHz)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)具有典型值為0.5 LSB的線性誤差[(積分線性誤差(INL)和微分線性誤差(DNL)]和大于200 MHz的輸入帶寬。然而標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS 晶片制造工藝無法提供實(shí)現(xiàn)高性能模擬信號(hào)處理和ADC所需要的混合信號(hào)特性。

圖2 ADI公司的AD9833A集成模擬接口在單芯片上集成了顯示器接口所需的所有傳統(tǒng)模擬功能

1.2 增加數(shù)字接口

　　顯示器接口集成的下一步驟就是在單芯片上集成模擬接口和數(shù)字接口。這樣易于提供傳統(tǒng)兼容性顯示器，也為將來的數(shù)字化做好準(zhǔn)備。大多數(shù)新出現(xiàn)的高級(jí)電視都支持分量模擬信號(hào)輸入以便直接連接現(xiàn)有的DVD播放機(jī)和機(jī)頂盒調(diào)諧器。這樣就確保用戶能夠正確使用他們的新電視機(jī)。

　　高清晰度多媒體接口(HDMI)是專門為高級(jí)電視應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。HDMI接口可以提供一個(gè)數(shù)字接口用于高質(zhì)量視頻(在1920×1080 像素時(shí)達(dá)到1080p分辨率)以及具有CD質(zhì)量(192kHz)和7.1聲道環(huán)繞立體聲的音頻。此外，HDMI接口還支持高帶寬數(shù)碼內(nèi)容保護(hù)協(xié)議 (HDCP)，好萊塢片商將需要用此協(xié)議保護(hù)其新拍的高清晰度DVD電影不被非法復(fù)制。包含接收分量模擬信號(hào)的模擬接口和HDMI數(shù)字接口的高級(jí)電視將會(huì)因?yàn)槠滹@示接口的改進(jìn)使用戶獲得長(zhǎng)期使用壽命。

1.3 AD9880集成接口

　　AD9887 是世界上第一種用于高級(jí)電視的集成雙接口(見圖3 )。其中模擬接口是基于AD9883A模擬接口設(shè)計(jì)的，以高達(dá)150MHz工作帶寬用于1080p和SXGA顯示分辨率。其中數(shù)字接口使用HDMI也能提供高達(dá)1080p和SXGA(150 Mbps)的圖像分辨率。這兩種接口共用相同的輸出信號(hào)，因此與雙芯片的模擬接口和數(shù)字接口設(shè)計(jì)相比節(jié)省了48 個(gè)引腳。這種芯片還提供該接口連接到顯示器的自動(dòng)檢測(cè)，以及允許用戶在一條串行數(shù)據(jù)線上連接該接口的選擇。

　　這種芯片提供兩種等級(jí)：一種是AD9800-100用于720p/1080i 和XGA顯示器的；另一種是AD9800-150用于1080p 和SXGA顯示器。這樣的兩種等級(jí)選擇使得電視機(jī)設(shè)計(jì)工程師可以為其顯示器選擇最經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。AD9880現(xiàn)在可以提供樣品、完整的技術(shù)資料和評(píng)估板支持顯示設(shè)計(jì)工程師。

圖3 世界上第一種用于高級(jí)電視的集成雙接口(模擬和HDMI接口)AD9887， 在模擬輸入和HDMI輸入下可支持高達(dá)1080p或SXGA格式的分辨率。

1.4 減少內(nèi)部連線

　　一臺(tái)高級(jí)電視的圖像質(zhì)量很大程度上取決于顯示接口電路板的設(shè)計(jì)和布線。提高顯示電路集成程度的好處之一就是減少了器件之間的連線，從而提高圖像質(zhì)量。對(duì)顯示器制造商來說，如何把帶有“噪聲”的數(shù)字電路靠近對(duì)噪聲敏感的鎖相環(huán)(PLL)和ADC放置仍然能制造出滿意的圖像質(zhì)量的接口電路板已經(jīng)遇到了極大的挑戰(zhàn)。一些顯示器制造公司耗費(fèi)了相當(dāng)多的資金、時(shí)間、PCB和精力試圖生產(chǎn)出一種非手工制作的模擬接口，但是沒有一家公司獲得成功。提高接口電路的集成程度可以簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)，而且產(chǎn)生的圖像質(zhì)量要優(yōu)于過去的分立元器件PCB設(shè)計(jì)。

1.5 圖像質(zhì)量和集成程度的關(guān)系

　　適合PC應(yīng)用的LCD臺(tái)式監(jiān)視器的發(fā)展趨勢(shì)是將模擬接口和數(shù)字圖像縮放功能集成到一顆單芯片中。這些集成解決方案在用于顯示諸如電子郵件、網(wǎng)上沖浪或電子數(shù)據(jù)表等基本PC應(yīng)用的較小(15"～17")監(jiān)視器中通常都能提供足夠好的圖像質(zhì)量。但是對(duì)于30"～80"多種尺寸規(guī)格顯示屏的高級(jí)電視應(yīng)用來說，在圖像質(zhì)量方面的要求要高得多。

　　為了提供滿足高級(jí)電視客戶要求的精美圖像質(zhì)量，消費(fèi)類電子產(chǎn)品制造商目前正在設(shè)計(jì)帶有獨(dú)立接口和縮放器芯片的電視機(jī)。在許多情況下，業(yè)界領(lǐng)先的電視機(jī)制造商正在設(shè)計(jì)自己定制的縮放器芯片以滿足系統(tǒng)要求。其它的制造商正在選擇使用專門為高級(jí)電視開發(fā)的市場(chǎng)上可買到的縮放器芯片。這些數(shù)字的縮放器芯片有時(shí)候還與內(nèi)置的微控制器和EEPROM集成在一起，以便存儲(chǔ)顯示器的微碼。這些數(shù)字芯片可以采用最新的數(shù)字電路制造工藝(0.13 μm或0.18 μm CMOS)從而提供更低的成本和更高的性能。

2 關(guān)于復(fù)雜度的問題

　　大部分的管芯面積由數(shù)字邏輯門組成，所以這種集成方法需要采用0.13μm或0.18μm數(shù)字CMOS制造工藝以便降低成本。在某些情況下，使用嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)制造工藝以將幀緩沖存儲(chǔ)器集成到與圖像控制器在一起的同一芯片中，但是這些芯片不是很適合實(shí)現(xiàn)高性能的模擬功能。

　　為了適合高性能模擬電路并降低成本，需要有一種混合信號(hào)CMOS制造工藝。因?yàn)榛旌闲盘?hào)制造工藝沒有被普遍采用，而且具有高性能混合信號(hào)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師仍然很少，所以其模擬性能很難達(dá)到要求。正如人們看到的其初期集成產(chǎn)品的圖像質(zhì)量下降，不如單獨(dú)的模擬接口和數(shù)字接口產(chǎn)品。

　　雖然 HDMI接口通常被認(rèn)為是一種數(shù)字接口，但是其設(shè)計(jì)需要相當(dāng)多的混合信號(hào)電路。實(shí)際上，HDMI接口中每個(gè)顏色通道中的高速比較器數(shù)量要比模擬接口中使用的ADC中的高速比較器多。HDMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其輸入頻率高達(dá)1.6Gbps，所以要達(dá)到適當(dāng)?shù)男阅芤笕匀恍枰罅抠Y金完成混合信號(hào)設(shè)計(jì)。

　　采用當(dāng)今先進(jìn)的CMOS制造工藝，有助于把混合信號(hào)電路(模擬接口和HDMI數(shù)字接口)集成到一顆單片“接口”芯片中?；旌闲盘?hào)CMOS制造工藝一般來說是繼最新的數(shù)字CMOS制造工藝之后出現(xiàn)的新一代制造工藝。只要把高速數(shù)字電路放置在縮放器芯片上就可以采用最新的先進(jìn)CMOS制造工藝。這就清楚地說明了 “靈巧集成”的概念——雙芯片解決方案可以提供高性能，它比集成的單芯片解決方案加快了面世時(shí)間并且降低了總成本。

3 產(chǎn)品合格測(cè)試

　　集成接口和縮放器產(chǎn)品都是真正的混合信號(hào)器件，它們需要100%的高速混合信號(hào)電性能測(cè)試以確保高質(zhì)量性能?，F(xiàn)在用于ADC的混合信號(hào)測(cè)試解決方案幾乎與芯片設(shè)計(jì)本身一樣復(fù)雜。

　　數(shù)字電路工程師都熟悉數(shù)字測(cè)試程序的開發(fā)，通常利用這種程序把測(cè)試向量輸入到自動(dòng)測(cè)試圖形發(fā)生器(ATPG)軟件中以生成一個(gè)數(shù)字測(cè)試圖形。也可采用聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描和內(nèi)部掃描技術(shù)以便在數(shù)字電路中檢測(cè)出至少98%的故障率。在測(cè)試這些數(shù)字電路時(shí)經(jīng)常使用現(xiàn)有的數(shù)字邏輯測(cè)試議。

　　但是高性能混合信號(hào)電路需要“高速”測(cè)試以驗(yàn)證其電性能。測(cè)試高速模擬電路需要測(cè)試開發(fā)工程師提供的測(cè)試代碼和獨(dú)特的測(cè)試硬件以保證ADC的信號(hào)抖動(dòng)、信噪比(SNR)和線性誤差的精密測(cè)量。高性能混合信號(hào)測(cè)試平臺(tái)具有測(cè)試同一集成器件中的高性能模擬電路的能力和高速、多引腳數(shù)字電路的能力。沒有經(jīng)過高性能混合信號(hào)測(cè)試平臺(tái)嚴(yán)格測(cè)試的集成接口產(chǎn)品可能在性能上存在服從wafer制造工藝正態(tài)分布的大的偏差。

　　不合格的器件會(huì)給受生產(chǎn)時(shí)間及其資源限制的高級(jí)電視制造商帶來嚴(yán)重的問題。例如，考慮一種不同批量之間的關(guān)鍵參數(shù)存在一致性偏差(不合格率只有10%)的接口產(chǎn)品。如果該接口產(chǎn)品的供應(yīng)商不能篩選出所有這些不合格產(chǎn)品，那么使用這種產(chǎn)品的電視機(jī)制造商就必須對(duì)其顯示器進(jìn)行100%的測(cè)試，因此增加了其最終產(chǎn)品的成本。謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在都在進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)如何測(cè)試集成接口產(chǎn)品的問題以確保只獲得最高質(zhì)量的產(chǎn)品。

4 提高到嶄新水平

　　靈巧集成是增加高級(jí)電視和其它高圖像質(zhì)量顯示器產(chǎn)品合格率的關(guān)鍵。由于減少元器件數(shù)量可以提高圖像質(zhì)量，降低成本，減小尺寸，所以產(chǎn)品更易于制造。但是上述減少元器件的結(jié)果會(huì)增加集成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜性。除非集成電路設(shè)計(jì)恰當(dāng)而且能進(jìn)行充分的測(cè)試，否則提高集成度的想法只能帶來失望的結(jié)果。因此設(shè)計(jì)工程師必須尋求超過產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)的元器件，以便保證他們能得到滿足新的高級(jí)電視要求的可信賴的元器件。