在平板顯示器中實(shí)現(xiàn)智能集成的技巧

平板顯示器正在掀起計(jì)算機(jī)市場的風(fēng)暴；LCD顯示器、圖形投影機(jī)與等離子顯示器不斷上升的銷售率讓人想起早期的個(gè)人計(jì)算機(jī)。為了在一個(gè)快速增長的舞臺上保持競爭力，生產(chǎn)商絕不可以停滯不前。他們必須持續(xù)改進(jìn)其產(chǎn)品，降低成本、改善圖像質(zhì)量、提高可靠性，并增加新的用戶特性。最重要的是，生產(chǎn)商必須提高其產(chǎn)品的可制造性，使其更易于生產(chǎn)且生產(chǎn)成本更低。實(shí)現(xiàn)所有這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵就是在顯示接口中采用“智能集成”。

將分立的功能集成到單一芯片中可以減少部件數(shù)量和生產(chǎn)成本，在過去十幾年里PC生產(chǎn)商曾經(jīng)一度采用這一策略。但是，因?yàn)楫?dāng)將顯示接口功能進(jìn)行組合時(shí)，要克服巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，顯示器需要進(jìn)行智能集成。將高性能模擬與高速數(shù)字電路集成到一個(gè)設(shè)計(jì)中，這要求在專門的混合信號設(shè)計(jì)技術(shù)中具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)行了接口集成的產(chǎn)品需要在不犧牲圖像質(zhì)量或可制造性的前提下，滿足減小成本和尺寸的目標(biāo)

典型的LCD顯示器為集成提供了許多機(jī)遇(圖1)。其中包括：

1. 將模擬接口和數(shù)字接口結(jié)合在一起，為目前全世界超過十億臺PC提供傳統(tǒng)的兼容性，并仍為未來保持“數(shù)字準(zhǔn)備”。

2. 將接口與圖像控制器功能組合在一起，圖像控制器是平板顯示器中主要與圖像有關(guān)的電路。

3. 減少互連并簡化電路板版圖從而減小影響圖像質(zhì)量的失真。

4. 增加諸如USB集線器以及USB客戶功能等新特性作為平板顯示器的低附加成本。

圖1：平板顯示器模塊圖。

集成模擬接口

盡管對新數(shù)字平板接口興趣的持續(xù)增長，但模擬接口仍是目前在售LCD顯示器的主要選擇。例如ADI公司的AD9884和飛利浦公司的TDA8752H等集成模擬接口已經(jīng)將所有平板接口所要求的傳統(tǒng)模擬功能組合在了單一芯片中(圖2)。第一步集成已經(jīng)降低了成本，改善了圖像質(zhì)量并簡化了電路板版圖。

圖2：模擬接口模塊圖。

正采用混合信號CMOS或BiCMOS晶圓制造工藝大量生產(chǎn)集成模擬接口芯片。如果芯片要想滿足平板接口應(yīng)用所需要的具有±0.5 LSB的典型線性指標(biāo)(INL/DNL)和>200 MHz輸入帶寬的高速(>100 MHz) A/D轉(zhuǎn)換器，那么就要求采用這些高性能的工藝。但標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶圓制造工藝并不提供實(shí)現(xiàn)高性能模擬信號處理和A/D轉(zhuǎn)換器所要求的混合信號特性。

增加數(shù)字連接

集成平板接口的下一個(gè)邏輯步驟是將模擬與數(shù)字接口組合在單一芯片中。這更易于提供傳統(tǒng)兼容的顯示器，這也是未來的“數(shù)字準(zhǔn)備”。

在消費(fèi)者升級其圖形卡或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，在同樣的顯示器上具有數(shù)字接口，可能促使消費(fèi)者選擇數(shù)字連接。人們普遍認(rèn)為，絕大多數(shù)PC用戶要使用自己的顯示器五至七年，而在購買新的顯示器之前，為了采用高性能的技術(shù)，一般要升級他們的PC數(shù)次。雙接口顯示器允許用戶在丟棄他們的顯示器之前持續(xù)獲得長期的使用壽命。

新的數(shù)字顯示工作組(DDWG)的數(shù)字視頻接口(DVI)v1.0和視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(VESA)的即插即顯示標(biāo)準(zhǔn)允許這種雙接口的顯示器。所有這些直接尋址顯示標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了連接器、電纜和支持雙接口顯示器的電氣特性。所有標(biāo)準(zhǔn)還將最小化傳輸差分信號(TMDS)指定為數(shù)字接口。

AD9887集成接口

AD9887是世界上第一款用于平板顯示器的集成的雙接口(圖3)。其模擬接口是基于AD9884模擬接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且對SXGA顯示器而言最高工作頻率高達(dá)140 MHz。其數(shù)字接口采用TMDS還可以提供高達(dá)SXGA(112 Msps)的圖像分辨率。這些接口共享同一個(gè)輸出，與兩個(gè)芯片的模擬/數(shù)字接口設(shè)計(jì)相比從而節(jié)省48個(gè)管腳。該芯片還提供接口連接到顯示器的自動檢測，以及一個(gè)允許用戶在串聯(lián)數(shù)據(jù)連接上選擇接口的選項(xiàng)。

該芯片有兩個(gè)等級：用于XGA顯示器的AD9887以及用于SXGA顯示器的AD9887-140。這一選擇允許設(shè)計(jì)師來為其顯示器選擇最具成本效益的解決方案。AD9887目前準(zhǔn)備在十一月份提供產(chǎn)品樣品。

圖3 ：AD9887雙接口模塊圖。

減少互連

平板顯示器可獲得的圖像質(zhì)量極大地依賴于顯示器接口電路板的設(shè)計(jì)與版圖。顯示器更高程度集成的好處之一就是器件之間更少的互連，從而導(dǎo)致更高的圖像質(zhì)量。眾所周知，對顯示器生產(chǎn)商而言，在毗鄰對噪聲敏感的PLL和A/D轉(zhuǎn)換器旁邊的“噪聲”數(shù)字電路制作接口電路板，并且仍要獲得可以接受的圖像質(zhì)量是極具挑戰(zhàn)的。Stanford Resource的副總裁David Mentley說，顯示器公司“花費(fèi)大量金錢、時(shí)間、不動產(chǎn)和精力使得模擬接口沒有偽像工作，但并非其都能成功。”與舊有的分立器件電路板設(shè)計(jì)相比，更高程度的接口集成允許簡化電路板設(shè)計(jì)，并產(chǎn)生更高的圖像質(zhì)量。

集成控制功能

早期的圖形控制器也稱為定標(biāo)器(scaler)或放大定標(biāo)器(zoom scaler)，例如Genesis gmZ1，一般僅包括圖像放大功能，并且要求其他平板顯示器的電子功能要由分立的外圍芯片處理。需要幀率轉(zhuǎn)換、幀緩存、外部PLL、微控制器、OSD控制器以及EEPROM芯片來完成顯示器電路板。

例如Macronix 88282和Sage Cheetah等第二代圖形控制器都將定標(biāo)器以及幀率轉(zhuǎn)換功能集成到了單一芯片內(nèi)，造就了更高的圖像質(zhì)量、更低的成本以及更加簡化的電路板版圖。

布線

LCD顯示器(LCM)提供了更小的形狀因子，這導(dǎo)致設(shè)計(jì)師要考慮將更多的用戶特性集成到這類顯示器中。隨著USB迅速成為與PC外圍設(shè)備最佳的通訊連接，在桌面LCD顯示器中放置USB集線器和客戶功能成為很自然的事。USB 1.1的12 Mb/s數(shù)據(jù)速率對廣泛的PC外圍設(shè)備而言是足夠的，例如電話、數(shù)碼相機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)碼游戲桿、圖形輸入板、無線基站、盒式磁帶、磁帶以及磁盤、數(shù)碼揚(yáng)聲器、掃描儀與打印機(jī)等。更高帶寬的USB 2.0產(chǎn)品將在2000年下半年出現(xiàn)，將允許更高功能的PC外圍設(shè)備，這包括更高分辨率的視訊會議攝影機(jī)、新一代掃描儀與打印機(jī)，以及高速存儲單元。USB 2.0更高的數(shù)據(jù)速率(>120 Mb/s)還將展開已有新PC外圍設(shè)備的可能性。

幾乎目前市場上全部具有USB集線器的LCD顯示器都具有連接器以及顯示器基板中的相關(guān)電路。但是，VESA平板物理安裝接口標(biāo)準(zhǔn)(FPPMIS)描述了拆解顯示器基板、將LCD平板直接安裝到墻上以及如何安裝以使得桌面空間最大化的標(biāo)準(zhǔn)安裝圖。為了遵守FPPMIS，必須將USB集線器電路和連接器遷移到LCD平板背面的顯示器電路板上。符合智能集成化設(shè)計(jì)策略，平板接口產(chǎn)品將迅速集成片內(nèi)USB集線器功能，以便符合FPPMIS、節(jié)省電路板空間，并進(jìn)一步減少整個(gè)顯示器的成本。

復(fù)雜性問題

某些圖形控制器生產(chǎn)商正在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)將模擬接口/圖形控制器集成在單一芯片內(nèi)的產(chǎn)品。這些集成產(chǎn)品主要集中在XGA(100 MHz或更低)屏幕分辨率，并有望實(shí)現(xiàn)更低的成本并簡化電路板版圖。盡管他們強(qiáng)調(diào)“實(shí)現(xiàn)單一芯片”，但他們?nèi)蕴峁┬枰粋€(gè)或更多外部PLL、微控制器、OSD(屏幕顯示)控制器、EEPROM存儲器，以及其他外部電路。這些集成模擬接口/圖形控制器產(chǎn)品通常限于低分辨率圖像的縮放。幀率轉(zhuǎn)換并不具備或需要外部幀率控制器和外部幀緩沖存儲器。

由于大多數(shù)裸片面積是數(shù)字門組成的，為了符合成本效益，這種集成策略要求采用0.25 ?或0.35 ?數(shù)字CMOS生產(chǎn)工藝。在某些情況下采用嵌入式DRAM工藝以便在片內(nèi)集成具有圖形控制器的大的幀緩沖存儲器，但并不是很適合于實(shí)現(xiàn)高性能的模擬功能。

為了優(yōu)化高性能模擬電路，需要混合信號CMOS生產(chǎn)工藝。因?yàn)榛旌闲盘柟に嚥⒉怀Ｓ茫⑶揖哂懈咝阅芑旌闲盘柦?jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師仍然很少，與獨(dú)立的模擬接口產(chǎn)品相比，明顯下降的顯示器圖像質(zhì)量表明這些早期集成產(chǎn)品的模擬性能受到損害。

成功的測試

集成接口/圖形控制器的產(chǎn)品是真正的混合信號器件，其需要100%的高速混合信號電氣測試以確保最高品質(zhì)的性能。A/D轉(zhuǎn)換器的混合信號測試解決方案目前幾乎與芯片設(shè)計(jì)本身一樣復(fù)雜。

數(shù)字設(shè)計(jì)師極為精通數(shù)字測試程序的開發(fā)，其中通常將測試向量輸入到自動測試圖樣產(chǎn)生器(ATPG)軟件來開發(fā)數(shù)字測試圖樣。聯(lián)合測試行動小組(JTAG)邊界掃描和內(nèi)部掃描技術(shù)也被用于在數(shù)字電路內(nèi)驗(yàn)證98%或更多的故障覆蓋率。已有的數(shù)字邏輯測試儀頻繁地用于測試這些數(shù)字電路。

但是，高性能混合信號電路需要“快速”測試來驗(yàn)證電氣性能。測試高速模擬電路需要測試研發(fā)工程師來開發(fā)代碼和獨(dú)特的測試硬件以便實(shí)現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換器抖動、信噪比(SNR)和線性度的高精度測量。例如Teradyne Catalyst和LTX Fusion等高性能混合信號測試平臺結(jié)合了測試高性能模擬電路以及測試包含在一個(gè)集成器件中的高速、高管腳數(shù)量數(shù)字電路的能力。沒有嚴(yán)格采用高性能混合信號測試平臺進(jìn)行測試的集成接口產(chǎn)品，由于晶圓生產(chǎn)工藝上的正態(tài)分布，可能在其性能上產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。

不合規(guī)格的器件可能對要求產(chǎn)品進(jìn)度表和有限工程資源的LCM生產(chǎn)商導(dǎo)致嚴(yán)重問題。例如，考慮在關(guān)鍵參數(shù)上具有批量—批量偏差的接口產(chǎn)品，其僅僅影響批量測試的10%。如果供應(yīng)商不能篩選出全部這些損壞的部件，顯示器生產(chǎn)商將被迫對其100%的顯示器增加額外的測試，這增加了最終產(chǎn)品的成本。目前，謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)師會針對如何測試集成接口產(chǎn)品來確保他們僅接收到最高品質(zhì)的產(chǎn)品提出更多的問題。

飛躍到新的水平

智能集成的關(guān)鍵在于提高LCM以及其他直接尋址顯示產(chǎn)品的成功。減少部件數(shù)量可以改善圖像質(zhì)量、降低成本、減小尺寸，并使得產(chǎn)品更易于生產(chǎn)。但是，最終的器件會非常復(fù)雜。除非適當(dāng)設(shè)計(jì)這些器件并進(jìn)行充分測試，嘗試進(jìn)行更高程度的集成會產(chǎn)生令人失望的結(jié)果。工程師需要預(yù)見產(chǎn)品的規(guī)格以便確保他們具有可以依靠其進(jìn)行顯示器設(shè)計(jì)的器件。