高级电视中的灵巧集成技术

摘要：介绍了典型的LCD TV为系统集成提供的模拟接口、数字接口，减少了内部连线，分析了“灵巧集成”的复杂度问题。采用在单芯片上集成多种接口和控制器功能的大规模集成电路可减少元器件的数量并且提高生产能力，但是有一定的风险。 关键词：灵巧集成 模拟接口 高级电视 平面电视正在迅速占领浪费类电子市场，这种“高级”电视的销售增长率使人联想到早期的个人计算机（PC）。“高级电视”的概念现在是指液晶电视（LCD TV）、等离子电视（PDP TV）、微显背投电视（包括液晶显示器（LCD）、数字光输处理器（DLP）和液晶硅显示器（LcoS））、前投式投影机和全平面阴极射线管（CRT）电视。 要想在一个快速增长的市场上保持竞争力，制造商们就不能停滞不前。他们必须不懈努力，通过降低成本、提高图像质量、增强可靠性和增加新的用户功能来改进其产品。其中最重要的是，制造商们必须提高产品的生产能力，使它们更容易生产并且成本更低。达到所有这些设计目标的一个关键问题就是如何在显示器接口中采用“灵巧集成”技术。 把分立的功能集成到单芯片上可以减少元器件数量并降低制造成本，这是一个在过去十几年里对PC制造商来说确实卓有成效的策略。但是显示器需要“灵巧集成”，因为在组合各种显示接口功能时还要克服一些重大技术难题。如果要把高性能模拟电路和高速数据电路集成到一个解决方案中，需要有专门的混合信号设计技术方面的经验。一个集成的接口需要满足低成本和小封装尺寸的要求，同时又不能牺牲图像质量和生产能力。 图1 1 典型的LCD TV 典型的LCD TV为系统集成提供了笔种选择（见图1），其中包括： %26;#183;模拟接口与数字接口相结合以便提供与目前大多数的DVD播放机和机顶盒兼容的“传统兼容性”并为将来做好了“数字化准备”； %26;#183;接口与图形控制器功能以及LCD TV中与图像有关的主要电路相结合； %26;#183;减少内部连线的数量并且简化印制电路板（PCB）布线从而降低了影响图像质量的信号失真； %26;#183;以增加少许成本提供具有CD光盘质量的音频和PC兼容性。 1．1 集成模拟接口 虽然人们对新出现的数字平面显示器接口的兴趣还在持续增长，但是分量模拟视频接口仍然是目前市场上销售的高级电视主要选择的高质量接口。许多高级电视还包含一个模拟视频图形适配器（VGA）接口以便与PC应用兼容。集成的分量模拟接口，例如美国模拟器件公司（ADI）的AD9883A，已经在单片机上集成了显示器接口所需要所有传统模拟功能（见图2）。这些显示器接口集成的第一步已经起到降低成本、改进图像质量并且简化PCB布线的作用。 采用混合信号互补型金属氧化物半导体（CMOS）或BiCMOS晶片制造工艺可以大批量生产这种集成的模拟接口芯片，并且满足平板显示接口应用要求，即高速（大于100MHz）模数转换器（ADC）具有典型值为0.5LSB的线性误差(（积分线性误差（INL）和微分线性误差（DNL））和大小200MHz的输入带宽。然而标准的数字CMOS晶片制造工艺无法提供实现高性能模拟信号处理和ADC所需要的混合信号特性。 1．2 增加数字接口 显示器接口集成的下一步骤就是在单芯片上集成模拟接口和数字接口。这样易于提供传统兼容性显示器，也为将来的数字化做好准备。大多数和新出现的高级电视都支持分量模拟信号输入以便直接连接现有的DVD播放机和机顶盒调谐器。这样就确保用户能够正确使用他们的新电视机。 高清晰度多媒体接口（HDMI）是专门为高级电视应用而设计的。HDMI接口可以提供一个数字接口用于高质量视频（在1920%26;#215;1080像素时达到1080p分辨率）以及具有以CD质量（192kHz）和7.1声道环绕立体声的音频。此外，HDMI接口还支持高带宽数码内容保护协议（HDCP），好莱坞片商将需要用此协议保护其新拍的高清晰度DVD电影不被非法复制。包含接收分量模拟信号的模拟接品呼HDMI数字接口的高级电视将会因为其显示接口的改进使用户获得长期使用寿命。 1．3 AD9880集成接口 AD9887是世界上第一种用于高级电视的集成双接口（见图3）。其中模拟接口是基于AD9883A模拟接口设计的，以高达150MHz工作带宽于1080p和SXGA显示分辨率。其中数字接口使用HDMI也能提供高达1080p和SXGA（150 Mbps）的图像分辨率。这两种接口共用相同的输出信号，因此与双芯片的模拟接口和数字接口设计相比节省了48个引脚。这种芯片还提供该接口连接到显示器的自动检测，以及允许用户在一条串行数据线上连接该接口的选择。 这种芯片提供两种等级；一种是AD9800-100用于720p/1080i和XGA显示器的；另一种是AD9800-150用于1080p和SXGA显示器。这样的两种等级选择使得电视机设计工程师可以为其显示选择最经济有效的解决方案。AD9880现在可以提供样品、完整的技术资源和评估板支持显示设计工程师。 1．4 减少内部连线 一台高级电视的图像质量很大程度上取决于显示接口电路板的设计和布线。提高显示电路集成程度的好处之一就是减少了器件之间的连线，从而提高图像质量。对显示器制造商来说，如果把带有“噪声”的数字电路靠近对噪声敏感的锁相环（PLL）和ADC放置仍然能制造出满意的敏感的锁相环（PLL）和ADC放置仍然能制造出满意的图像质量的接口电路板已经遇到了极大的挑战。一些显示器制造公司耗费了相当多的资金、时间、PCB和精力试图生产了一种非手工制作的模拟接口，但是没有一家公司获得成功。提高接口电路的集成程度可以简化PCB设计，而且产生的图像质量要优于过去的分立元器件PCB设计。 1．5 图像质量和集成程度的关系 适合PC应用的LCD台式监视器的发展趋势是将模拟接口和数字图像缩放功能集成到一颗单芯片中。这些集成解决方案在用于显示诸如电子邮件、网上冲浪或电子数据表等基本PC应用的较小（15’’～17’’）监视器中通常都能提供足够好的图像质量。但是对于30’’ ～80’’多种尺寸规格显示屏的高级电视应用来说，在图像质量方面的要求要高得多。 为了提供满足高级电视客户要求的精美图像质量，消费类电子产品制造商目前正在设计带有独立接口和缩放器芯片的电视机。在许多情况下，业界领先的电视机制造商正在设计自己定制的缩放器芯片以满足系统要求。其它的制造商正在选择使用专门为高级电视开发的市场上可买到的缩放器芯片。这些数字的缩放器芯片有时候还与内置的微控制器和EEPROM集成在丐，以便存储显示器的微码。这些数字芯片可以采用最新的数字电路制造工艺（0.13μm或0.18μm CMOS）从而提供更新的成本和更高的性能。 2 关系复杂度的问题 大部分的管芯面积由数字逻辑门组成，所以这种集成方法需要采用0.13μm或0.18μm 数字CMOS制造工艺以便降低成本。在某些情况下，使用嵌入式动态随机存储器（DRAM）制造工敢以将帧缓冲存储器集成到与图像控制器的一起的同一芯片中，但是这些芯片不是很适合实现高性能的模拟功能。 图3 为了适合高性能模拟电路并降低成本，需要有一种混合信号CMOS制造工艺。因为混合信号制造工艺没有被普遍采用，而且具有高性能混合信号经验的设计工程师仍然很少，所以其模拟性能很难达到要求。正如人们看到的其初期集成产品的图像质量下降，不如单独的模拟接口和数字接口产品。 虽然HDMI接口通常被认为是一种数字接口，但是其设计需要相当多的混合信号电路。实际上，HDMI接口中每个颜色通道中的高速比较器数量要比模拟接口中使用的ADC中的高速比较器多。HDMI标准规定其输入频率高达1.6Gbps，所以要达到适当的性能要求仍然需要大量奖金完成混合信号设计。 采用当今选进的CMOS制造工艺，有助于把混合信号电路（模拟接口和HDMI数字接口）集成到一颗单片“接口”芯片中。混合信号CMOS制造工艺一般来说是继最新的数字CMOS制造工艺之后出现的新一代制造工艺。只要把高速数字电路放置在缩放器芯片上就可以采用最新的先进CMOS制造工艺。这就清楚地说明了“灵巧集成”的概念——双芯片解决方案可以提供高性能，它比集成的单芯片解决方案加快了面世时间并且降低了总成本。 3 产品合格测试 集成接口和缩放器产品都是真正的混合信号器件，它们需要100%的高速混合信号电性能测试以确保高质量性能。现在用于ADC的混合信号测试解决方案几乎与芯片设计本身一样复杂。 数字电路工程师都熟悉数字测试程序的开发，通常利用这种程序把测试向量输入到自动测试图形发生器（ATPG）软件中以生成一个数字测试图形。也可采用联合测试行动小组（JTAG）标准的边界扫描和内部扫描技术以便在数字电路中检测出至少98%的故障率。在测试这些数字电路时经常使用现有的数字逻辑测试仪。 但是高性能混合信号电路需要“高速”测试以验证其电性能。测试高速模拟电路需要测试开发工程师提供的测试代码和独特的测试硬件以保证ADC的信号抖动、信噪比（SNR）和线性误差的精密测量。高性能混合信号测试平台具有测试同一集成器件中的高性能模拟电路的能力和高速、多引脚数字电路的能力。没有经过高性能混合信号测试平台严格测试的集成接口产品可能在性能上存在服从wafer制造工艺正态分布的大的偏差。 不合格的器件会给受生产时间及其资源限制的高级电视制造商带来严重的问题。例如，考虑一种不同批量之间的关键参数存在一致性偏差（不合格率只有10%）的接口产品。如果该接口产品的供应商不能筛选出所有这些不合格产品，那么使用这种产品的电视机制造端就必须对其显示器进行100%的测试，因此增加了其最终产品的成本。谨慎的设计工程师现在都在进一步发现如何测试集成接品产品的问题以确保只获得最高质量的产品。 4 提高到崭新水平 灵巧集成是增加高级电视和其它高图像质量显示器产品合格率的关键。由于减少元器件数量可以提高图像质量，降低成本，减小尺寸，所以产品更易于制造。 但是上述减少元器件的结果会增加集成电路设计复杂性。除非集成电路设计恰当而且能进行充分的测试，否则提高集成度的想法只能带来失望的结果。因此，设计工程师必须寻求超过产品设计指标的元器件，以便保证他们能得到满足新的高级电视要求的可信赖的元器件。