平面電視正在迅速占領(lǐng)消費(fèi)類電子市場，這種“高級”電視的銷售增長率使人聯(lián)想到早期的個人計(jì)算機(jī)(PC)。“高級電視”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。
要想在一個快速增長的市場上保持競爭力，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，這是一個在過去十幾年里對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)字電路集成到一個解決方案中，需要有專門的混合信號設(shè)計(jì)技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)。一個集成的接口需要產(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)量并且簡化印制電路板(PCB)布線從而降低了影響圖像質(zhì)量的信號失真；
·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，但是分量模擬視頻接口仍然是目前市場上銷售的高級電視主要選擇的高質(zhì)量接口。許多高級電視還包含一個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)量并且簡化PCB布線的作用。
采用混合信號互補(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)高性能模擬信號處理和ADC所需要的混合信號特性。
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)的高級電視都支持分量模擬信號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)是專門為高級電視應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。HDMI接口可以提供一個數(shù)字接口用于高質(zhì)量視頻(在1920×1080 像素時達(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的模擬接口和HDMI數(shù)字接口的高級電視將會因?yàn)槠滹@示接口的改進(jìn)使用戶獲得長期使用壽命。
1.3 AD9880集成接口
AD9887 是世界上第一種用于高級電視的集成雙接口(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，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 個引腳。這種芯片還提供該接口連接到顯示器的自動檢測，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：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
一臺高級電視的圖像質(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。對顯示器制造商來說，如何把帶有“噪聲”的數(shù)字電路靠近對噪聲敏感的鎖相環(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臺式監(jiān)視器的發(fā)展趨勢是將模擬接口和數(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。但是對于30"～80"多種尺寸規(guī)格顯示屏的高級電視應(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電視開發(fā)的市場上可買到的縮放器芯片。這些數(shù)字的縮放器芯片有時候還與內(nèi)置的微控制器和EEPROM集成在一起，以便存儲顯示器的微碼。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，使用嵌入式動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)制造工藝以將幀緩沖存儲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CMOS制造工藝。因?yàn)榛旌闲盘栔圃旃に嚊]有被普遍采用，而且具有高性能混合信號經(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)多的混合信號電路。實(shí)際上，HDMI接口中每個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。混合信號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間并且降低了總成本。
3 產(chǎn)品合格測試
集成接口和縮放器產(chǎn)品都是真正的混合信號器件，它們需要100%的高速混合信號電性能測試以確保高質(zhì)量性能。現(xiàn)在用于ADC的混合信號測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)字測試程序的開發(fā)，通常利用這種程序把測試向量輸入到自動測試圖形發(fā)生器(ATPG)軟件中以生成一個數(shù)字測試圖形。也可采用聯(lián)合測試行動小組(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描和內(nèi)部掃描技術(shù)以便在數(shù)字電路中檢測出至少98%的故障率。在測試這些數(shù)字電路時經(jīng)常使用現(xiàn)有的數(shù)字邏輯測試議。
但是高性能混合信號電路需要“高速”測試以驗(yàn)證其電性能。測試高速模擬電路需要測試開發(fā)工程師提供的測試代碼和獨(dú)特的測試硬件以保證ADC的信號抖動、信噪比(SNR)和線性誤差的精密測量。高性能混合信號測試平臺具有測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)過高性能混合信號測試平臺嚴(yán)格測試的集成接口產(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。
不合格的器件會給受生產(chǎn)時間及其資源限制的高級電視制造商帶來嚴(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)制造商就必須對其顯示器進(jìn)行100%的測試，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電視要求的可信賴的元器件。