多鎖相環(huán)和擴(kuò)頻時(shí)鐘在數(shù)字娛樂設(shè)備中的設(shè)計(jì)應(yīng)用
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2. 電視機(jī)體系架構(gòu)和時(shí)鐘樹的實(shí)現(xiàn)
目前，設(shè)計(jì)者不得不在設(shè)計(jì)前期做出的一項(xiàng)關(guān)鍵決定就是信號(hào)格式，包括模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。幾年以前，電視機(jī)的信號(hào)鏈路還是主要以模擬信號(hào)為基礎(chǔ)，而如今，更為常用的是數(shù)字音頻數(shù)據(jù)通路。數(shù)字和模擬通路均各自存在著一些固有的優(yōu)缺點(diǎn)。但是，目前存在著一種全球性的必然發(fā)展趨勢，即要求所有信號(hào)傳輸都采用數(shù)字技術(shù)，該趨勢將分階段實(shí)現(xiàn)。
高清電視的傳輸采用了數(shù)字信號(hào)，所以，新出品的電視機(jī)趨向于采用數(shù)字通路。采用數(shù)字傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)在于對噪聲的容錯(cuò)性很高。另一方面，模擬信號(hào)易受到噪聲的影響。電路板設(shè)計(jì)者需要在布線時(shí)加特別關(guān)注，采用擁有更優(yōu)信噪比（SNR）性能的差分信號(hào)，或者運(yùn)用屏蔽技術(shù)來避免信號(hào)品質(zhì)降低。
傳統(tǒng)的時(shí)鐘樹設(shè) 計(jì)方式：這種方式針對每一種頻率要求采用了分立的晶體/晶體振蕩器（XO）。這種方式的好處在于，時(shí)鐘可以布置在非?？拷骷奈恢?，使布線變得簡潔。但是，這種方式的缺陷在于，每一個(gè)晶體/晶體振蕩器元件都必須提前從供貨商處采購，從而不允許在最后階段做出設(shè)計(jì)變更。如果有一個(gè)頻率發(fā)生了變化，也要求有很長的交貨周期，從而導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)度的延遲。
硅芯片時(shí)序解決方案：近10多年以來，基于鎖相環(huán)的時(shí)序解決方案的流行度已經(jīng)超過了傳統(tǒng)時(shí)鐘方法。硅芯片時(shí)序解決方案供貨商能夠提供分立晶體和晶體振蕩器元件所不支持的多項(xiàng)功能，從而可應(yīng)用于復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這兩種設(shè)計(jì)方式之間的折衷處理將在下文進(jìn)行討論。轉(zhuǎn)向采用這種體系架構(gòu)的客戶所獲得的主要益處在于，它賦予了客戶的設(shè)計(jì)方案靈活性并節(jié)省了成本。
3. 與分立晶體/晶體振蕩器相比，采用鎖相環(huán)硅芯片時(shí)序解決方案的優(yōu)勢
1.成本——消費(fèi)類產(chǎn)品市場領(lǐng)域的重要決策的驅(qū)動(dòng)要素之一就是成本。每一次體系架構(gòu)的變動(dòng)都必須經(jīng)濟(jì)而劃算，這樣才可以實(shí)施架構(gòu)轉(zhuǎn)變，所付出的投資才是合理的。硅芯片時(shí)序解決方案最具吸引力的優(yōu)勢在于，通過將若干個(gè)晶體/晶體振蕩器集成到一起，可以降低整體物料清單成本，并保持性能水平，或在某些情況下提升性能水平。在如上圖所示的典型電視機(jī)天線電路板中，采用了5-6個(gè)分立晶體（每個(gè)成本為0.12 – 0.50美元），而如果一個(gè)能夠提供上述頻率的可編程功能的硅芯片時(shí)鐘發(fā)生器的成本低于2.00美元，則就會(huì)真正為電路板增值。除了成本是晶體/晶體振蕩器集成的主要推動(dòng)要素，另外還有一些能夠?yàn)镺EM商和最終用戶所感受到的其它優(yōu)勢。
2.可靠性——晶體是基于石英的元器件，比起基于鎖相環(huán)的時(shí)序解決方案來說，晶體的故障率較高。從系統(tǒng)中每減少一個(gè)晶體都有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。集成度高還能夠減少電路板上的元器件數(shù)量，獲得最高的穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)更低的返修率。
3.晶體可用性——頻率范圍在10-40 MHz之間的晶體很容易做到。但高于40 MHz以上的高頻晶體在制造上難度更高并且需要采用特殊的制造技術(shù)。這種晶體屬于高階泛音晶體，成本范圍在1-10美元之間。這些高階晶體較難購得。而硅芯片時(shí)序解決方案能夠采用單個(gè)低頻晶體（或者可以使用時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)）來生成多個(gè)高頻輸出。
4.晶體老化——晶體本身容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，每隔幾年會(huì)出現(xiàn)+-2ppm至+-5ppm的誤差。這種老化現(xiàn)象的原因在于晶體材質(zhì)內(nèi)部以及晶體表面之上存在的雜質(zhì)以及晶體材料與沉積電極之間的機(jī)械應(yīng)力。老化可能導(dǎo)致使用晶體的系統(tǒng)性能緩慢下降。在使用晶體時(shí)，長期頻率漂移已經(jīng)成為常見的問題。而基于鎖相環(huán)的硅芯片時(shí)序解決方案能夠在產(chǎn)品整個(gè)使用壽命內(nèi)保持精確度。
5.可編程性——基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器擁有內(nèi)置可編程性，可以在設(shè)計(jì)階段提供一定的靈活性。這些可編程特色不僅包括了輸出頻率的改變，而且能夠改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度設(shè)置值、擴(kuò)頻百分比、通過引腳編程實(shí)現(xiàn)頻率選擇，這些意味著同一個(gè)輸出端可以根據(jù)需要提供不同的頻率。系統(tǒng)內(nèi)置的可編程性可以采用串行I2C接口在設(shè)計(jì)執(zhí)行過程中改變一些特定參數(shù)。這一特色對于那些在多個(gè)平臺(tái)上采用同一組頻率的制造廠商是富有吸引力的。
6.減少元器件數(shù)量，節(jié)約板卡空間——采用可編程時(shí)鐘發(fā)生器有助于通過集成減少電路板上的元器件數(shù)量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者正在趨向于采用更少的元器件，以求減少由于布線和需要保持信號(hào)完整性所帶來的問題?；阪i相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器能夠采用一個(gè)低頻晶體生成若干個(gè)輸出，因此對于減少元器件總數(shù)量以及節(jié)約寶貴的板卡空間極具價(jià)值。
7.采用擴(kuò)頻時(shí)鐘降低電磁干擾——電視機(jī)天線電路板典型情況下為5-7層板，并采用了專用的鋪地層以便壓低干擾。為提高系統(tǒng)性能和避免發(fā)生串?dāng)_、扭曲和信號(hào)完整性問題，要對多路高速信號(hào)進(jìn)行精心的布線。而硅芯片時(shí)序器件供貨商通過提供擴(kuò)頻等功能，減少了這些板卡設(shè)計(jì)方面的問題。例如，擴(kuò)頻可以通過擴(kuò)展高速信號(hào)來降低信號(hào)的峰值能量。
電磁干擾必須低于強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值，這些標(biāo)準(zhǔn)如CISPR 22或FCC Part 15 Class B。所有消費(fèi)類產(chǎn)品必須通過嚴(yán)格的FCC規(guī)范認(rèn)證才能上市。全球各地諸如美國通信委員會(huì)（FCC）這樣的管理機(jī)構(gòu)會(huì)確保強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)得到遵守而且器件產(chǎn)品不能在不屬于它們的頻段內(nèi)發(fā)射信號(hào)。不幸的是，存在頻率諧波的高速設(shè)計(jì)方案經(jīng)常會(huì)遇到這方面的問題。擴(kuò)頻是一項(xiàng)目前由集成電路供貨商提供的、能夠解決這一干擾問題的功能。
擴(kuò)頻功能能夠減少、甚至消除對會(huì)增加物料清單成本的鐵氧體磁珠、濾波器、線圈和振流器的需要。如果系統(tǒng)未能通過電磁合規(guī)試驗(yàn)，則需要花大力氣進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。考慮到試驗(yàn)所耗費(fèi)的成本以及重新進(jìn)行工程設(shè)計(jì)所浪費(fèi)的時(shí)間，我們會(huì) 認(rèn)識(shí)到對這些問題做好通盤考慮并采取保險(xiǎn)措施的重要性，例如提前采用擴(kuò)頻功能。而擁有可編程性就可以在需要時(shí)打開擴(kuò)頻功能以及在不需要時(shí)關(guān)閉該功能。這一功能在開發(fā)和測試中尤為實(shí)用。
8.庫存管理——采購團(tuán)隊(duì)目前所面臨的一項(xiàng)主要難題是對系統(tǒng)采用的每種元器件的存貨量、需求量和預(yù)測規(guī)劃進(jìn)行管理。由于每家OEM商均擁有多個(gè)產(chǎn)品平臺(tái)和子平臺(tái)，這些平臺(tái)和子平臺(tái)均處于不同市場區(qū)間并專門針對特定的目標(biāo)市場，而管理好這個(gè)供應(yīng)鏈?zhǔn)且豁?xiàng)相當(dāng)繁重的工作。我們可以想像一下，管理10種頻率不同并由全球不同供貨商供應(yīng)的晶體產(chǎn)品會(huì)有多么繁瑣。而硅芯片時(shí)序元器件供應(yīng)商提供了可編程時(shí)鐘發(fā)生器，這個(gè)發(fā)生器可以由設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)采用軟件生成不同的頻率，從而解決了這方面的問題。這種可編程性不僅讓設(shè)計(jì)者的工作更加輕松，而且可以提供不同的頻率來滿足時(shí)序方面的預(yù)定目標(biāo)，還能夠讓采購團(tuán)隊(duì)做到多個(gè)平臺(tái)采購相同的器件產(chǎn)品。如果其中一個(gè)平臺(tái)的需求量突然增加，采購團(tuán)隊(duì)則可以采用原本為不同平臺(tái)的所采購器件。此外，由于還有一些諸如引腳可編程以實(shí)現(xiàn)頻率選擇的特色，因此可以在不對設(shè)計(jì)方案造成顯著影響的情況下使用這些元器件。
9.完美的同步輸出——某些應(yīng)用可能需要若干個(gè)時(shí)鐘信號(hào)復(fù)制，而且要求這些復(fù)制的時(shí)鐘完全同步或一致。通過可編程鎖相環(huán)器件即可提供這項(xiàng)功能。而使用若干個(gè)分立晶體時(shí)，達(dá)到這樣的同步性能可能就較為困難。
10.電源管理——基于可編程鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器可以滿足便攜設(shè)備市場的特殊需求，其中包括游戲機(jī)、智能手機(jī)、個(gè)人媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、便攜攝像機(jī)等。在這些對功耗較為敏感的應(yīng)用中，通過采用I2C通信或引腳編程技術(shù)，可以選擇性關(guān)閉某些頻率。例如，在智能手機(jī)領(lǐng)域，并不是所有應(yīng)用程序都需要長時(shí)間運(yùn)行。在用戶希望使用其中一項(xiàng)功能時(shí)，例如，使用GPS功能進(jìn)行指路時(shí)，就可以將這一特定頻率打開。一旦這項(xiàng)功能不再使用，則系統(tǒng)可以將這一頻率源降低功率運(yùn)行。在采用分立晶體/晶體振蕩器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這一點(diǎn)并不容易實(shí)現(xiàn)。
4. 為何需要降低液晶面板控制器的電磁干擾
液晶屏幕目前已經(jīng)無處不在而且極為流行，它在我們實(shí)際生活中的應(yīng)用多得超乎我們的想像。其中包括，你正在購買的所有新款iPhone的3.5英寸觸摸屏，你在感恩節(jié)大減價(jià)時(shí)買到的夏普Aquosreg;電視機(jī)，亦或者你走在拉斯維加斯的繁華地帶看到的閃閃發(fā)光的街道標(biāo)志，或者更為常見的，你每天使用的ThinkPad筆記本電腦——為這些視覺享受提供動(dòng)力的技術(shù)實(shí)際都是液晶技術(shù)。液晶面板的這種滲透度表明，推動(dòng)它流行的技術(shù)已經(jīng)成熟，新機(jī)型的價(jià)格也比以前更為合理。
而對液晶屏的要求也在不斷提高，人們要求更大的面板、更少的電磁干擾、更低的功耗以及更高的圖像質(zhì)量。
這里，我們從更高層次上對液晶面板的架構(gòu)進(jìn)行一些詳細(xì)剖析。液晶面板實(shí)際上是一個(gè)晶體管陣列，這個(gè)陣列用于對液晶體兩端的電壓進(jìn)行調(diào)制，并因此能夠控制穿過面板的光線數(shù)量。而彩色顯示實(shí)質(zhì)上是通過采用那些讓紅光、綠光或藍(lán)光通過給定像素的濾光片實(shí)現(xiàn)的。行驅(qū)動(dòng)器連接到晶體管的柵極。行驅(qū)動(dòng)器通過施加“開”或“關(guān)”電壓來控制著在任一給定時(shí)刻哪一行像素正在得到編程。這些晶體管的源極連接到列驅(qū)動(dòng)器，而列驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)著達(dá)到正確像素亮度所要求的特定電壓。
時(shí)序控制器從主機(jī)獲取顯示數(shù)據(jù)并通過面板接口將數(shù)據(jù)傳輸給列驅(qū)動(dòng)器和行驅(qū)動(dòng)器。其中也可以加入附加功能，諸如采用過驅(qū)動(dòng)以減少運(yùn)動(dòng)模糊現(xiàn)象、增強(qiáng)圖像以及進(jìn)行伽馬校正。行驅(qū)動(dòng)器接口采用晶體管邏輯電路（TTL）作為信號(hào)發(fā)生級(jí)。而列驅(qū)動(dòng)器接口需要大量的帶寬，以實(shí)現(xiàn)更清晰的顯示，所以采用了不同的總線體系架構(gòu)——典型情況下采用抑制擺幅差分信號(hào)（RSDS）。
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