在平板顯示器中實現(xiàn)智能集成的技巧

平板顯示器正在掀起計算機市場的風(fēng)暴；LCD顯示器、圖形投影機與等離子顯示器不斷上升的銷售率讓人想起早期的個人計算機。為了在一個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。實現(xiàn)所有這些設(shè)計目標(biāo)的一個關(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，因為當(dāng)將顯示接口功能進(jìn)行組合時，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)字電路集成到一個設(shè)計中，這要求在專門的混合信號設(shè)計技術(shù)中具有豐富的經(jīng)驗。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”。

在消費者升級其圖形卡或計算機系統(tǒng)時，在同樣的顯示器上具有數(shù)字接口，可能促使消費者選擇數(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，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輸出，與兩個芯片的模擬/數(shù)字接口設(shè)計相比從而節(jié)省48個管腳。該芯片還提供接口連接到顯示器的自動檢測，以及一個允許用戶在串聯(lián)數(shù)據(jù)連接上選擇接口的選項。

該芯片有兩個等級：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“花費大量金錢、時間、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)計相比，更高程度的接口集成允許簡化電路板設(shè)計，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、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)碼揚聲器、掃描儀與打印機等。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、新一代掃描儀與打印機，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，并有望實現(xiàn)更低的成本并簡化電路板版圖。盡管他們強調(diào)“實現(xiàn)單一芯片”，但他們?nèi)蕴峁┬枰粋€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。因為混合信號工藝并不常用，并且具有高性能混合信號經(jīng)驗的設(shè)計師仍然很少，與獨立的模擬接口產(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)計本身一樣復(fù)雜。

數(shù)字設(shè)計師極為精通數(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)代碼和獨特的測試硬件以便實現(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)計的器件。