數(shù)字娛樂(lè)設(shè)備中采用多鎖相環(huán)和擴(kuò)頻時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

　　由于數(shù)字電視的產(chǎn)量巨大，制造廠商最關(guān)注的就是如何在供應(yīng)高質(zhì)量的產(chǎn)品的同時(shí)，讓大眾的消費(fèi)更加劃算。隨著電視成為家庭娛樂(lè)活動(dòng)的中心，集成尖端功能和子系統(tǒng)的壓力也在不斷增長(zhǎng)。最終用戶變得越來(lái)越懂行，他們不但想要平板屏幕的優(yōu)雅外觀，而且還要求每臺(tái)電視都具備多項(xiàng)功能。TiVo、SlingBox、Apple TV、ICE Box都已經(jīng)成為現(xiàn)代化起居室內(nèi)非常普通的必需品。這樣就增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，而時(shí)序設(shè)計(jì)方面的難度也就更高。設(shè)計(jì)者正在為解決這一難題尋找更合適的方式，他們擺脫了傳統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)技術(shù)，轉(zhuǎn)向更為可靠的硅芯片時(shí)序解決方案。集成電路供貨商目前已經(jīng)能夠在硅芯片時(shí)序器件上提供一些增值功能，以 全面解決系統(tǒng)問(wèn)題。讓我們來(lái)了解一下這一目標(biāo)是如何實(shí)現(xiàn)的。

　　每一套電子系統(tǒng)，無(wú)論是模擬系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)，都需要時(shí)序基準(zhǔn)信號(hào)，而整個(gè)電路的工作均以時(shí)序基準(zhǔn)信號(hào)為基礎(chǔ)。這個(gè)時(shí)序基準(zhǔn)信號(hào)，或稱之為“時(shí)鐘”，在傳統(tǒng)上采用晶體（壓電石英器件）或晶體振蕩器（晶體+振蕩控制電路）。隨著集成技術(shù)的不斷發(fā)展，基于鎖相環(huán)（PLL）的硅芯片時(shí)序解決方案的應(yīng)用越來(lái)越普遍，為那些需要多種頻率的設(shè)計(jì)方案提供了更潔凈、更穩(wěn)定的時(shí)鐘選擇方案。本文的目的在于詳細(xì)論述采用硅芯片時(shí)序解決方案來(lái)解決時(shí)序設(shè)計(jì)難題時(shí)所持的價(jià)值主張，并與采用多個(gè)獨(dú)立晶體或晶體振蕩器（XO）的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比。
 
1. 高清電視系統(tǒng)中采用多種頻率的需要——不同的標(biāo)準(zhǔn)和接口

　　圖1所示為液晶電視機(jī)天線的基本原理圖，簡(jiǎn)單地說(shuō)明了數(shù)字電視將輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流處理成適于用戶起居室內(nèi)電視機(jī)使用的正確音頻和視頻格式的流程。

Satellite Terrestrial Cable 衛(wèi)星地面電纜
Analog Tuners   模擬天線
Analog FE   模擬前端
MPEG-2 Video Decoder MPEG-2視頻解碼器
MPEG Audio Decoder MPEG 音頻解碼器
Audio DAC   音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器
Audio    音頻
Audio out   音頻輸出
Graphics Processor  圖形處理品
Video Encoder              視頻編碼器
Video DACs   視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器
Video Composite S-Video 視頻復(fù)合S-Video端子
Video    視頻
Flash    閃存
Panel controller  面板控制器
To LCD Panel   接至液晶顯示屏
Panel    顯示屏
Interface   接口
Modem               調(diào)制解調(diào)器

　　圖1：常見(jiàn)液晶電視機(jī)體系架構(gòu)

　　調(diào)諧電路板上加入了多個(gè)子系統(tǒng)。各項(xiàng)基本功能從廣義上可以歸類到以下幾種模塊下：

1. 模擬前端（解調(diào)器）
2. 音頻/視頻編碼和解碼（MPEG視頻解碼器/MPEG音頻解碼器）
3. 各類接口
4. 顯示屏

　　上圖中所顯的所有模塊幾乎都需要時(shí)鐘信號(hào)。CPU要求的時(shí)鐘信號(hào)典型范圍為30 – 100MHz。MPEG標(biāo)準(zhǔn)要求采用基于27MHz的時(shí)鐘輸入。其中存在需要解碼器和編碼器同步的必要功能，而這項(xiàng)功能由VCXO（電壓控制晶體振蕩器）來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）時(shí)鐘源的音頻時(shí)鐘，其ppm要求極為嚴(yán)格。這些頻率取決于采樣頻率和過(guò)采樣比率。對(duì)于各類接口來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘信號(hào)由各自的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定，諸如USB、以太網(wǎng)、調(diào)制解調(diào)器、PCI、PCIExpress、SATA等等。

顯示屏的時(shí)鐘取決于屏幕尺寸以及顯示標(biāo)準(zhǔn)（高清（HD）：1080i、1080p、720p；標(biāo)清（SD）：NTSC、PAL）。屏幕控制器子系統(tǒng)的基本系統(tǒng)是將輸入圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際屏幕尺寸，例如，采用74.17582418 MHz等時(shí)鐘。

　　2.  電視機(jī)體系架構(gòu)和時(shí)鐘樹(shù)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(shì)，即要求所有信號(hào)傳輸都采用數(shù)字技術(shù)，該趨勢(shì)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(duì)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(lái)避免信號(hào)品質(zhì)降低。

　　傳統(tǒng)的時(shí)鐘樹(shù)設(shè) 計(jì)方式：這種方式針對(duì)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奈恢茫共季€變得簡(jiǎn)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(gòu)，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(zhǎng)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(lái)，基于鎖相環(huán)的時(shí)序解決方案的流行度已經(jīng)超過(guò)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(shì)

　　1. 成本——消費(fèi)類產(chǎn)品市場(chǎng)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(shì)在于，通過(guò)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(shì)。

　　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(lái)說(shuō)，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(gòu)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(lái)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(zhǎng)期頻率漂移已經(jīng)成為常見(jiàn)的問(wèn)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(guò)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(guò)程中改變一些特定參數(shù)。這一特色對(duì)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(guò)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(lái)的問(wèn)題。基于鎖相環(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(duì)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(wèn)題，要對(duì)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(guò)提供擴(kuò)頻等功能，減少了這些板卡設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題。例如，擴(kuò)頻可以通過(guò)擴(kuò)展高速信號(hào)來(lái)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(guò)嚴(yán)格的FCC規(guī)范認(rèn)證才能上市。全球各地諸如美國(guó)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(wèn)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(wèn)題的功能。

　　擴(kuò)頻功能能夠減少、甚至消除對(duì)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(guò)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(duì)這些問(wèn)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(kāi)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(kāi)發(fā)和測(cè)試中尤為實(shí)用。

　　8. 庫(kù)存管理——采購(gòu)團(tuán)隊(duì)目前所面臨的一項(xiàng)主要難題是對(duì)系統(tǒng)采用的每種元器件的存貨量、需求量和預(yù)測(cè)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(chǎng)區(qū)間并專門針對(duì)特定的目標(biāo)市場(chǎng)，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(wèn)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(lái)滿足時(shí)序方面的預(yù)定目標(biāo)，還能夠讓采購(gòu)團(tuán)隊(duì)做到多個(gè)平臺(tái)采購(gòu)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(gòu)團(tuán)隊(duì)則可以采用原本為不同平臺(tái)的所采購(gòu)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(duì)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(guò)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(chǎng)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(duì)功耗較為敏感的應(yīng)用中，通過(guò)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(zhǎng)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(kāi)。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(wú)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(gòu)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Aquos®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(jiàn)的，你每天使用的ThinkPad筆記本電腦——為這些視覺(jué)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(duì)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(duì)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(duì)液晶體兩端的電壓進(jìn)行調(diào)制，并因此能夠控制穿過(guò)面板的光線數(shù)量。而彩色顯示實(shí)質(zhì)上是通過(guò)采用那些讓紅光、綠光或藍(lán)光通過(guò)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(guò)施加“開(kāi)”或“關(guān)”電壓來(lái)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(guò)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(guò)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）。