數(shù)字娛樂設(shè)備中采用多鎖相環(huán)和擴頻時鐘進行設(shè)計的優(yōu)勢

　　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高質(zhì)量的產(chǎn)品的同時，讓大眾的消費更加劃算。隨著電視成為家庭娛樂活動的中心，集成尖端功能和子系統(tǒng)的壓力也在不斷增長。最終用戶變得越來越懂行，他們不但想要平板屏幕的優(yōu)雅外觀，而且還要求每臺電視都具備多項功能。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)計的難度，而時序設(shè)計方面的難度也就更高。設(shè)計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)的時鐘設(shè)計技術(shù)，轉(zhuǎn)向更為可靠的硅芯片時序解決方案。集成電路供貨商目前已經(jīng)能夠在硅芯片時序器件上提供一些增值功能，以 全面解決系統(tǒng)問題。讓我們來了解一下這一目標是如何實現(xiàn)的。

　　每一套電子系統(tǒng)，無論是模擬系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)，都需要時序基準信號，而整個電路的工作均以時序基準信號為基礎(chǔ)。這個時序基準信號，或稱之為“時鐘”，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）的硅芯片時序解決方案的應用越來越普遍，為那些需要多種頻率的設(shè)計方案提供了更潔凈、更穩(wěn)定的時鐘選擇方案。本文的目的在于詳細論述采用硅芯片時序解決方案來解決時序設(shè)計難題時所持的價值主張，并與采用多個獨立晶體或晶體振蕩器（XO）的傳統(tǒng)設(shè)計方法進行了對比。
 
    1. 高清電視系統(tǒng)中采用多種頻率的需要——不同的標準和接口

　　圖1所示為液晶電視機天線的基本原理圖，簡單地說明了數(shù)字電視將輸入的數(shù)字數(shù)據(jù)流處理成適于用戶起居室內(nèi)電視機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：常見液晶電視機體系架構(gòu)

　　調(diào)諧電路板上加入了多個子系統(tǒng)。各項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鐘信號。CPU要求的時鐘信號典型范圍為30 – 100MHz。MPEG標準要求采用基于27MHz的時鐘輸入。其中存在需要解碼器和編碼器同步的必要功能，而這項功能由VCXO（電壓控制晶體振蕩器）來實現(xiàn)。對于作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）時鐘源的音頻時鐘，其ppm要求極為嚴格。這些頻率取決于采樣頻率和過采樣比率。對于各類接口來說，時鐘信號由各自的標準來決定，諸如USB、以太網(wǎng)、調(diào)制解調(diào)器、PCI、PCIExpress、SATA等等。

    顯示屏的時鐘取決于屏幕尺寸以及顯示標準（高清（HD）：1080i、1080p、720p；標清（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)換成實際屏幕尺寸，例如，采用74.17582418 MHz等時鐘。

　　2.  電視機體系架構(gòu)和時鐘樹的實現(xiàn)

　　目前，設(shè)計者不得不在設(shè)計前期做出的一項關(guān)鍵決定就是信號格式，包括模擬信號或數(shù)字信號。幾年以前，電視機的信號鏈路還是主要以模擬信號為基礎(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。但是，目前存在著一種全球性的必然發(fā)展趨勢，即要求所有信號傳輸都采用數(shù)字技術(shù)，該趨勢將分階段實現(xiàn)。

　　高清電視的傳輸采用了數(shù)字信號，所以，新出品的電視機趨向于采用數(shù)字通路。采用數(shù)字傳輸方式的優(yōu)點在于對噪聲的容錯性很高。另一方面，模擬信號易受到噪聲的影響。電路板設(shè)計者需要在布線時加特別關(guān)注，采用擁有更優(yōu)信噪比（SNR）性能的差分信號，或者運用屏蔽技術(shù)來避免信號品質(zhì)降低。

　　傳統(tǒng)的時鐘樹設(shè) 計方式：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，時鐘可以布置在非?？拷骷奈恢茫共季€變得簡潔。但是，這種方式的缺陷在于，每一個晶體/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)計變更。如果有一個頻率發(fā)生了變化，也要求有很長的交貨周期，從而導致整個進度的延遲。

　　硅芯片時序解決方案：近10多年以來，基于鎖相環(huán)的時序解決方案的流行度已經(jīng)超過了傳統(tǒng)時鐘方法。硅芯片時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功能，從而可應用于復雜的系統(tǒng)設(shè)計。這兩種設(shè)計方式之間的折衷處理將在下文進行討論。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)硅芯片時序解決方案的優(yōu)勢

　　1. 成本——消費類產(chǎn)品市場領(lǐng)域的重要決策的驅(qū)動要素之一就是成本。每一次體系架構(gòu)的變動都必須經(jīng)濟而劃算，這樣才可以實施架構(gòu)轉(zhuǎn)變，所付出的投資才是合理的。硅芯片時序解決方案最具吸引力的優(yōu)勢在于，通過將若干個晶體/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天線電路板中，采用了5-6個分立晶體（每個成本為0.12 – 0.50美元），而如果一個能夠提供上述頻率的可編程功能的硅芯片時鐘發(fā)生器的成本低于2.00美元，則就會真正為電路板增值。除了成本是晶體/晶體振蕩器集成的主要推動要素，另外還有一些能夠為OEM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)中每減少一個晶體都有助于提高整個系統(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。而硅芯片時序解決方案能夠采用單個低頻晶體（或者可以使用時鐘基準信號）來生成多個高頻輸出。

　　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械應力。老化可能導致使用晶體的系統(tǒng)性能緩慢下降。在使用晶體時，長期頻率漂移已經(jīng)成為常見的問題。而基于鎖相環(huán)的硅芯片時序解決方案能夠在產(chǎn)品整個使用壽命內(nèi)保持精確度。

　　5. 可編程性——基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器擁有內(nèi)置可編程性，可以在設(shè)計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)動信號強度設(shè)置值、擴頻百分比、通過引腳編程實現(xiàn)頻率選擇，這些意味著同一個輸出端可以根據(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平臺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完整性所帶來的問題。基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器能夠采用一個低頻晶體生成若干個輸出，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值。

　  7. 采用擴頻時鐘降低電磁干擾——電視機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)生串擾、扭曲和信號完整性問題，要對多路高速信號進行精心的布線。而硅芯片時序器件供貨商通過提供擴頻等功能，減少了這些板卡設(shè)計方面的問題。例如，擴頻可以通過擴展高速信號來降低信號的峰值能量。

　　電磁干擾必須低于強制性標準所規(guī)定的限值，這些標準如CISPR 22或FCC Part 15 Class B。所有消費類產(chǎn)品必須通過嚴格的FCC規(guī)范認證才能上市。全球各地諸如美國通信委員會（FCC）這樣的管理機構(gòu)會確保強制性標準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。不幸的是，存在頻率諧波的高速設(shè)計方案經(jīng)常會遇到這方面的問題。擴頻是一項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。

　　擴頻功能能夠減少、甚至消除對會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，則需要花大力氣進行重新設(shè)計。考慮到試驗所耗費的成本以及重新進行工程設(shè)計所浪費的時間，我們會 認識到對這些問題做好通盤考慮并采取保險措施的重要性，例如提前采用擴頻功能。而擁有可編程性就可以在需要時打開擴頻功能以及在不需要時關(guān)閉該功能。這一功能在開發(fā)和測試中尤為實用。

　　8. 庫存管理——采購團隊目前所面臨的一項主要難題是對系統(tǒng)采用的每種元器件的存貨量、需求量和預測規(guī)劃進行管理。由于每家OEM商均擁有多個產(chǎn)品平臺和子平臺，這些平臺和子平臺均處于不同市場區(qū)間并專門針對特定的目標市場，而管理好這個供應鏈是一項相當繁重的工作。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的晶體產(chǎn)品會有多么繁瑣。而硅芯片時序元器件供應商提供了可編程時鐘發(fā)生器，這個發(fā)生器可以由設(shè)計人員在設(shè)計時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)計者的工作更加輕松，而且可以提供不同的頻率來滿足時序方面的預定目標，還能夠讓采購團隊做到多個平臺采購相同的器件產(chǎn)品。如果其中一個平臺的需求量突然增加，采購團隊則可以采用原本為不同平臺的所采購器件。此外，由于還有一些諸如引腳可編程以實現(xiàn)頻率選擇的特色，因此可以在不對設(shè)計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——某些應用可能需要若干個時鐘信號復制，而且要求這些復制的時鐘完全同步或一致。通過可編程鎖相環(huán)器件即可提供這項功能。而使用若干個分立晶體時，達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、智能手機、個人媒體播放器、數(shù)碼相機、便攜攝像機等。在這些對功耗較為敏感的應用中，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，在智能手機領(lǐng)域，并不是所有應用程序都需要長時間運行。在用戶希望使用其中一項功能時，例如，使用GPS功能進行指路時，就可以將這一特定頻率打開。一旦這項功能不再使用，則系統(tǒng)可以將這一頻率源降低功率運行。在采用分立晶體/晶體振蕩器的傳統(tǒng)設(shè)計中，這一點并不容易實現(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，它在我們實際生活中的應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)大減價時買到的夏普Aquos®電視機，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力的技術(shù)實際都是液晶技術(shù)。液晶面板的這種滲透度表明，推動它流行的技術(shù)已經(jīng)成熟，新機型的價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)進行一些詳細剖析。液晶面板實際上是一個晶體管陣列，這個陣列用于對液晶體兩端的電壓進行調(diào)制，并因此能夠控制穿過面板的光線數(shù)量。而彩色顯示實質(zhì)上是通過采用那些讓紅光、綠光或藍光通過給定像素的濾光片實現(xiàn)的。行驅(qū)動器連接到晶體管的柵極。行驅(qū)動器通過施加“開”或“關(guān)”電壓來控制著在任一給定時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)動器，而列驅(qū)動器供應著達到正確像素亮度所要求的特定電壓。

　 時序控制器從主機獲取顯示數(shù)據(jù)并通過面板接口將數(shù)據(jù)傳輸給列驅(qū)動器和行驅(qū)動器。其中也可以加入附加功能，諸如采用過驅(qū)動以減少運動模糊現(xiàn)象、增強圖像以及進行伽馬校正。行驅(qū)動器接口采用晶體管邏輯電路（TTL）作為信號發(fā)生級。而列驅(qū)動器接口需要大量的帶寬，以實現(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（RSDS）。

LVDS Transmitter  LVDS（低壓差分信號）發(fā)射器
Ref Clock   基準時鐘
SS Clock   擴頻時鐘
LVDS Receiver   LVDS接收器
Timing Controller  時序控制器
Color Processing  色彩處理
RSDS Transmitter  RSDS發(fā)射器
Row Driver   行驅(qū)動器
Column Driver   列驅(qū)動器
LCD Panel   液晶面板

　　圖2：液晶面板控制器方框圖

　　面板電子線路中存在的主要難題之一是降低干擾以滿足電磁兼容性（EMC）規(guī)范的要求。面板制造廠商通常會為不同種類的應用提供不同類型的面板，包括電視機、PC機顯示器、筆記本電腦、手持設(shè)備、個人娛樂系統(tǒng)等。但面板制造廠商傾向于在所有尺寸的面板上采用同一種電路板。但這些廠商是怎樣采用尺寸受限的2層電路板來滿足電磁干擾（EMI）試驗要求的呢？他們是如何有效地為各種屏幕尺寸設(shè)計印刷電路板（PCB），并且還能夠在滿足電磁規(guī)范的同時按時完成項目的呢？

　　達到這些目標有幾種方法，其一是改善印刷電路板材料的質(zhì)量，增加采用專用鋪地層的附加電路板層。大多數(shù)液晶面板中的印刷電路板都采用標準的FR4材料制造?？紤]到所要增加的成本，采用成本更高的印刷電路板材料以及增加更多電路板層也不是一項可行的方案。另一種減少電磁干擾的方法是采用濾波，但是，這種方法也不是一種能夠適用于所有面板尺寸的萬全之策。而且，每一個電路網(wǎng)都需要進行濾波。而未能滿足電磁兼容性試驗要求會導致重新進行工程設(shè)計并影響產(chǎn)品的上市周期。

　　如圖2所示，擴頻（SS）時鐘發(fā)生器已經(jīng)成為用來解決電磁干擾難題的流行方式。多家硅集成電路供貨商，包括賽普拉斯半導體公司，已能夠為液晶顯示系統(tǒng)供應擴頻時鐘產(chǎn)品。其優(yōu)勢在于能夠采用系統(tǒng)化的方法在前期解決電磁干擾問題。擴頻功能可以有選擇性地打開，而且可以對擴頻百分比進行調(diào)整以獲得合適的擴展量以便通過電磁兼容性試驗。對于不同尺寸面板，其擴展百分比也可以有所不同，這點可根據(jù)需要確定，而采用的元器件相同。由于板卡空間有限，這些時鐘產(chǎn)品均采用了極小的封裝尺寸。

　　總體來說，包括液晶電視在內(nèi)的數(shù)字電視的體系架構(gòu)正在不斷發(fā)展，并正在采用更新的方法來提供高質(zhì)量的“高清”水平的音頻和視頻，同時保持對于最終市場的經(jīng)濟合理性。數(shù)字電視生產(chǎn)廠商正逐步認識到硅芯片多鎖相環(huán)和擴頻時鐘方法在改善性能和加快產(chǎn)品上市周期方面的價值。