數字娛樂(lè )設備中采用多鎖相環(huán)和擴頻時(shí)鐘進(jìn)行設計的優(yōu)勢

　　由于數字電視的產(chǎn)量巨大，制造廠(chǎng)商最關(guān)注的就是如何在供應高質(zhì)量的產(chǎn)品的同時(shí)，讓大眾的消費更加劃算。隨著(zhù)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的壓力也在不斷增長(cháng)。最終用戶(hù)變得越來(lái)越懂行，他們不但想要平板屏幕的優(yōu)雅外觀(guān)，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)成為現代化起居室內非常普通的必需品。這樣就增加了系統設計的難度，而時(shí)序設計方面的難度也就更高。設計者正在為解決這一難題尋找更合適的方式，他們擺脫了傳統的時(shí)鐘設計技術(shù)，轉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 全面解決系統問(wèn)題。讓我們來(lái)了解一下這一目標是如何實(shí)現的。

　　每一套電子系統，無(wú)論是模擬系統還是數字系統，都需要時(shí)序基準信號，而整個(gè)電路的工作均以時(shí)序基準信號為基礎。這個(gè)時(shí)序基準信號，或稱(chēng)之為“時(shí)鐘”，在傳統上采用晶體（壓電石英器件）或晶體振蕩器（晶體+振蕩控制電路）。隨著(zhù)集成技術(shù)的不斷發(fā)展，基于鎖相環(huán)（PLL）的硅芯片時(shí)序解決方案的應用越來(lái)越普遍，為那些需要多種頻率的設計方案提供了更潔凈、更穩定的時(shí)鐘選擇方案。本文的目的在于詳細論述采用硅芯片時(shí)序解決方案來(lái)解決時(shí)序設計難題時(shí)所持的價(jià)值主張，并與采用多個(gè)獨立晶體或晶體振蕩器（XO）的傳統設計方法進(jìn)行了對比。
 
1. 高清電視系統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(xiàn)的基本原理圖，簡(jiǎn)單地說(shuō)明了數字電視將輸入的數字數據流處理成適于用戶(hù)起居室內電視機使用的正確音頻和視頻格式的流程。

Satellite Terrestrial Cable 衛星地面電纜
Analog Tuners   模擬天線(xiàn)
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   音頻數模轉換器
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   視頻數模轉換器
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               調制解調器

　　圖1：常見(jiàn)液晶電視機體系架構

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

1. 模擬前端（解調器）
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(lèi)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。CPU要求的時(shí)鐘信號典型范圍為30 – 100MHz。MPEG標準要求采用基于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，而這項功能由VCXO（電壓控制晶體振蕩器）來(lái)實(shí)現。對于作為數模轉換器（DAC）時(shí)鐘源的音頻時(shí)鐘，其ppm要求極為嚴格。這些頻率取決于采樣頻率和過(guò)采樣比率。對于各類(lèi)接口來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘信號由各自的標準來(lái)決定，諸如USB、以太網(wǎng)、調制解調器、PCI、PCIExpress、SATA等等。

顯示屏的時(shí)鐘取決于屏幕尺寸以及顯示標準（高清（HD）：1080i、1080p、720p；標清（SD）：NTSC、PAL）。屏幕控制器子系統的基本系統是將輸入圖像數據轉換成實(shí)際屏幕尺寸，例如，采用74.17582418 MHz等時(shí)鐘。

　　2.  電視機體系架構和時(shí)鐘樹(shù)的實(shí)現

　　目前，設計者不得不在設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，而如今，更為常用的是數字音頻數據通路。數字和模擬通路均各自存在著(zhù)一些固有的優(yōu)缺點(diǎn)。但是，目前存在著(zhù)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字技術(shù)，該趨勢將分階段實(shí)現。

　　高清電視的傳輸采用了數字信號，所以，新出品的電視機趨向于采用數字通路。采用數字傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)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。電路板設計者需要在布線(xiàn)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，或者運用屏蔽技術(shù)來(lái)避免信號品質(zhì)降低。

　　傳統的時(shí)鐘樹(shù)設 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(shí)鐘可以布置在非?？拷骷奈恢?，使布線(xiàn)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，從而不允許在最后階段做出設計變更。如果有一個(gè)頻率發(fā)生了變化，也要求有很長(cháng)的交貨周期，從而導致整個(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功能，從而可應用于復雜的系統設計。這兩種設計方式之間的折衷處理將在下文進(jìn)行討論。轉向采用這種體系架構的客戶(hù)所獲得的主要益處在于，它賦予了客戶(hù)的設計方案靈活性并節省了成本。

　　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——消費類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)領(lǐng)域的重要決策的驅動(dòng)要素之一就是成本。每一次體系架構的變動(dòng)都必須經(jīng)濟而劃算，這樣才可以實(shí)施架構轉變，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(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天線(xiàn)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，另外還有一些能夠為OEM商和最終用戶(hù)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(lái)說(shuō)，晶體的故障率較高。從系統中每減少一個(gè)晶體都有助于提高整個(gè)系統的可靠性。集成度高還能夠減少電路板上的元器件數量，獲得最高的穩定性并實(shí)現更低的返修率。

　　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)鐘基準信號）來(lái)生成多個(gè)高頻輸出。

　　4. 晶體老化——晶體本身容易出現老化現象，每隔幾年會(huì )出現+-2ppm至+-5ppm的誤差。這種老化現象的原因在于晶體材質(zhì)內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性能緩慢下降。在使用晶體時(shí)，長(cháng)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)生器擁有內置可編程性，可以在設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，而且能夠改變驅動(dòng)信號強度設置值、擴頻百分比、通過(guò)引腳編程實(shí)現頻率選擇，這些意味著(zhù)同一個(gè)輸出端可以根據需要提供不同的頻率。系統內置的可編程性可以采用串行I2C接口在設計執行過(guò)程中改變一些特定參數。這一特色對于那些在多個(gè)平臺上采用同一組頻率的制造廠(chǎng)商是富有吸引力的。

　　6. 減少元器件數量，節約板卡空間——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量。系統設計者正在趨向于采用更少的元器件，以求減少由于布線(xiàn)和需要保持信號完整性所帶來(lái)的問(wèn)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量以及節約寶貴的板卡空間極具價(jià)值。

    7. 采用擴頻時(shí)鐘降低電磁干擾——電視機天線(xiàn)電路板典型情況下為5-7層板，并采用了專(zhuān)用的鋪地層以便壓低干擾。為提高系統性能和避免發(fā)生串擾、扭曲和信號完整性問(wèn)題，要對多路高速信號進(jìn)行精心的布線(xiàn)。而硅芯片時(shí)序器件供貨商通過(guò)提供擴頻等功能，減少了這些板卡設計方面的問(wèn)題。例如，擴頻可以通過(guò)擴展高速信號來(lái)降低信號的峰值能量。

　　電磁干擾必須低于強制性標準所規定的限值，這些標準如CISPR 22或FCC Part 15 Class B。所有消費類(lèi)產(chǎn)品必須通過(guò)嚴格的FCC規范認證才能上市。全球各地諸如美國通信委員會(huì )（FCC）這樣的管理機構會(huì )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發(fā)射信號。不幸的是，存在頻率諧波的高速設計方案經(jīng)常會(huì )遇到這方面的問(wèn)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(wèn)題的功能。

　　擴頻功能能夠減少、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(xiàn)圈和振流器的需要。如果系統未能通過(guò)電磁合規試驗，則需要花大力氣進(jìn)行重新設計?？紤]到試驗所耗費的成本以及重新進(jìn)行工程設計所浪費的時(shí)間，我們會(huì ) 認識到對這些問(wèn)題做好通盤(pán)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(shí)打開(kāi)擴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)和測試中尤為實(shí)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采用的每種元器件的存貨量、需求量和預測規劃進(jìn)行管理。由于每家OEM商均擁有多個(gè)產(chǎn)品平臺和子平臺，這些平臺和子平臺均處于不同市場(chǎng)區間并專(zhuān)門(mén)針對特定的目標市場(chǎng)，而管理好這個(gè)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(huì )有多么繁瑣。而硅芯片時(shí)序元器件供應商提供了可編程時(shí)鐘發(fā)生器，這個(gè)發(fā)生器可以由設計人員在設計時(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計者的工作更加輕松，而且可以提供不同的頻率來(lái)滿(mǎn)足時(shí)序方面的預定目標，還能夠讓采購團隊做到多個(gè)平臺采購相同的器件產(chǎn)品。如果其中一個(gè)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(shí)現頻率選擇的特色，因此可以在不對設計方案造成顯著(zhù)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(gè)時(shí)鐘信號復制，而且要求這些復制的時(shí)鐘完全同步或一致。通過(guò)可編程鎖相環(huán)器件即可提供這項功能。而使用若干個(gè)分立晶體時(shí)，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(shí)鐘發(fā)生器可以滿(mǎn)足便攜設備市場(chǎng)的特殊需求，其中包括游戲機、智能手機、個(gè)人媒體播放器、數碼相機、便攜攝像機等。在這些對功耗較為敏感的應用中，通過(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，在智能手機領(lǐng)域，并不是所有應用程序都需要長(cháng)時(shí)間運行。在用戶(hù)希望使用其中一項功能時(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)。一旦這項功能不再使用，則系統可以將這一頻率源降低功率運行。在采用分立晶體/晶體振蕩器的傳統設計中，這一點(diǎn)并不容易實(shí)現。

　　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)際生活中的應用多得超乎我們的想像。其中包括，你正在購買(mǎi)的所有新款iPhone的3.5英寸觸摸屏，你在感恩節大減價(jià)時(shí)買(mǎi)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(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進(jìn)行一些詳細剖析。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)行調制，并因此能夠控制穿過(guò)面板的光線(xiàn)數量。而彩色顯示實(shí)質(zhì)上是通過(guò)采用那些讓紅光、綠光或藍光通過(guò)給定像素的濾光片實(shí)現的。行驅動(dòng)器連接到晶體管的柵極。行驅動(dòng)器通過(guò)施加“開(kāi)”或“關(guān)”電壓來(lái)控制著(zhù)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動(dòng)器，而列驅動(dòng)器供應著(zhù)達到正確像素亮度所要求的特定電壓。

　　時(shí)序控制器從主機獲取顯示數據并通過(guò)面板接口將數據傳輸給列驅動(dòng)器和行驅動(dòng)器。其中也可以加入附加功能，諸如采用過(guò)驅動(dòng)以減少運動(dòng)模糊現象、增強圖像以及進(jìn)行伽馬校正。行驅動(dòng)器接口采用晶體管邏輯電路（TTL）作為信號發(fā)生級。而列驅動(dòng)器接口需要大量的帶寬，以實(shí)現更清晰的顯示，所以采用了不同的總線(xiàn)體系架構——典型情況下采用抑制擺幅差分信號（RSDS）。