平面电视设计中的灵巧集成技术介绍与应用
平面电视设计中的灵巧集成技术介绍与应用
平面电视正在迅速占领消费类电子市场，这种“高级”电视的销售增长率使人联想到早期的个人计算机(pc)。“高级电视”的概念现在是指液晶电视(lcd tv)、等离子电视(pdp tv)、微显背投电视〔包括液晶显示器(lcd)、数字光输处理器(dlp)和液晶硅显示器(lcos)〕、前投式投影机和全平面阴极射线管(crt)电视。
要想在一个快速增长的市场上保持竞争力，制造商们就不能停滞不前。他们必须不懈努力，通过降低成本、提高图像质量、增强可靠性和增加新的用户功能来改进其产品。其中最重要的是，制造商们必须提高产品的生产能力，使它们更容易生产并且成本更低。达到所有这些设计目标的一个关键问题就是如何在显示器接口中采用“灵巧集成”技术。
把分立的功能集成到单芯片上可以减少元器件数量并降低制造成本，这是一个在过去十几年里对pc制造商来说确实卓有成效的策略。但是显示器需要“灵巧集成”，因为在组合各种显示接口功能时还要克服一些重大技术难题。如果要把高性能模拟电路和高速数字电路集成到一个解决方案中，需要有专门的混合信号设计技术方面的经验。一个集成的接口需要产品满足低成本和小封装尺寸的要求，同时又不能牺牲图像质量和生产能力。
1 典型的lcd tv
典型的lcd tv为系统集成提供了多种选择(见图1)，其中包括：
·模拟接口与数字接口相结合以便提供与目前大多数的dvd光盘播放机和机顶盒兼容的“传统兼容性”，并为将来做好了“数字化准备”；
·接口与图形控制器功能以及lcd tv中与图像有关的主要电路相结合；
·减少内部连线的数量并且简化印制电路板(pcb)布线从而降低了影响图像质量的信号失真；
·以增加少许成本提供具有cd光盘质量的音频和pc兼容性。
图1 一种典型的高级电视系统框图为系统集成提供了多种选择
1.1 集成模拟接口
虽然人们对新出现的数字平面显示器接口的兴趣还在持续增长，但是分量模拟视频接口仍然是目前市场上销售的高级电视主要选择的高质量接口。许多高级电视还包含一个模拟视频图形适配器(vga)接口以便与pc应用兼容。集成的分量模拟接口，例如美国模拟器件公司(adi)的ad9883a，已经在单芯片上集成了显示器接口所需要的所有传统模拟功能(见图2 )。这种显示器接口集成的第一步已经起到降低成本、改进图像质量并且简化pcb布线的作用。
1.5 图像质量和集成程度的关系
适合pc应用的lcd台式监视器的发展趋势是将模拟接口和数字图像缩放功能集成到一颗单芯片中。这些集成解决方案在用于显示诸如电子邮件、网上冲浪或电子数据表等基本pc应用的较小(15～17)监视器中通常都能提供足够好的图像质量。但是对于30～80多种尺寸规格显示屏的高级电视应用来说，在图像质量方面的要求要高得多。
为了提供满足高级电视客户要求的精美图像质量，消费类电子产品制造商目前正在设计带有独立接口和缩放器芯片的电视机。在许多情况下，业界领先的电视机制造商正在设计自己定制的缩放器芯片以满足系统要求。其它的制造商正在选择使用专门为高级电视开发的市场上可买到的缩放器芯片。这些数字的缩放器芯片有时候还与内置的微控制器和eeprom集成在一起，以便存储显示器的微码。这些数字芯片可以采用最新的数字电路制造工艺(0.13 μm或0.18 μm cmos)从而提供更低的成本和更高的性能。
2 关于复杂度的问题
大部分的管芯面积由数字逻辑门组成，所以这种集成方法需要采用0.13μm或0.18μm数字cmos制造工艺以便降低成本。在某些情况下，使用嵌入式动态随机存储器(dram)制造工艺以将帧缓冲存储器集成到与图像控制器在一起的同一芯片中，但是这些芯片不是很适合实现高性能的模拟功能。
为了适合高性能模拟电路并降低成本，需要有一种混合信号cmos制造工艺。因为混合信号制造工艺没有被普遍采用，而且具有高性能混合信号经验的设计工程师仍然很少，所以其模拟性能很难达到要求。正如人们看到的其初期集成产品的图像质量下降，不如单独的模拟接口和数字接口产品。
虽然 hdmi接口通常被认为是一种数字接口，但是其设计需要相当多的混合信号电路。实际上，hdmi接口中每个颜色通道中的高速比较器数量要比模拟接口中使用的adc中的高速比较器多。hdmi标准规定其输入频率高达1.6gbps，所以要达到适当的性能要求仍然需要大量资金完成混合信号设计。
采用当今先进的cmos制造工艺，有助于把混合信号电路(模拟接口和hdmi数字接口)集成到一颗单片“接口”芯片中。混合信号cmos制造工艺一般来说是继最新的数字cmos制造工艺之后出现的新一代制造工艺。只要把高速数字电路放置在缩放器芯片上就可以采用最新的先进cmos制造工艺。这就清楚地说明了 “灵巧集成”的概念——双芯片解决方案可以提供高性能，它比集成的单芯片解决方案加快了面世时间并且降低了总成本。
3 产品合格测试
集成接口和缩放器产品都是真正的混合信号器件，它们需要100%的高速混合信号电性能测试以确保高质量性能。现在用于adc的混合信号测试解决方案几乎与芯片设计本身一样复杂。
数字电路工程师都熟悉数字测试程序的开发，通常利用这种程序把测试向量输入到自动测试图形发生器(atpg)软件中以生成一个数字测试图形。也可采用联合测试行动小组(jtag)标准的边界扫描和内部扫描技术以便在数字电路中检测出至少98%的故障率。在测试这些数字电路时经常使用现有的数字逻辑测试议。
但是高性能混合信号电路需要“高速”测试以验证其电性能。测试高速模拟电路需要测试开发工程师提供的测试代码和独特的测试硬件以保证adc的信号抖动、信噪比(snr)和线性误差的精密测量。高性能混合信号测试平台具有测试同一集成器件中的高性能模拟电路的能力和高速、多引脚数字电路的能力。没有经过高性能混合信号测试平台严格测试的集成接口产品可能在性能上存在服从wafer制造工艺正态分布的大的偏差。
不合格的器件会给受生产时间及其资源限制的高级电视制造商带来严重的问题。例如，考虑一种不同批量之间的关键参数存在一致性偏差(不合格率只有10%)的接口产品。如果该接口产品的供应商不能筛选出所有这些不合格产品，那么使用这种产品的电视机制造商就必须对其显示器进行100%的测试，因此增加了其最终产品的成本。谨慎的设计工程师现在都在进一步发现如何测试集成接口产品的问题以确保只获得最高质量的产品。
4 提高到崭新水平
灵巧集成是增加高级电视和其它高图像质量显示器产品合格率的关键。由于减少元器件数量可以提高图像质量，降低成本，减小尺寸，所以产品更易于制造。但是上述减少元器件的结果会增加集成电路设计复杂性。除非集成电路设计恰当而且能进行充分的测试，否则提高集成度的想法只能带来失望的结果。因此设计工程师必须寻求超过产品设计指标的元器件，以便保证他们能得到满足新的高级电视要求的可信赖的元器件。
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要想在一个快速增长的市场上保持竞争力，制造商们就不能停滞不前。他们必须不懈努力，通过降低成本、提高图像质量、增强可靠性和增加新的用户功能来改进其产品。其中最重要的是，制造商们必须提高产品的生产能力，使它们更容易生产并且成本更低。达到所有这些设计目标的一个关键问题就是如何在显示器接口中采用“灵巧集成”技术。
把分立的功能集成到单芯片上可以减少元器件数量并降低制造成本，这是一个在过去十几年里对pc制造商来说确实卓有成效的策略。但是显示器需要“灵巧集成”，因为在组合各种显示接口功能时还要克服一些重大技术难题。如果要把高性能模拟电路和高速数字电路集成到一个解决方案中，需要有专门的混合信号设计技术方面的经验。一个集成的接口需要产品满足低成本和小封装尺寸的要求，同时又不能牺牲图像质量和生产能力。
1 典型的lcd tv
典型的lcd tv为系统集成提供了多种选择(见图1)，其中包括：
·模拟接口与数字接口相结合以便提供与目前大多数的dvd光盘播放机和机顶盒兼容的“传统兼容性”，并为将来做好了“数字化准备”；
·接口与图形控制器功能以及lcd tv中与图像有关的主要电路相结合；
·减少内部连线的数量并且简化印制电路板(pcb)布线从而降低了影响图像质量的信号失真；
·以增加少许成本提供具有cd光盘质量的音频和pc兼容性。
图1 一种典型的高级电视系统框图为系统集成提供了多种选择
1.1 集成模拟接口
虽然人们对新出现的数字平面显示器接口的兴趣还在持续增长，但是分量模拟视频接口仍然是目前市场上销售的高级电视主要选择的高质量接口。许多高级电视还包含一个模拟视频图形适配器(vga)接口以便与pc应用兼容。集成的分量模拟接口，例如美国模拟器件公司(adi)的ad9883a，已经在单芯片上集成了显示器接口所需要的所有传统模拟功能(见图2 )。这种显示器接口集成的第一步已经起到降低成本、改进图像质量并且简化pcb布线的作用。
1.5 图像质量和集成程度的关系
适合pc应用的lcd台式监视器的发展趋势是将模拟接口和数字图像缩放功能集成到一颗单芯片中。这些集成解决方案在用于显示诸如电子邮件、网上冲浪或电子数据表等基本pc应用的较小(15～17)监视器中通常都能提供足够好的图像质量。但是对于30～80多种尺寸规格显示屏的高级电视应用来说，在图像质量方面的要求要高得多。
为了提供满足高级电视客户要求的精美图像质量，消费类电子产品制造商目前正在设计带有独立接口和缩放器芯片的电视机。在许多情况下，业界领先的电视机制造商正在设计自己定制的缩放器芯片以满足系统要求。其它的制造商正在选择使用专门为高级电视开发的市场上可买到的缩放器芯片。这些数字的缩放器芯片有时候还与内置的微控制器和eeprom集成在一起，以便存储显示器的微码。这些数字芯片可以采用最新的数字电路制造工艺(0.13 μm或0.18 μm cmos)从而提供更低的成本和更高的性能。
2 关于复杂度的问题
大部分的管芯面积由数字逻辑门组成，所以这种集成方法需要采用0.13μm或0.18μm数字cmos制造工艺以便降低成本。在某些情况下，使用嵌入式动态随机存储器(dram)制造工艺以将帧缓冲存储器集成到与图像控制器在一起的同一芯片中，但是这些芯片不是很适合实现高性能的模拟功能。
为了适合高性能模拟电路并降低成本，需要有一种混合信号cmos制造工艺。因为混合信号制造工艺没有被普遍采用，而且具有高性能混合信号经验的设计工程师仍然很少，所以其模拟性能很难达到要求。正如人们看到的其初期集成产品的图像质量下降，不如单独的模拟接口和数字接口产品。
虽然 hdmi接口通常被认为是一种数字接口，但是其设计需要相当多的混合信号电路。实际上，hdmi接口中每个颜色通道中的高速比较器数量要比模拟接口中使用的adc中的高速比较器多。hdmi标准规定其输入频率高达1.6gbps，所以要达到适当的性能要求仍然需要大量资金完成混合信号设计。
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