在平板显示器中实现智能集成的技巧

平板显示器正在掀起计算机市场的风暴；LCD显示器、图形投影机与等离子显示器不断上升的销售率让人想起早期的个人计算机。为了在一个快速增长的舞台上保持竞争力，生产商绝不可以停滞不前。他们必须持续改进其产品，降低成本、改善图像质量、提高可靠性，并增加新的用户特性。最重要的是，生产商必须提高其产品的可制造性，使其更易于生产且生产成本更低。实现所有这些设计目标的一个关键就是在显示接口中采用“智能集成”。

将分立的功能集成到单一芯片中可以减少部件数量和生产成本，在过去十几年里PC生产商曾经一度采用这一策略。但是，因为当将显示接口功能进行组合时，要克服巨大的技术挑战，显示器需要进行智能集成。将高性能模拟与高速数字电路集成到一个设计中，这要求在专门的混合信号设计技术中具有丰富的经验。进行了接口集成的产品需要在不牺牲图像质量或可制造性的前提下，满足减小成本和尺寸的目标

典型的LCD显示器为集成提供了许多机遇(图1)。其中包括：

1. 将模拟接口和数字接口结合在一起，为目前全世界超过十亿台PC提供传统的兼容性，并仍为未来保持“数字准备”。

2. 将接口与图像控制器功能组合在一起，图像控制器是平板显示器中主要与图像有关的电路。

3. 减少互连并简化电路板版图从而减小影响图像质量的失真。

4. 增加诸如USB集线器以及USB客户功能等新特性作为平板显示器的低附加成本。

图1：平板显示器模块图。

集成模拟接口

尽管对新数字平板接口兴趣的持续增长，但模拟接口仍是目前在售LCD显示器的主要选择。例如ADI公司的AD9884和飞利浦公司的TDA8752H等集成模拟接口已经将所有平板接口所要求的传统模拟功能组合在了单一芯片中(图2)。第一步集成已经降低了成本，改善了图像质量并简化了电路板版图。

图2：模拟接口模块图。

正采用混合信号CMOS或BiCMOS晶圆制造工艺大量生产集成模拟接口芯片。如果芯片要想满足平板接口应用所需要的具有±0.5 LSB的典型线性指标(INL/DNL)和>200 MHz输入带宽的高速(>100 MHz) A/D转换器，那么就要求采用这些高性能的工艺。但标准CMOS晶圆制造工艺并不提供实现高性能模拟信号处理和A/D转换器所要求的混合信号特性。

增加数字连接

集成平板接口的下一个逻辑步骤是将模拟与数字接口组合在单一芯片中。这更易于提供传统兼容的显示器，这也是未来的“数字准备”。

在消费者升级其图形卡或计算机系统时，在同样的显示器上具有数字接口，可能促使消费者选择数字连接。人们普遍认为，绝大多数PC用户要使用自己的显示器五至七年，而在购买新的显示器之前，为了采用高性能的技术，一般要升级他们的PC数次。双接口显示器允许用户在丢弃他们的显示器之前持续获得长期的使用寿命。

新的数字显示工作组(DDWG)的数字视频接口(DVI)v1.0和视频电子标准协会(VESA)的即插即显示标准允许这种双接口的显示器。所有这些直接寻址显示标准规定了连接器、电缆和支持双接口显示器的电气特性。所有标准还将最小化传输差分信号(TMDS)指定为数字接口。

AD9887集成接口

AD9887是世界上第一款用于平板显示器的集成的双接口(图3)。其模拟接口是基于AD9884模拟接口进行设计，并且对SXGA显示器而言最高工作频率高达140 MHz。其数字接口采用TMDS还可以提供高达SXGA(112 Msps)的图像分辨率。这些接口共享同一个输出，与两个芯片的模拟/数字接口设计相比从而节省48个管脚。该芯片还提供接口连接到显示器的自动检测，以及一个允许用户在串联数据连接上选择接口的选项。

该芯片有两个等级：用于XGA显示器的AD9887以及用于SXGA显示器的AD9887-140。这一选择允许设计师来为其显示器选择最具成本效益的解决方案。AD9887目前准备在十一月份提供产品样品。

图3 ：AD9887双接口模块图。

减少互连

平板显示器可获得的图像质量极大地依赖于显示器接口电路板的设计与版图。显示器更高程度集成的好处之一就是器件之间更少的互连，从而导致更高的图像质量。众所周知，对显示器生产商而言，在毗邻对噪声敏感的PLL和A/D转换器旁边的“噪声”数字电路制作接口电路板，并且仍要获得可以接受的图像质量是极具挑战的。Stanford Resource的副总裁David Mentley说，显示器公司“花费大量金钱、时间、不动产和精力使得模拟接口没有伪像工作，但并非其都能成功。”与旧有的分立器件电路板设计相比，更高程度的接口集成允许简化电路板设计，并产生更高的图像质量。

集成控制功能

早期的图形控制器也称为定标器(scaler)或放大定标器(zoom scaler)，例如Genesis gmZ1，一般仅包括图像放大功能，并且要求其他平板显示器的电子功能要由分立的外围芯片处理。需要帧率转换、帧缓存、外部PLL、微控制器、OSD控制器以及EEPROM芯片来完成显示器电路板。

例如Macronix 88282和Sage Cheetah等第二代图形控制器都将定标器以及帧率转换功能集成到了单一芯片内，造就了更高的图像质量、更低的成本以及更加简化的电路板版图。

布线

LCD显示器(LCM)提供了更小的形状因子，这导致设计师要考虑将更多的用户特性集成到这类显示器中。随着USB迅速成为与PC外围设备最佳的通讯连接，在桌面LCD显示器中放置USB集线器和客户功能成为很自然的事。USB 1.1的12 Mb/s数据速率对广泛的PC外围设备而言是足够的，例如电话、数码相机、键盘、鼠标、数码游戏杆、图形输入板、无线基站、盒式磁带、磁带以及磁盘、数码扬声器、扫描仪与打印机等。更高带宽的USB 2.0产品将在2000年下半年出现，将允许更高功能的PC外围设备，这包括更高分辨率的视讯会议摄影机、新一代扫描仪与打印机，以及高速存储单元。USB 2.0更高的数据速率(>120 Mb/s)还将展开已有新PC外围设备的可能性。

几乎目前市场上全部具有USB集线器的LCD显示器都具有连接器以及显示器基板中的相关电路。但是，VESA平板物理安装接口标准(FPPMIS)描述了拆解显示器基板、将LCD平板直接安装到墙上以及如何安装以使得桌面空间最大化的标准安装图。为了遵守FPPMIS，必须将USB集线器电路和连接器迁移到LCD平板背面的显示器电路板上。符合智能集成化设计策略，平板接口产品将迅速集成片内USB集线器功能，以便符合FPPMIS、节省电路板空间，并进一步减少整个显示器的成本。

复杂性问题

某些图形控制器生产商正在设计和生产将模拟接口/图形控制器集成在单一芯片内的产品。这些集成产品主要集中在XGA(100 MHz或更低)屏幕分辨率，并有望实现更低的成本并简化电路板版图。尽管他们强调“实现单一芯片”，但他们仍提供需要一个或更多外部PLL、微控制器、OSD(屏幕显示)控制器、EEPROM存储器，以及其他外部电路。这些集成模拟接口/图形控制器产品通常限于低分辨率图像的缩放。帧率转换并不具备或需要外部帧率控制器和外部帧缓冲存储器。

由于大多数裸片面积是数字门组成的，为了符合成本效益，这种集成策略要求采用0.25 ?或0.35 ?数字CMOS生产工艺。在某些情况下采用嵌入式DRAM工艺以便在片内集成具有图形控制器的大的帧缓冲存储器，但并不是很适合于实现高性能的模拟功能。

为了优化高性能模拟电路，需要混合信号CMOS生产工艺。因为混合信号工艺并不常用，并且具有高性能混合信号经验的设计师仍然很少，与独立的模拟接口产品相比，明显下降的显示器图像质量表明这些早期集成产品的模拟性能受到损害。

成功的测试

集成接口/图形控制器的产品是真正的混合信号器件，其需要100%的高速混合信号电气测试以确保最高品质的性能。A/D转换器的混合信号测试解决方案目前几乎与芯片设计本身一样复杂。

数字设计师极为精通数字测试程序的开发，其中通常将测试向量输入到自动测试图样产生器(ATPG)软件来开发数字测试图样。联合测试行动小组(JTAG)边界扫描和内部扫描技术也被用于在数字电路内验证98%或更多的故障覆盖率。已有的数字逻辑测试仪频繁地用于测试这些数字电路。

但是，高性能混合信号电路需要“快速”测试来验证电气性能。测试高速模拟电路需要测试研发工程师来开发代码和独特的测试硬件以便实现对A/D转换器抖动、信噪比(SNR)和线性度的高精度测量。例如Teradyne Catalyst和LTX Fusion等高性能混合信号测试平台结合了测试高性能模拟电路以及测试包含在一个集成器件中的高速、高管脚数量数字电路的能力。没有严格采用高性能混合信号测试平台进行测试的集成接口产品，由于晶圆生产工艺上的正态分布，可能在其性能上产生严重偏差。

不合规格的器件可能对要求产品进度表和有限工程资源的LCM生产商导致严重问题。例如，考虑在关键参数上具有批量—批量偏差的接口产品，其仅仅影响批量测试的10%。如果供应商不能筛选出全部这些损坏的部件，显示器生产商将被迫对其100%的显示器增加额外的测试，这增加了最终产品的成本。目前，谨慎的设计师会针对如何测试集成接口产品来确保他们仅接收到最高品质的产品提出更多的问题。

飞跃到新的水平

智能集成的关键在于提高LCM以及其他直接寻址显示产品的成功。减少部件数量可以改善图像质量、降低成本、减小尺寸，并使得产品更易于生产。但是，最终的器件会非常复杂。除非适当设计这些器件并进行充分测试，尝试进行更高程度的集成会产生令人失望的结果。工程师需要预见产品的规格以便确保他们具有可以依靠其进行显示器设计的器件。