顯示技術(shù)的發(fā)展與數(shù)字接口

顯示技術(shù)的發(fā)展與數(shù)字接口

1dvi、hdmi接口顯示技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)的替換。家電產(chǎn)品的信號(hào)接口發(fā)展從最初的復(fù)合視頻接口、S-Video接口、分量YPbPr接口、DVI接口,一直到高清多媒體接口HDMI,適應(yīng)了不斷提高的視頻信號(hào)清晰度要求,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的高速傳輸。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC(FederalCommunicationCommission)強(qiáng)制規(guī)定,自2005年7月1日開(kāi)始,所有與高清電視有關(guān)的電子產(chǎn)品必須帶有DVI或HDMI接口,代表歐洲信息通信技術(shù)與消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)的組織EICTA也于2005年1月19日在布魯塞爾宣布,任何貼有“HDReady”的顯示設(shè)備必須采用HDMI或DVI數(shù)字接口。不僅如此,HDMI接口也廣泛用于DVD和機(jī)頂盒等家電中,并且將應(yīng)用范圍擴(kuò)大至SonyPlayStation3,PC等其他領(lǐng)域,強(qiáng)化了HDMI的市場(chǎng)地位。接收端的數(shù)字電視機(jī)及其他消費(fèi)類家電產(chǎn)品采用HDMI接口,如要想獲得HDMI標(biāo)識(shí)必須通過(guò)HDMI兼容性測(cè)試,這使電路板和系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)顯得尤為重要。由于HDMI插頭是一個(gè)易受瞬間破壞的外接端口,為確保該端口的性能,還需加強(qiáng)該端口的ESD(靜電放電)性能。同時(shí),由于各種帶有HDMI接口的終端家用設(shè)備日益增多,如何加強(qiáng)帶有HDMI顯示終端的連通性也將是問(wèn)題。這些問(wèn)題對(duì)HDMI的應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。2hdmi內(nèi)容特性HDMI(HighDefinitionMultimediaInterface)是高清晰多媒體接口的縮寫,其標(biāo)準(zhǔn)是基于DVI(DigitalVisuaInterface)制定的,可以看作是DVI的強(qiáng)化與延伸,兩者可以兼容。HDMI規(guī)范已從剛發(fā)布時(shí)的1.0版發(fā)展到現(xiàn)今的1.3版,圖1與圖2分別是HDMI接口外部結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖。在短短幾年內(nèi),HDMI憑借其突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展,與其他視音頻接口相比,其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:1)HDMI只通過(guò)一條HDMI纜線就可實(shí)現(xiàn)提供任何音頻/視頻源與音頻和/或視頻終端之間的連接。2)在保持高品質(zhì)的情況下能夠以數(shù)碼形式傳輸未經(jīng)壓縮的高分辨力視頻和多聲道音頻數(shù)據(jù)。HDMI能夠支持所有的ATSCHDTV標(biāo)準(zhǔn),不僅可滿足目前最高畫質(zhì)的1080p/60Hz格式,還能支持DVDAudio等數(shù)字音頻格式,支持8聲道96kHz、立體聲192kHz和24bit數(shù)字音頻(兼容SACD,Dolby,DTS等多種音頻格式)。3)HDMI可搭配寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(High-bandwidthDigitalContentProtection;HDCP),提供了數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)膬?nèi)容保護(hù)。正是由于HDMI內(nèi)嵌HDCP內(nèi)容保護(hù)機(jī)制,所以對(duì)好萊塢具有特別的吸引力,使其推廣大大加速。4)HDMI支持視頻源和顯示終端之間的雙向通信,實(shí)現(xiàn)了通信和智能控制的新功能。此外,新發(fā)布的HDMI1.3版本提供了更多新功能,使HDMI具有了更廣泛的應(yīng)用:1)速度更快:雖然HDMI1.2已具有能支持現(xiàn)有HDTV格式的帶寬,但為支持將來(lái)HD顯示設(shè)備的需要,HDMI1.3將其單鏈接帶寬提高到340MHz(10.2Gbit/s)。2)色深擴(kuò)展:HDMI1.3支持30位、36位和48位(RGB或YCbCr)色深,此前版本的色深最高為24位。色深擴(kuò)展主要體現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn):能使HDTV和其他播放效果由數(shù)百萬(wàn)色彩提升至數(shù)十億色彩;消除屏幕色帶,使音調(diào)轉(zhuǎn)換更平滑,色彩之間的漸變更細(xì)致;支持更高的對(duì)比度;能呈現(xiàn)更多倍數(shù)的兩種色彩之間的陰影或黑白顏色之間的灰色陰影種類,在10位色深的條件下,至少能把呈現(xiàn)的陰影提高4倍,甚至可提高8倍或更高。3)色域更寬:HDMI1.3新增了對(duì)“xvYCC”色彩標(biāo)準(zhǔn)(IEC61966-2-4色彩標(biāo)準(zhǔn))的支持,使HDTV顯示的色彩更加精確,實(shí)現(xiàn)更加自然、逼真、生動(dòng)的顯示效果。xvYCC色彩空間支持的色域是現(xiàn)有HDTV信號(hào)的1.8倍。幾個(gè)HDTV制造商已推出支持xvYCC的液晶電視,三菱稱之為全色譜色彩(FullSpectrumColorTM),索尼則稱之為廣色域(WideColorGamut)。4)唇形同步(音、視頻同步):為增強(qiáng)畫面內(nèi)容的清晰度及精細(xì)度,消費(fèi)電子設(shè)備正在通過(guò)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),使得視頻處理比音頻處理要花更多的時(shí)間,從而導(dǎo)致視頻畫面與配音不相匹配的結(jié)果。HDMI1.3加入了自動(dòng)音頻同步的功能,使設(shè)備能自動(dòng)地執(zhí)行同步。6)新增無(wú)損音頻格式:HDMI1.3擴(kuò)展了HDMI對(duì)高帶寬無(wú)壓縮數(shù)字音頻和有損壓縮格式(比如Dolby數(shù)碼和DTS)的支持,增加了對(duì)新型無(wú)損壓縮數(shù)字音頻格式DolbyTrueHD和DTS-HDMasterAudio的支持。杜比TrueHD是100%無(wú)損音頻,能夠以1/2甚至1/3的比特率呈現(xiàn)與未壓縮PCM相同的效果。美國(guó)SiliconImage已推出用于HDTV和DVD播放器的HDMI1.3發(fā)射器/接收器芯片,除了索尼的PS3、東芝的HD-DVD和愛(ài)普生的3LCD投影機(jī)已使用HDMI1.3外,2007年,支持HDMI1.3的產(chǎn)品將大量涌現(xiàn)。這就需要家電制造商的應(yīng)用工程師與設(shè)計(jì)師深入了解HDMI的各種特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求。3hd設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.1hdmi信號(hào)走線、進(jìn)線和出線方式HDMI1.3的最高傳輸速率已達(dá)10.2Gbit/s,因此HDMI布線時(shí)必須考慮高速PCB布線問(wèn)題,必須考慮線長(zhǎng)、線寬設(shè)置和布局問(wèn)題。首先需注意的是HDMI信號(hào)線里傳輸?shù)氖歉咚俾市盘?hào),其信號(hào)線的一小段引線就可能導(dǎo)致EMI(電磁干擾)問(wèn)題。因此在印制板上,HDMI信號(hào)走線要盡可能短,走線最長(zhǎng)不可超過(guò)5cm,同時(shí)為了保證HDMI信號(hào)的地線回路能盡可能短,與HDMI信號(hào)走線層鄰近的層要保證地線的連續(xù),最好是一整片的回路地。HDMI認(rèn)證規(guī)范里要求每對(duì)差分線的阻抗必須在85~115Ω之間,由于印制板廠商的差異性,想單純通過(guò)走線的長(zhǎng)度與寬度來(lái)控制阻抗有一定難度,因此為能滿足HDMI認(rèn)證的要求,需做到:首先在走線時(shí)能以0.5~0.8mm寬度來(lái)走線,其次在每根差分線串一個(gè)電阻,并根據(jù)實(shí)際印制板上走線的阻抗來(lái)最終確定需串聯(lián)在信號(hào)線上的電阻值。由于HDMI處理芯片的工作速度很高,所以對(duì)電源和地要求比較嚴(yán)格。在進(jìn)行印制板布局時(shí),要盡量讓HDMI處理芯片靠近板邊,以防止它與其他器件之間的干擾。在布板空間允許的情況下要盡量在芯片的每個(gè)電源管腳旁布一個(gè)100nF的電容,同時(shí)注意電源走線需先到達(dá)電容再進(jìn)入芯片管腳。HDMI的幾對(duì)差分線在管腳處會(huì)離得比較近,但走線時(shí)仍應(yīng)該保持間距,不然就可能對(duì)其他差分線對(duì)造成干擾。差分線對(duì)之間應(yīng)該保證有0.75mm以上的距離。3.2esd器件的選擇ESD是指當(dāng)兩個(gè)主體靜電勢(shì)有差異時(shí)產(chǎn)生的靜電荷傳輸。這種突然放電可能是由于直接接觸或靜電場(chǎng)的產(chǎn)生而引起的。HDMI圖像芯片采用幾何尺寸非常小的硅片制造,對(duì)ESD非常敏感,易受瞬間破壞。ESD保護(hù)設(shè)備通常要求電容值較大,以承受全球認(rèn)可的ESD標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2定義的高浪涌。但針對(duì)HDMI這種高速視頻信號(hào)接口,容性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減,所以ESD保護(hù)設(shè)備利用各種方法和技術(shù)降低電容。為了降低容性負(fù)載必須謹(jǐn)慎地選擇ESD器件。標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)元件如齊納二極管、陶瓷電容、肖特基二極管或多層變阻器主要解決的是針對(duì)低速接口要求的ESD保護(hù)問(wèn)題,但因其結(jié)電容較高,無(wú)法達(dá)到高速接口的阻抗要求;其他如聚合體二極管就其0.02pF數(shù)量級(jí)的低結(jié)電容而言是非常有潛力的,但其主要缺點(diǎn)在于:經(jīng)過(guò)若干次ESD沖擊之后性能會(huì)退化;啟動(dòng)電壓也不可靠,通常高于1kV,這就意味著受保護(hù)的IC在聚合體器件對(duì)浪涌有反應(yīng)之前最低必須承受1kV電壓;同時(shí)由于采用專用小批量制造工藝,成本也比較高,此外,上述元件的特性是離散的。為了保護(hù)所有相關(guān)的HDMI信號(hào)線,至少需要12個(gè)同類分立元件。這樣在布板時(shí)為了優(yōu)化性能并讓所有通道匹配,就必須進(jìn)行調(diào)整電路板的設(shè)計(jì)。為了減少這些標(biāo)準(zhǔn)元件的大電容,常要采用附加的共模扼流圈來(lái)補(bǔ)償這些保護(hù)器件的高容性負(fù)載。這種技術(shù)不僅增加了設(shè)計(jì)難度,而且更難通過(guò)HDMI符合性測(cè)試。因此,為保護(hù)符合HDMI1.3標(biāo)準(zhǔn)的HDMI接口免遭靜電破壞,選擇ESD器件時(shí)至少要有以下5方面的嚴(yán)格要求:1)高電平ESD保護(hù)滿足針對(duì)消費(fèi)電子應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC61000-4-2第4級(jí))的要求;要12個(gè)同類2)非常高的二極管開(kāi)關(guān)速度(納秒級(jí))和超低結(jié)電容(<1pF);3)經(jīng)受若干次ESD沖擊之后,魯棒的ESD保護(hù)沒(méi)有退化;4)即使經(jīng)過(guò)幾百次ESD放電,仍要保持低泄漏;5)以小的占用面積實(shí)現(xiàn)最高的集成度。3.3hdmi接口電路設(shè)計(jì)隨著各種帶有HDMI接口的終端家用設(shè)備日益增多,一個(gè)帶HDMI輸入接口的數(shù)字高清顯示器可能要同時(shí)接收機(jī)頂盒、游戲機(jī)、高清DVD等多個(gè)信號(hào)源發(fā)來(lái)的HDMI信號(hào),這時(shí)一個(gè)HDMI接口就不夠用了。為增強(qiáng)高清數(shù)字顯示器的連通性,除選用更高性能的HDMI接收芯片外,還可通過(guò)在各HDMI輸入接口間增加HDMI切換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于HDMI的速率非常高,選用不合適的HDMI開(kāi)關(guān)可能會(huì)導(dǎo)致誤碼率的增加,甚至造成發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的失敗。所以,在選用HDMI開(kāi)關(guān)器件時(shí)必須針對(duì)應(yīng)用的特定需求來(lái)進(jìn)行,特別要關(guān)注以下的關(guān)鍵要求:1hdmi開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電容是判斷開(kāi)關(guān)對(duì)TMDS(TransitionMinimizedDifferentialSignaling)數(shù)據(jù)流影響的最重要因素。過(guò)大的開(kāi)關(guān)電容會(huì)導(dǎo)致信號(hào)弧形邊緣,造成較慢的上升和下降速度。其結(jié)果是,系統(tǒng)的抖動(dòng)增加,相應(yīng)的誤碼率增大。但低導(dǎo)通電容和高帶寬性能需要付出增加導(dǎo)通阻抗的代價(jià),因此這個(gè)折中將是不可避免的。從普通的電壓驅(qū)動(dòng)中了解到導(dǎo)通阻抗往往會(huì)引起插入損耗和信號(hào)衰減,但HDMI是通過(guò)有終端匹配電阻的恒流源來(lái)建立信號(hào)電平以實(shí)現(xiàn)傳輸。TMDS信號(hào)的典型信號(hào)范圍為AVcc到AVcc-0.5V就能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng),恒流源為通過(guò)50!的偏置電阻形成10mA電流,以建立接收器輸入電壓。由于TMDS傳輸線由電流驅(qū)動(dòng),開(kāi)關(guān)上的插入損耗要比普通的電壓驅(qū)動(dòng)少得多。采用恒定的10mA恒流源,不論電阻上的電壓降為多大,都能在接收器輸入端提供正確的電壓,不過(guò)畢竟不是理想的恒流源,所以還應(yīng)注意開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通阻抗不能過(guò)大?？傊?HDMI開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電容應(yīng)該很小。當(dāng)面對(duì)導(dǎo)通電容/導(dǎo)通阻抗的折中問(wèn)題時(shí),應(yīng)當(dāng)選擇較低的導(dǎo)通電容,因?yàn)閷?dǎo)通電容對(duì)系統(tǒng)性能的影響相對(duì)較大。2hdmi開(kāi)關(guān)的帶寬以HDMI1.0為例,想以最大的速率傳輸數(shù)據(jù),HDMI開(kāi)關(guān)就必須具有至少825MHz的帶寬(因?yàn)閿?shù)據(jù)速率傳輸為1.65Gbit/s,并同時(shí)在上升和下降沿觸發(fā))。由此得知在0~825MHz的頻率范圍上,開(kāi)關(guān)的信號(hào)損耗不得大于3dB。此外,較窄的帶寬會(huì)縮短系統(tǒng)可接受的線纜長(zhǎng)度。所以HDMI1.0的應(yīng)用中,HDMI開(kāi)關(guān)至少應(yīng)該具有825MHz的帶寬。而HDMI1.3的應(yīng)用中由于其數(shù)據(jù)傳輸最高速率達(dá)到了每對(duì)信號(hào)線3.4Gbit/s,其對(duì)HDMI開(kāi)關(guān)帶寬要求自然也會(huì)更高。3hdmi開(kāi)關(guān)此外,必須考慮阻抗匹配以及在高速數(shù)據(jù)線路上增加開(kāi)關(guān)對(duì)于信號(hào)反射產(chǎn)生的影響。雖然HDMI開(kāi)關(guān)不可能完美地匹配傳輸線的線阻抗,但是這些開(kāi)關(guān)仍可通過(guò)設(shè)計(jì)使信號(hào)反射減至最小。通過(guò)選擇具有低導(dǎo)通電容和導(dǎo)通阻抗的HDMI開(kāi)關(guān),便可將總系統(tǒng)反射降至最小。就信號(hào)反射而言,最好選擇較低的導(dǎo)通電容和較高的導(dǎo)通阻抗,這會(huì)使開(kāi)