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)展促進了信號接口標準的替換。家電產(chǎn)品的信號接口發(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清晰度要求,實現(xiàn)了數(shù)字信號的高速傳輸。美國聯(lián)邦通信委員會FCC(FederalCommunicationCommission)強制規(guī)定,自2005年7月1日開始,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和機頂盒等家電中,并且將應(yīng)用范圍擴大至SonyPlayStation3,PC等其他領(lǐng)域,強化了HDMI的市場地位。接收端的數(shù)字電視機及其他消費類家電產(chǎn)品采用HDMI接口,如要想獲得HDMI標識必須通過HDMI兼容性測試,這使電路板和系統(tǒng)布局設(shè)計顯得尤為重要。由于HDMI插頭是一個易受瞬間破壞的外接端口,為確保該端口的性能,還需加強該端口的ESD(靜電放電)性能。同時,由于各種帶有HDMI接口的終端家用設(shè)備日益增多,如何加強帶有HDMI顯示終端的連通性也將是問題。這些問題對HDMI的應(yīng)用設(shè)計帶來極大的挑戰(zhàn)。2hdmi內(nèi)容特性HDMI(HighDefinitionMultimediaInterface)是高清晰多媒體接口的縮寫,其標準是基于DVI(DigitalVisuaInterface)制定的,可以看作是DVI的強化與延伸,兩者可以兼容。HDMI規(guī)范已從剛發(fā)布時的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)與實物圖。在短短幾年內(nèi),HDMI憑借其突出的技術(shù)優(yōu)勢得到了快速發(fā)展,與其他視音頻接口相比,其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:1)HDMI只通過一條HDMI纜線就可實現(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標準,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(High-bandwidthDigitalContentProtection;HDCP),提供了數(shù)字信號傳輸?shù)膬?nèi)容保護。正是由于HDMI內(nèi)嵌HDCP內(nèi)容保護機制,所以對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。色深擴展主要體現(xiàn)以下優(yōu)點:能使HDTV和其他播放效果由數(shù)百萬色彩提升至數(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致;支持更高的對比度;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“xvYCC”色彩標準(IEC61966-2-4色彩標準)的支持,使HDTV顯示的色彩更加精確,實現(xiàn)更加自然、逼真、生動的顯示效果。xvYCC色彩空間支持的色域是現(xiàn)有HDTV信號的1.8倍。幾個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):為增強畫面內(nèi)容的清晰度及精細度,消費電子設(shè)備正在通過復(fù)雜的數(shù)字信號處理技術(shù),使得視頻處理比音頻處理要花更多的時間,從而導(dǎo)致視頻畫面與配音不相匹配的結(jié)果。HDMI1.3加入了自動音頻同步的功能,使設(shè)備能自動地執(zhí)行同步。6)新增無損音頻格式:HDMI1.3擴展了HDMI對高帶寬無壓縮數(shù)字音頻和有損壓縮格式(比如Dolby數(shù)碼和DTS)的支持,增加了對新型無損壓縮數(shù)字音頻格式DolbyTrueHD和DTS-HDMasterAudio的支持。杜比TrueHD是100%無損音頻,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和愛普生的3LCD投影機已使用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)計師深入了解HDMI的各種特點與設(shè)計要求。3hd設(shè)計要點3.1hdmi信號走線、進線和出線方式HDMI1.3的最高傳輸速率已達10.2Gbit/s,因此HDMI布線時必須考慮高速PCB布線問題,必須考慮線長、線寬設(shè)置和布局問題。首先需注意的是HDMI信號線里傳輸?shù)氖歉咚俾市盘?其信號線的一小段引線就可能導(dǎo)致EMI(電磁干擾)問題。因此在印制板上,HDMI信號走線要盡可能短,走線最長不可超過5cm,同時為了保證HDMI信號的地線回路能盡可能短,與HDMI信號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認證規(guī)范里要求每對差分線的阻抗必須在85~115Ω之間,由于印制板廠商的差異性,想單純通過走線的長度與寬度來控制阻抗有一定難度,因此為能滿足HDMI認證的要求,需做到:首先在走線時能以0.5~0.8mm寬度來走線,其次在每根差分線串一個電阻,并根據(jù)實際印制板上走線的阻抗來最終確定需串聯(lián)在信號線上的電阻值。由于HDMI處理芯片的工作速度很高,所以對電源和地要求比較嚴格。在進行印制板布局時,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電源管腳旁布一個100nF的電容,同時注意電源走線需先到達電容再進入芯片管腳。HDMI的幾對差分線在管腳處會離得比較近,但走線時仍應(yīng)該保持間距,不然就可能對其他差分線對造成干擾。差分線對之間應(yīng)該保證有0.75mm以上的距離。3.2esd器件的選擇ESD是指當(dāng)兩個主體靜電勢有差異時產(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ESD非常敏感,易受瞬間破壞。ESD保護設(shè)備通常要求電容值較大,以承受全球認可的ESD標準IEC61000-4-2定義的高浪涌。但針對HDMI這種高速視頻信號接口,容性負載會導(dǎo)致信號衰減,所以ESD保護設(shè)備利用各種方法和技術(shù)降低電容。為了降低容性負載必須謹慎地選擇ESD器件。標準保護元件如齊納二極管、陶瓷電容、肖特基二極管或多層變阻器主要解決的是針對低速接口要求的ESD保護問題,但因其結(jié)電容較高,無法達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)量級的低結(jié)電容而言是非常有潛力的,但其主要缺點在于:經(jīng)過若干次ESD沖擊之后性能會退化;啟動電壓也不可靠,通常高于1kV,這就意味著受保護的IC在聚合體器件對浪涌有反應(yīng)之前最低必須承受1kV電壓;同時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。為了保護所有相關(guān)的HDMI信號線,至少需要12個同類分立元件。這樣在布板時為了優(yōu)化性能并讓所有通道匹配,就必須進行調(diào)整電路板的設(shè)計。為了減少這些標準元件的大電容,常要采用附加的共模扼流圈來補償這些保護器件的高容性負載。這種技術(shù)不僅增加了設(shè)計難度,而且更難通過HDMI符合性測試。因此,為保護符合HDMI1.3標準的HDMI接口免遭靜電破壞,選擇ESD器件時至少要有以下5方面的嚴格要求:1)高電平ESD保護滿足針對消費電子應(yīng)用的國際標準(IEC61000-4-2第4級)的要求;要12個同類2)非常高的二極管開關(guān)速度(納秒級)和超低結(jié)電容(<1pF);3)經(jīng)受若干次ESD沖擊之后,魯棒的ESD保護沒有退化;4)即使經(jīng)過幾百次ESD放電,仍要保持低泄漏;5)以小的占用面積實現(xiàn)最高的集成度。3.3hdmi接口電路設(shè)計隨著各種帶有HDMI接口的終端家用設(shè)備日益增多,一個帶HDMI輸入接口的數(shù)字高清顯示器可能要同時接收機頂盒、游戲機、高清DVD等多個信號源發(fā)來的HDMI信號,這時一個HDMI接口就不夠用了。為增強高清數(shù)字顯示器的連通性,除選用更高性能的HDMI接收芯片外,還可通過在各HDMI輸入接口間增加HDMI切換開關(guān)來實現(xiàn)。由于HDMI的速率非常高,選用不合適的HDMI開關(guān)可能會導(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開關(guān)器件時必須針對應(yīng)用的特定需求來進行,特別要關(guān)注以下的關(guān)鍵要求:1hdmi開關(guān)開關(guān)的導(dǎo)通電容是判斷開關(guān)對TMDS(TransitionMinimizedDifferentialSignaling)數(shù)據(jù)流影響的最重要因素。過大的開關(guān)電容會導(dǎo)致信號弧形邊緣,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,因此這個折中將是不可避免的。從普通的電壓驅(qū)動中了解到導(dǎo)通阻抗往往會引起插入損耗和信號衰減,但HDMI是通過有終端匹配電阻的恒流源來建立信號電平以實現(xiàn)傳輸。TMDS信號的典型信號范圍為AVcc到AVcc-0.5V就能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動,恒流源為通過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,開關(guān)上的插入損耗要比普通的電壓驅(qū)動少得多。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,不過畢竟不是理想的恒流源,所以還應(yīng)注意開關(guān)的導(dǎo)通阻抗不能過大?？傊?HDMI開關(guān)的導(dǎo)通電容應(yīng)該很小。當(dāng)面對導(dǎo)通電容/導(dǎo)通阻抗的折中問題時,應(yīng)當(dāng)選擇較低的導(dǎo)通電容,因為導(dǎo)通電容對系統(tǒng)性能的影響相對較大。2hdmi開關(guān)的帶寬以HDMI1.0為例,想以最大的速率傳輸數(shù)據(jù),HDMI開關(guān)就必須具有至少825MHz的帶寬(因為數(shù)據(jù)速率傳輸為1.65Gbit/s,并同時在上升和下降沿觸發(fā))。由此得知在0~825MHz的頻率范圍上,開關(guān)的信號損耗不得大于3dB。此外,較窄的帶寬會縮短系統(tǒng)可接受的線纜長度。所以HDMI1.0的應(yīng)用中,HDMI開關(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)傳輸最高速率達到了每對信號線3.4Gbit/s,其對HDMI開關(guān)帶寬要求自然也會更高。3hdmi開關(guān)此外,必須考慮阻抗匹配以及在高速數(shù)據(jù)線路上增加開關(guān)對于信號反射產(chǎn)生的影響。雖然HDMI開關(guān)不可能完美地匹配傳輸線的線阻抗,但是這些開關(guān)仍可通過設(shè)計使信號反射減至最小。通過選擇具有低導(dǎo)通電容和導(dǎo)通阻抗的HDMI開關(guān),便可將總系統(tǒng)反射降至最小。就信號反射而言,最好選擇較低的導(dǎo)通電容和較高的導(dǎo)通阻抗,這會使開