（电路与系统专业论文）tftlcd显示控制芯片的研究与设计.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 t f t - l c d ( 薄膜晶体管液晶显示器) 主要应用于计算机、视频 终端、通讯及仪器仪表等行业。随着以l c d 为代表的平板显示器的 迅猛发展，t f t - l c d 显示屏大量上市。尤其是在桌面系统逐渐采用 t f t - l c d 的情况下，其相应的显示控制芯片的市场需求旺盛。 t f t _ l c d 显示控制芯片是主机到液晶平板显示屏t f t l c d 数据通道 上的主要芯片，其作用是高速将各种规格的图像数据转换为t f t - l c d 平板显示所需的统一格式。目前国内虽然在t f t - l c d 生产制造上有 长足的进步，但在其显示控制芯片方面的研究却差强人意。 论文研究分析了t f t - l c d 显示控制芯片的结构组成、d v i 数字 显示接口标准及最小跃迁差分信令协议t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e d d i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) ，并在分析研究芯片结构组成及各模块功能的 基础上，自主设计了数据接收恢复模块、图像缩放及增强模块及锁相 环，并将其实现。本论文以g e n e s i sm i c r o c h i p 公司的g m 3 0 2 0 数字视 频接口d v i ( d i g i t a l v i s i o ni n t e r f a c e ) l c d 显示控制芯片为研究对象。 论文主要完成如下工作： 1 详细讨论并分析d v i 数字显示接口标准，及最小跃迁信令t m d s 协议，得出t m d s 编码、解码算法并在相应模块内将算法电路实现。 2 设计了一个基于电荷泵锁相环的频率合成器，完成输出频率可高 达3 0 0 m h z 6 0 0 m h z 的1 0 倍频功能，仿真验证通过。该电路模块已 完成最终电路版图，等待流片。 t f t - - l c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学硕士学位论文 3 完成t m d s 数据接收电路、恢复电路的设计及实现。 4 研究分析了图像数据缩放算法，使算法易于硬件实现，并将算法 电路实现。 关键词：t f t - l c d 、d v i 、t m d s 、锁相环、频率合成器、数据接收、 数据恢复、图像缩放、硬件描述语言v h d l 、版图 t f t - - l c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t f t - l c d ( t h i n - f i l mt r a n s i s t o rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) a p p l y m a i n l yi nc o m p u t e r , v i d e of r e q u e n c yt e r m i n a l ，t e l e c o m m u n i c a t i o na n d i n s t r u m e n ta n ds oo n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ff l a td i s p l a ym o s t l y i nl c d ，t f t - l c dd i s p l a yc o m e si n t ot h em a r k e tl a r g e l y e s p e c i a l l yo n a c c o u n to fi n t r o d u c t i o no fd e s k t o pm o n i t o r , t h er e l e v a n t d i s p l a y c o n t r o l l i n gc h i p sd e m a n d al o t t h et f t - l c d d i s p l a yc o n t r o l l i n gc h i pi s t h em o s t l yc h i pi nd a t ac h a n n e lf r o mh o s tt ot f t - l c dm o n i t o r , w h o s e f u n c t i o ni st ot r a n s f o r ma nk i n d ss t a n d a r do fi m a g ed a t ai n t ot f t - l c d s t a n d a r d a l t h o u g hc h i n am a k e sg r e a tp r o g r e s si np r o d u c t i o n o f t f t - l c d ，w ed r 叩b e h i n dg r e a t l yi nr & do fd i s p l a yc o n t r o l l i n gc h i p t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ec h i p ，d v i ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ) ，t h e p r o t o c o l o ft m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) a r e i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s a n do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ec h i p s s t r u c t u r ea n df u n c t i o no fa l lb l o c k ，d e s i g ns o m eb l o c kc i r c u i ti n c l u d ed a t a r e c e i v e ra n dr e c o v e r yb l o c k , i m a g ez o o ma n de n h a n c i n gb l o c ka n dp l l t h ec h i pg i n 3 0 2 0o fd v if o rl c df r o mg e n e s i sm i c r o c h i pi n c i sa st h e o b j e c ti nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ef o l l o w i n g 1 d e t a i l e dd i s c u s s i o na n da n a l y s i si nd v ia n dt h ep r o t o c o lo ft m d s ， a c c o m p l i s h e de n c o d i n ga n dd e c o d i n go f t m d s 1 h l c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学硕士学位论文 2 d e s i g n e daf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ro nt h eb a s i so fc p p l l ( c h a r g e p u m pp h a s e l o c kl o o p ) w h i c hm a k e1 0m u l t i p l e f r e q u e n c y a n di t s r a n g e o fo u t p u tf r e q u e n c yi sf r o m6 0 0 m h zt o 3 0 0 m h z 。b y s i m u l a t i o n ，i t sf u n c t i o ni sv a l i d a t e d h a sm a d eal a y o u to ft h eb l o c k a n db e e nw a i t i n gf o rt a p e o u t 3 a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no ft m d sd a t ar e c e i v e r c i r c u i ta n d r e c o v e r i n gc i r c u i t 4 a n a l y s i sa n dr e s e a r c hi nt h ea l g o r i t h mo fi m a g ed a t az o o m m o d i f i e d t h ea l g o r i t h ma n dd e s i g n e di to nh a r d w a r e k e yw o r d s ：t f t - l c d ，d v i ，t m d s ，p l l ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , d a t ar e c e i v e r , d a t ar e c o v e r y , i m a g ez o o m ，v h d l ，l a y o u t t f t - - l c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密窃f 茬0 竿| i 翠密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 亭协 1 日期。碉年1 月【n 指导教师签名：莎丞耋参 日期砂步月日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 葡匀_ 日期：汐哆年f 月f 厂日 上海交通大学硕士学位论文 前言 t f t l c d ( 薄膜晶体管液晶显示器) 主要应用领域有笔记本电脑、台式 计算机监视器、工作站、工业监视器、全球卫星定位系统( g p s ) 等等，目 前国内需求旺盛，其相应的显示控制芯片的市场需求猛增。t f t - l c d 显示 控制芯片将主机传输过来的各种规格的图像数据转换为液晶平板显示屏 t f t l c d 平板显示所需的统一格式，是液晶平板显示屏t f t - l c d 数据通道 上的主要芯片。数字显示接口d v i ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ) 是一种 适应数字平板显示器飞速发展而产生的显示接口。采用d v i 接口的t f t l c d 显示控制芯片使得图像数据无须经过d a 和a d 两次转换，避免图像 细节的损失。 该芯片电路中既有数字电路部分也有模拟电路部分，因而对于不同的 电路部分会有不同的设计方法和电路表现形式。论文在研究分析t f t l c d 显示控制芯片的组成结构及各模块功能的基础上，自主设计并实现数据接 收恢复模块、图像缩放及增强模块及锁相环等模块电路。经过仿真验证 后，完成基于电荷泵锁相环的频率合成器的版图，流片验证后可作为i p c o r e 使用。 本论文课题来源于上海交大高新技术股份有限公司集成电路设计中 心，设计在公司内进行。工作环境为s u n 工作站( u 1 t r a l 0 ) s o l a r i s5 8 操作系统，模拟电路的设计、仿真工具采用c a d e n c e 公司的s p e c t r a 软 件，版图工具采用c a d e n c e 公司的v i r t u o s o 软件，数字电路设计、仿真 工具采用m e n t o r 公司的m o d e ls i m 软件，综合工具是s y n o p s y s 公司的 d e s i g n a n a l y z e r 软件，模型采用c s m cd p d m0 6 un 阱c m o s 工艺。 论文研究了t f t l c d 显示控制芯片的结构组成、d v i 数字显示接口标 准及最小跃迁差分信令协议t m d s ，自主设计实现数据接收恢复模块、图像 缩放及增强模块及锁相环等各模块电路。论文第一章介绍t f tl c d 显示控 制芯片基本结构；第二章内容为d v i 数字显示接口标准、t m d s 协议：第三 章讨论锁相环及频率合成；第四章讨论t m d s 的数据接收恢复模块的研究与 设计；第五章讨论图像缩放及增强模块的研究与设计。 t f r - l c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学硕士学位论文 第一章t f t l c d 显示控制芯片基本结构 本文以g e n e s i sm i e r o c h i p 公司的g m 3 0 2 0 数字视频接口d v i ( d i g i t a lv i s i o n i n t e r f a c e ) l c d 显示控制芯片为研究对象。g i n 3 0 2 0 是一目前领先的显示模式可至 x g a ( e x t e n dg r a p h i ca r r a y ) 单片解决方案。 1 1 芯片组成结构 数字视频接口( d v i ) l c d 显示控制单片解决方案如图1 1 所示 1 】。由方 案框图可知，该显示控制芯片主要包括高可靠数字视频接口d v i 接收器、图像 缩放部分( s c a l i n ge n g i n e ) 、l o o b i ty 校正表、宽带数字内容保护部分( h d c p 1 o ) 、y 1 域的彩色滤波器、背光亮度可编程脉宽调制( p w m ) 控制器及通 用多语种屏幕显示( o s d ) 控制器。 图i - il c d 显示控制单片解决方案 f i g 1 - 1 s i n g l e - c h i ps o l u t i o nf o rl c dd i s p l a yc o n t r o l t f t o l c d 显示控制芯片的研究与设计 2 上海交通大学硕士学位论文 1 2 芯片工作模式 源显示时钟( s c l k ) 是指在n 仍s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z c dd i f f e r e n t i a l s i g n a l i n g ) 【2 】信道中象素编码的时钟，也就是输入数据源数据的象素时钟。 目标显示时钟( d c l k ) 是指目标l c d 屏显示数据的象素时钟。当采用双 象素点方式，则实际l c d 屏显示时钟( p c u ( ) 是d c l k 的一半。当源显示时 钟s c l k 发生变化，则芯片内部时钟发生器产生相应的目标显示时钟d c l k 。 芯片根据源显示时钟频率( s c l kf r e q u e n c y ) 与目标显示时钟频率( d c l k f r e q u e n c y ) 、源显示行同步信号频率( i n p u th s y n cf r e q u e n c y ) 与目标显示行同 步信号频率( p a n e lh s y n cf r e q u e n c y ) 以及源显示场同步信号频率( i n p u tv s y n c f r e q u e n c y ) 与目标显示场同步信号频率( p a n e lh s y n cf r e q u e n c y ) 之间的关系来 确定工作模式。其工作模式如下： 1 本地模式( n a t i v em o d e ) 当d c l kf r e q u e n c y = s c l kf r e q u e n c y ； p a n e lh s y n cf r e q u e n c y = i n p u th s y n cf r e q u e n c y ； p a n e lv s y n cf r e q u e n c y = i n p u tv s y n cf r e q u e n c y ； 此时输入输出显示模式一样，芯片工作在本地模式。 2 低d c l k 模式( s l o w d c l k m o d e ) 当d c l kf r e q u e n c y s c l kf r e q u e n c y ； p a n e lh s y n ef r e q u e n c y i n p u th s y n cf r e q u e n c y ； p a n e lv s y n cf r e q u e n c y = i n p u tv s y n ef r e q u e n c y , 此时输入源显示模式低于l c d 屏目标显示模式，输入源数据将被扩充，芯 片工作在扩充模式。 4 压缩模式( d o w n s e a l i n gm o d e ) 当d c l kf r e q u e n c y s c l kf r e q u e n c y ； p a n e lh s y n ef r e q u e n c y 一nd量 上海交通大学硕士学位论文 毛缈脚= 毛雠屹印埘一x o 哪卜删 ( 1 2 ) 其中，k ：表示信号的周期； k 一如m 。“：表示一行的点数； 0 一，。：表示一帧的行数 因此可得。与毛。之间的关系： 7 k i z 施k = ( 口删一m w d 叫删) ( o h 酬州一删) ( 1 - 3 ) 3 图像缩放及增强模块( s e a l e ra n de n h a n c e m e n t ) 此模块包括图像数据缩放部分、图像增强部分等。完成对输入的源显示图 象数据缩放以达到最好的屏显示模式，并进行边缘增强、对比度控制、1 ( g a m m a ) 校正等图像改善措施。图像数据从此模块输出到屏接1 ：3 ( p a n e l i n t e r f a c e ) 模块。 4 屏接口模块( p a n e li n t e r f a c e ) 此模块是芯片与l c d 显示屏的接口，其单象素点模式时序如图1 4 、图1 5 所示。 图l - 4 叮屏接口数据锁存时序 f i g 1 - 4 t f tp a n e li n t e r f a c ed a t al a t c ht i m i n g t f t - l c d 显示控制芯片的研究与设计 6 上海交通大学硕士学位论文 辩岍舢i 一拯哪畔n _ 僻 娜鞠i 掣| 喀稍曲1 1 可 图1 - 5 n 口屏接口时序 f i g 1 - 5 肿p a n e li n t e r f a c et i m i n g t k r - l c d 显示控制芯片的研究与设计 7 上海交通大学硕士学位论文 第二章d v i 数字显示接口标准 2 1 概述 数字显示接口( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ，d v i ) 标准是由s i l i c o ni m a g e 、 i n t e l 、c o m p a q 、i b m 、h p 、n e c 、f u j i t s u 等公司共同组成的数字显示工作组 ( d i g i t a ld i s p l a yw o r k i n gg r o u p ，d d w g ) 于1 9 9 9 年4 月推出的数字显示接1 2 1 标准。 数字显示接1 2 1 ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ，d v i ) 是一种适应数字平板显示器 飞速发展而产生的显示接口。目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过 模拟v g a 接口连接，计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的 d a ( 数字模拟) 转换器转变为r 、g 、b 三原色信号和行、场同步信号，信号 通过电缆传输到显示设备中。对于模拟显示设备，如模拟c r t 显示器，信号被 直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。而对于l c d 、d l p 等数 字显示设备，显示设备中需配置相应的a d ( 模拟数字) 转换器，将模拟信号 转变为数字信号。在经过d a 和a d 两次转换后，不可避免地造成了一些图像 细节地损失。 在d v i 之前也存在一些数字接口标准，但都没能成为工业标准。目前便携 系统中采用低电压差分信令( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ，l v d s ) 数字 接口连接液晶显示屏，但是这一技术不太适合桌面显示器。其他数字接口，如 数字平板标准( d i g i t a lf l a tp a n e l ，d f p ) 、视频电子标准协会的即插即显示标 准( v e s a ( r ) p l u ga n dd i s p l a y ) 、以及o p e n l d i 标准也未能被业界普遍接 受。相反，d v i 却有望成为平板显示器的标准数字接口。 2 2t m d s 协议 d v i 标准的基础是s i l i e o ni m a g e 公司的p a n e l l i n k 接口技术，这是一种高速 串行接口，采用的是最小跃迁信令协议t m s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e d d i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 传送数据到监视器。 t m d s 通过“o n ”和“o f f ”状态间的跃变来传送数据，采用布尔异或 ( x o r ) 或者异或非( x n o r ) 操作的编码算法来最小化跃迁，以避免额外的 电磁干扰( e m i ) 对电缆的影响，并附加了直流均衡的操作。 t f f - l c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学硕士学位论文 2 2 1t m d s 链路结构 t m d s 链路结构如图2 一l 所示。t m d s 发射器( t m d st r a n s m i t t e r ) 的输入 数据流包括象素数据( p i x dd a t a ) 和控制数据( c o n t r o ld a t a ) 等。t m d s 发射 器根据数据使能信号( d e ) 的状态，对象素数据和控制数据进行编码后串行输 出。当d e 信号为高时，链路中传输的是编码后的象素数据；当d e 信号为低 时，链路中传输的是编码后的控制数据。同样对于t m d s 接收器( t m d s r e c e i v e r ) ，当d e 信号为高时，恢复象素数据；当d e 信号为低时，恢复控制 数据。 t m d s 发射器包含三个编码器，分别驱动三路( r 、g 、b ) 串行t m d s 数 据通道。每一编码器的输入是两个控制信号和8 位的象素数据，根据d e 信号 的状态，它们分别被编成1 0 - b i tt m d s 码。同样，在接收器有相应的三个解码 器，将串行传输过来的1 0 一b i tt m d s 码进行解码，恢复数据流。 在t m d s 链路中有一条通道是专门用来传输参考时钟信号的，用于接收器 中数据恢复。 孓 -三 8 p 玫dd a t a ( 2 4b l i s 1 l r 罢 三 k 耍 一瞻n 嗲： 翻 甜 尸i ) ( e lo a t a ( 2 4b i t s ) e 譬 y巴 f o r m a t 葛 y 兰 c o n t r o ld a t a 6b 船) 1 。 c o n t t 0 o a t a 6b i t s ) ： ， 芏 c l k 一 置 i - 皇 y ；、扣 o c u ( ： 一 图2 - 1 t m d s 链路结构 f i g 2 1 t m d sl m k a r c h i t e c t u r o 2 2 2 编码器 单链t m d s 发射器包括三个编码器，其输入数据流如图2 - 2 。每一编码器 的输入为两个控制信号和8 b i t s 的象素数据。 t f t - l c d 显示控制芯片的研究与设计9 工苫暑 上海交通大学硕士学位论文 图2 - 2 单链t m d s 通道图 f i g 2 2 s i n g l el i n kt m d sc h a n n e lm a p 双链t m d s 发射器在单链发射器基础上再集成了另外三个数据通道。双链 结构中，每一行的奇数位象素点由第一个链传输，而偶数位象素点则由第二个 链传输( 定义每行的起始点为第一点，奇数位) 。 t f t l c d 显示控制芯片的研究与设计 l o 上海交通大学硕士学位论文 图2 - 3 双链t m d s 通道图 f i g 2 3 d u a ll i n kt m d sc h a n n e lm a p 对于象素数据，编码过程可以看成两个阶段：首先是从输入的8 b i t s 数据产 生跃迁最小化的9 b i t s 码字；然后加上一位直流均衡码，构成完整的1 0 b i t s 的 t m d s 码字。t m d s 码字在t m d s 数据通道中是串行传输的，每一码字的最低 位( l s b ) 首先被传输。 其编码算法如图2 - 4 所示。算法图2 - 4 中的一些定义见表2 1 t f t - l c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学硕士学位论文 灌0 1 1 c o 翻啦舢 图2 4 t m d s 编码算法 f i g 2 - 4 t m d se n c o d ea l g o r i t h m r f t - i c d 显示控制芯片的研究与设计 1 2 j 海交通大学硕士学位论文 d、 c o、 这些是编码器的输入数据。d 是8 位象素数据，c l 和c o 是控制数 据，d e 是数据使能信号。 c 1 、d e 这是个用来跟踪数据流极性的寄存器。其正值表示数据中1 比 c n t 0 多的个数；负值表示数据中0 比i7 多的个数。c n t ( t ) 表 示当前输入数据的极性，c n t ( t - 1 ) 表示前一输入数据的极性。 qo u t 1 0 b i t s 编码输出 n 1 x 这运算得出“x ”中1 的个数 n 0 i x )这运算得出“x ”中0 的个数 t a b e l 2 1e n c o d i n ga l g o r i t h md e f i n i t i o n s 2 2 3 解码器 对应每一个编码器有一个解码器。解码器数据流见图2 2 、图2 - 3 。解码算 法如图2 5 所示。 d 撵o l f a l s e o | 6 鲫 c 器e0 0 1 0 1 0 1 0 1 f c t l m ：- o a ； e a s e ”0 1 0 1 0 1 0 0c 1 1 明= 0 1 0 0 10 1 0 1 0 1 0c f l q = a c a s e ，1 0 1 0 1 0 1 们：c f l ：q _ 1 e f i d ： 图2 - 5t m d s 解码算法 t f t - l c d 显示控制芯片的研究与设计1 3 上海交通大学硕士学位论文 f i g 2 - 5 t m d sd e c o d ea l g o r i t h m 2 2 4 链时序要求 编码、串行化、解码的时序要求如图2 - 6 和表2 - 2 所示。 酬 翱趣明珥 悭8 x l 7 鬣鬟灞鳓煎霞蠹纛鬟练鲫耐x 。弼r 一乱w 0 】。一? * 黝 i g m r g d1 * 鬣# i s y n c , v s y n c # + 够蒜i g n o r e d 医翟灏磁湖鬻 i 劫m 耐鼯箩z 。醐州t o l 8 溺 轫删x 器量喀0 q 墓瓣鹚垂xi g a o r e d 鬻嚣辫鳓鹾渊* m 删幂9 ”j 渤麟侧弩蠲 一 枷俐x 淤；# 蹴褫譬嵌l g n n r e d i j 藩 k 曲羽耐0 蘸糯瑚c 咖稚戳尉瓣鹩x 黪铷刚耐h s 悄c i v s 州“擎j( ；5 曲僻d e d b 删一”鬻 酬1 群芒箩钠d 酣鸯鹾i 萎攀艮t 揪甜地e 孽鳞喾0醛，耐# 删明舒e 蚌二! 盈 捌2 黪：雾鳓。d e d 鼬镌”凇飞一毓。鲥霉耄l 2 ，c 瓿薅，翼群，哪删d 渤= 铺 r e c p n 涮 s “ 图2 - 6t m d s 链时序图 f i g 2 6 t m d sl i n kt i m i n g 参数描述值单位 为确保接收器能够恢复数据的最小的d e 信号为低 1 2 8 瓦。 的时间 0 最大的编码串行传输延迟 6 4 乃一 “ 最大的数据恢复、串变并延迟 6 4 瓦 表2 - 2 t m d s 链时序参数 t a b l e 2 2 t m d sl i n kt i m i n gp a r a m e t e r s t f t - l c d 显示控制芯片的研究与设计 1 4 上海交通大学硕士学位论文 2 3 t m d s 电气特性 t m d s 传输差分对概念图如图2 7 所示。t m d s 技术采用电流驱动，在接 收端得到低电压差分信号。差分信号的高电压为链路参考电压a 吃，而低电压 由发射器中的电流源和接收器中的端电阻( 辱) 决定。端电阻( 辱) 和电缆 特性阻抗z 0 必须匹配。 图2 7t m d s 差分对概念图 f i g 2 - 7 c o n c e p t u a ls c h e m a t i cf o ro i l ct m d sd i f f e r e n t i a lp a i r t m d s 接口电气参数所允许的最大条件见表2 3 ，超过这些限制条件会破坏 整个系统工作 参数参数值 彳吃 4 o v 信号电压( 在任何信号线上) o ，5 “o v 共模信号电压 o 5 4 0 v 差模信号电压 3 3 v 端电阻碍0 q ( 对空电路时) 储藏温度范围 - 4 0 1 5 0 表2 - 3 参数最大条件 t a b l e 2 - 3m a x i m u mr a t i n g s t f t - l c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学硕士学位论文 要求工作条件下，t m d s 接口电气参数见表2 _ 4 。 参数参数值 a 吃 3 3 5 端电阻碍 5 0 q 工作温度范围 o 7 0 表2 4 工作条件下的参数要求 t a b l e 2 - 4r e q u i r e do p e r a t i n gc o n d l t i o m 表2 - 5 是t m d s 接收器的电气特性。 参数最小值最大值 输入信号电压差 1 5 0 m v1 2 0 0 m v 输入共模信号电压彳吃一3 0 0m va 吃一3 7 m v 输入时钟频率 2 0 m h z1 1 2 m h z 表2 - 5 接收器特性 t a b l e 2 5r e c c w e rc h a r a c t e r i s t i c t f t - l c d 显示控制芯片的研究与设计 1 6 上海交通大学硕士学位论文 第三章锁相环及频率合成 芯片中不仅需要频率高达几百m 的信号，而且还需要多种频率不同的时钟 信号，因此频率合成对本芯片来说是非常重要的。要进行频率合成，有三种最 常用的频率合成器：数字合成器( 即查表合成器) 、直接合成器以及锁相合成 器。本芯片采用锁相合成器来得到各种所需时钟信号，锁相环频率合成器是本 芯片的重要部件。本章主要讨论频率合成、锁相环，并在各节详细讨论锁相环 各个部件，在最后一节给出自行设计、制作的锁相环频率合成器芯片版图。 3 1 概述 完成相位自动控制的负反馈称为锁相环p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) 。其实质 就是自动相位控制，误差信号是输入信号相位与压控振荡器的相位差。尽管锁 相环的设计方法多种多样，但所有的设计都包括三个基本成分：鉴相器 p d ( p h a s ed e t e c t o r ) 、低通滤波器l p f ( l o w p a s sf i l t e r ) 和压控振荡器 v c o ( v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) ，如图3 一l 所示【3 。 图3 - 1 锁相环的基本组成 f i g 3 1 s i m p l ep u 锁相环的基本功能是跟踪输入信号的相位。这一功能是由鉴相器p d 产生 一个与输入信号和v c o 信号相位差( 屯。一九) 成比例的电压而完成的。这个相位 误差电压通过低通滤波器，抑制了噪声和高频信号成分，并帮助决定环路的动 态性能。经滤波后的相位误差电压调制v c o 频率，重新在鉴相器p d 中与输入 信号比较。产生的任何误差电压通过环路滤波器，调制v c o 频率，直到v c o 以固定的相位关系锁住输入信号，此时相位差( 九。一九) 恒定且很小。当相位差 ( 以一破。) 不在随时间变化，我们说环路锁定。由此有： 丝一盟：o 出 出 铊。= 所以锁相环可以通过跟踪信号的相位，来获得频率同步和频率跟踪。 图3 - 1 闭环的传输函数为： ( 3 一i ) ( 3 - 2 ) t f t - i , c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学硕士学位论文 h 0 ) ：皇鲤盟：k p o k v c o g f ( s )( 3 3 ) o 。( 5 ) s + 翰墨，c d q ( j ) 所谓频率合成技术就是将一个( 或多个) 基准频率信号变换为所需频率信 号( 一个或多个) 的技术。在锁相环路中，利用一个高稳定度和高精度的晶体 振荡器产生基准频率的输入信号，通过锁相环路的锁定技术，在输出端就可以 得到大量与晶体振荡器具有同样稳定度和精度的离散频率的信号。 和基本锁相环路差不多，锁相环频率合成器主要包括：鉴相器p d 或鉴相 鉴频器p f d 、低通滤波器l p f 、压控振荡器v c o 和分频器n ( 包括前嚣分频 器p r e s c a l e r ) ，如图3 - 2 所示。 图3 - 2 锁相环频率合成器 f i g 3 - 2 p l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r 图3 2 环路入锁后，输出与输入信号频率之间的关系为： 厶，= n x 厶( 3 1 4 ) 由于芯片中信号的频率范围很大，要求锁相环有较大的频率捕捉范围，所 以芯片中的频率合成器中的锁相环采用电荷泵锁相环c p p l l ( c h a r g ep u m p p l l ) ，不但有大的频率捕捉范围，而且可以获得较高的性能。其框图结构与图 3 2 的差别在于l p f 前加了一个电荷泵c p ( c h a r g er u m p ) ，如图3 3 所示： 图3 - 3 电荷泵锁相环频率合成器 f i g 3 3 c p p l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r 3 2 鉴相器( p d ) 的设计 在锁相式频率合成器中，鉴相器类型较多。按电路性质分类有模拟鉴相 器、数字鉴相器等。本芯片中主要使用数字鉴相器。 t f t l c d 显示控制芯片的研究与设计 上海交通大学硕士学位论文 一个理想鉴相器的输出信号直流电压与两个周期输入信号的相位差成线性 关系： 匕。= k p d 矿 ( 3 - 5 ) 式中是指鉴相器p d 的增益，单位是v r a d , 庐是输入信号相位差。实 际上与之间的关系不可能是线性甚至也不是与单调的。而且可 能与输入信号的幅度及占空比都有关系【3 】。 3 2 1 异或门鉴相器 异或门鉴相器及其真值表如图3 4 所示。 毳= ) d 一圪 圪圪 oo0 1o1 o11 110 图3 _ 4 异或门鉴相器及真值表 f i g 3 - 4 e x c l u s i v eo rg a t ep da n dt r u ev a l u et a b l e 分析异或门鉴相器特性，根据逻辑功能，当0 石与石 妒砭石时，其 输入、输出波形如图3 - 5 ( a ) ( b ) 所示。 - 、，o。，内 n 几厂l 厂1n _ 乙 - ? v b- m 一广 一厂 厂 。厂 厂 厂 ：v e l：础 门厂 。厂1 。n 厂 几。厂 几厂1 厂 n 厂 ( a ) 0 妒 石( b ) 石 妒 厶2 云：一去e “咖v 。d m t ：一( 1 一三) o - 1 0 ， 一瓦上一”m 【卜- ) ， 盎冉n = f 。| f ， t f t - l c d 显示控制芯片的研究与设计 蛳 嘶 上海交通大学硕士学位论文 ( b ) 厶。 五： 式中一= 矗：矗 云= 去广蚋v = d c o t 吲，一 ( 3 - 1 ) ， 厂 n 几厂 ，： i 厂 雌- 7 门 f i7 厂7 【一【一 f 2 u p 广1 。j t 一 ! 形 一 o i 一- 1 ，厶：c o ) 厶。 矗： ( c ) 鉴频特性曲线 图3 1 3 鉴频输入输出波形及特性曲线 f i g 3 1 3 w a v e f o r m so f f di n p u t - o u t p u ta n dc h a r a c t e r i s t i c 由式( 3 1 0 ) ( 3 1 1