本文将针对3G手机设计中,讨论了使用串行总线技术连接基带处理器与LCD和相机时必须考虑的问题以及技术上的益处。其中包括:EMI对于设计的影响以及LVDS串行链路是如何解决这些问题的,以及为了在3G手机架构中进一步优化LVDS,设计者能进行哪些改进。
将相机和液晶显示器连接到移动电话架构中的基带处理器时,应用针对显示接口的串行/解串行技术在降低柔性连接线缆约束以及电磁干扰(EMI)要求方面将会起到主要作用。
随着3G手机中的相机与显示器部分分辨率不断增长,柔性连接线缆约束以及EMI越来越成为将显示器和相机连接到基带处理器所需要面对的关键问题。为了解决这一问题,设计者在构思手机设计方案时需要从宽的并行总线转向性能更高的串行总线上。
由于电路板空间的限制以及串行总线所带来的EMI方面的益处,3G手机设计者必须考虑使用LVDS串行器/解串行器(serdes)技术来开发连接基带处理器与LCD和相机的接口。这些串行总线可以将宽的、低速的并行数据流转换成为窄而高速的串行数据流。同时,串行总线将I/O从低速、单端的技术转向速度更高的差分技术,因此使得手机架构中EMI与功耗大大降低。
关键问题:EMI
EMI是许多应用需要面对的关键问题。快速的边沿速率以及通过线缆传输的大摆幅信号是造成辐射的主要因素。通常由于机械结构的约束,线缆的长度是固定的,并且不受所选用的I/O类型的影响。
图1:各种I/O技术在250MHz到1.25GHz频率范围EMI比较。
线缆中所使用的信号的数量是与具体应用的特性以及性能水平相关的。IC设计人员时常给CMOS输出驱动电路添加上各种专用电路以改进其传输线驱动特性并降低并行I/O的边沿速率。一般而言,系统设计者可以通过在IC输出端加上滤波网络来解决EMI问题。限制CMOS器件I/O的摆幅对降低EMI也是有用的,但这会造成发送端与接收端静态功耗的增加。由于功耗增加,在3G手机设计中采用以上技术就不可行。
幸运地是,在3G应用领域已经出现了多种低摆幅差分串行技术。其中多数是LVDS技术的变种。这些差分技术带来了很多益处,其中最大的益处就是减少EMI。
差分技术发送信号以降低EMI有几种途径。其一,因为每对线上的信令是差分的,每根线上信号产生的EMI场抵消掉了差分对中另一根线的场发射。差分对匹配的程度越好,EMI发射就越低。良好的LVDS差分对的上升与下降沿速率是平衡的,其交点在正中央,并且驱动差分对中每一根线的电流也是平衡的。
与标准CMOS技术的轨对轨满摆幅相比,LVDS技术的另一项优势就是其差分输出的摆幅仅有350mV。满摆幅的CMOS技术的很多噪声与EMI就是由其大的电流瞬变引起的。标准CMOS技术每一路I/O的电流可以在很短的时间内从纳安级变化到数十毫安。将这一数值与庞大的I/O数量相乘,总的电流瞬变就非常巨大了。
而采用恒流源技术的LVDS输出电路则与之形成鲜明对比。与标准CMOS技术使用晶体管来开关电流不同,LVDS技术使用晶体管来控制电流从一个方向转换到另一个方向。这种方法将di/dt瞬变降到最低。
相应的代价就是无论开关与否,LVDS I/O的功耗不变。为了解决这一问题,设计者可以修改LVDS电路,以便当I/O不在工作时电流可以关掉。
最后,设计者应当尝试并开发可以基于逐个时钟周期开启或关闭的LVDS接口,以用于最佳功率控制。但是,这样做的可操作性取决于I/O端口使能或禁用的速度有多快。
超越LVDS的创新
手机市场有着一些独特的属性使得供应商们可以超越标准LVDS技术进行创新。当今LVDS技术的主要用途是在长度超过10米的线缆上传输接近1Gbps的数据流。这主要面向电信市场的需求,远远超出了3G手机市场的要求。对于后者,线缆长度通常是以厘米计的。再者,如前所述,在这里功耗是更为令人关注的问题,尽管LVDS是低功耗的差分技术,但未来I/O技术能进一步降低功耗是业界期望的。
通过降低差分输出摆幅能够降低功耗。LVDS输出级的静态功耗是与输出差分对的电流以及电压摆幅直接相关的。标准LVDS使用3.5毫安电流源以及350毫伏的电压摆幅。最小允许摆幅是由接收端的灵敏度以及系统中噪声数量共同决定的。降低恒流源电流将降低总差分输出摆幅,而这将进一步降低EMI发射。
另一个降低功耗的途径是降低差分技术的整个电源电压。对于LVDS来说,这在某种程度上受到I/O端口的共模电压范围的制约。降低共模电压范围,总功耗就会随着电源电压呈线性的下降。
图2:相机、LCD接口的串行与解串行。
现在有一个LVDS技术变种的例子,它将I/O摆幅降到250mV并将共模电压范围降到了925mV左右,这使得电源电压VDD可以降低到1.8V。这三点综合在一起使静态输出功耗降低了将近70%,而动态功耗部分则下降了50%以上。
另一种颇具吸引力的高速差分信令方法既在输出驱动器端使用了电流源,又在输入接收端使用了电流检测。标准LVDS及其低功耗变种具有恒流源驱动器但使用电压检测接收端,接收端的电压是100欧姆的端接电阻和驱动器输出电流的函数。除非增加接收端的功耗,否则使用CMOS工艺的接收端总灵敏度不会比100毫伏小太多。但是,这么做就抵消了驱动器减小电流所节约的功耗。一种有前景的替代方法利用了电流检测接收器。这种技术已经展示了在合理的速度与线缆长度下I/O电压摆幅可以低至50mV。
EMI特性比较
图1为前面讨论的多种I/O技术的近场EMI特性比较。进入驱动器件的激励信号为250MHz方波,线缆为10厘米长的柔性线缆,这一长度与多数翻盖手机中使用的线缆长度相当。
图1中,EMI测量是通过在10厘米柔性线缆的中部放置探头进行的近场测量。数据测量是在基频到5次谐波范围内采样的。增益代表的是实测功率相对于原始信号的数量级。原始信号的十分之一对应于-20dB,而百分之一则为-40dB。注:图1验证了本文讨论的与改进EMI特性相关的技术。
对于一些应用来说,将单端并行接口变为全差分信号接口是切实可行的。总体上,由于多种原因人们没有这么做。但是,由于空间和功耗的限制,在3G手机设计中将并行单端总线转换为差分总线不但缺乏吸引力而且还是不可能的。例如,将16位的LCD数据总线转换为差分总线将需要32个I/O信号而不是16个。这样做虽然可以让总线以高得多的频率工作,但却加重了3G手机中的线缆与连接器约束。由于显示器的工作频率通常并不要求其像素时钟频率超过低MHz级范围,因此还没有需要转向差分信令的带宽需求。
可以作为完全差分总线的替代方案的是在总线发送端用串行器将宽的并行总线转换成为窄的高速差分数据流,并且在接收端用解串行器再将串行数据流转换为原来的并行数据流。多数情况下的解决方案是在线缆接口的两端都放置串行/解串行器。这种方法相对简单并且容易实现。这种方法还对于提升系统性能和放宽物理限制都有益处。这些益处就是在最前面提到的EMI方面的益处。在前面举出的例子中,典型的串行器可将16位的并行数据以及一些控制信号转换成差分串行路径上的串行数据以及一个差分时钟信号。这样就将穿过翻盖手机两部分的信号转换成两对差分信号,也就是总共四个实际I/O信号。
图2所示为一个同时带有相机和LCD显示器的应用。每一个接口的串行化和解串行都是通过独立的器件完成的。LCD显示器使用16位的RGB接口,相机使用8位的YUV接口。附加的控制信号也可以通过分别的接口送到LCD或从相机接收。
使用差分技术传输信号还可以获得成本上的益处。最明显的成本节约往往来自系统所用的线缆和连接器。
对于以上讨论的16位系统,线缆上通过的总信号数量降低到了一对差分数据和一对差分时钟即总共四个信号。这与16位系统中20个或更多的信号(16到18个数据信号,2到6个控制信号以及一个时钟信号)形成鲜明的对比。除此而外,还减小了线缆宽度和连接器尺寸,另外还可以省掉或减小用以消除EMI或改善信号完整性的EMI滤波器以及无源端接元件。器件数量的减少会影响总元件成本、电路板尺寸以及布线、电路板组装成本以及整体可靠性。
此外,E
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