探究LMH1983：3G/HD/SD視頻時鐘發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用

在當今的廣播和專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，對高性能音頻/視頻（A/V）時鐘發(fā)生器的需求與日俱增。TI 的 LMH1983 就是這樣一款高度集成的可編程 A/V 時鐘發(fā)生器，它能為各種應(yīng)用提供可靠的時鐘解決方案。今天我們就來深入探討一下 LMH1983 的特性、應(yīng)用及設(shè)計要點。

文件下載：lmh1983.pdf

一、LMH1983 關(guān)鍵特性剖析

1.1 多 PLL 架構(gòu)

LMH1983 擁有四個 PLL，可同時生成音頻和視頻時鐘，滿足不同的時鐘需求：

• PLL1：可輸出 27 或 13.5 MHz 時鐘，為其他 PLL 提供基本的頻率參考，它采用雙環(huán)架構(gòu)，能有效將外部 27 MHz VCXO 鎖定到輸入?yún)⒖?a target="_blank">信號的諧波上。
• PLL2：產(chǎn)生 148.5 或 74.25 MHz 時鐘，常用于高清視頻應(yīng)用。
• PLL3：輸出 148.5/1.001 或 74.25/1.001 MHz 時鐘，滿足特定的視頻標準。
• PLL4：可生成 98.304 MHz/2^X（X = 0 到 15）的音頻時鐘，默認輸出 24.576 MHz，且具有較高的可編程性，能適應(yīng)多種音頻應(yīng)用場景。

1.2 靈活的時鐘輸出與管理

• 3x2 視頻時鐘交叉點：可以靈活選擇時鐘輸出源，滿足不同的系統(tǒng)配置需求。
• 低抖動性能：通過靈活的 PLL 帶寬優(yōu)化，有效降低輸出時鐘的抖動，滿足 SMPTE 串行數(shù)字視頻標準的嚴格要求。
• 軟重新同步：在失去參考信號后，能夠無干擾地重新同步到新的參考信號，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 數(shù)字保持或自由運行模式：當參考信號丟失時，可選擇保持控制電壓以維持輸出精度，或者進入自由運行模式，為系統(tǒng)提供了更多的應(yīng)對策略。

1.3 其他特性

• 單電源供電：采用 3.3 V 單電源供電，簡化了電源設(shè)計。
• I2C 接口：通過 I2C 接口進行配置，地址選擇引腳提供 3 種狀態(tài)，方便與不同的系統(tǒng)進行通信。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

2.1 視頻與音頻處理

• SDI 收發(fā)器：為 3G/HD/SD SDI 串行器/解串器提供低抖動參考時鐘，確保視頻信號的準確傳輸。
• FPGA 參考時鐘：用于 FPGA 的參考時鐘生成和清理，提高 FPGA 的工作穩(wěn)定性。
• 音頻嵌入與解嵌：實現(xiàn)音頻信號的嵌入和解嵌功能，保證音頻與視頻的同步。
• 視頻攝像機和顯示設(shè)備：為視頻攝像機和投影儀等設(shè)備提供穩(wěn)定的時鐘信號，確保圖像的清晰顯示。

2.2 測試與測量

適用于 A/V 測試和測量設(shè)備，為精確的測試和測量提供可靠的時鐘基準。

三、詳細設(shè)計與工作原理

3.1 兩級 PLL 架構(gòu)

LMH1983 采用兩級 PLL 架構(gòu)，有效降低輸入時序抖動，實現(xiàn)最小的抖動傳遞。

• 第一級（PLL1）：以外部 27 MHz VCXO 和環(huán)路濾波器為基礎(chǔ)，將低環(huán)路帶寬的 VCXO 時鐘鎖定到輸入?yún)⒖夹盘?，為后續(xù)階段提供低相位噪聲的時鐘源。
• 第二級（PLL2、PLL3、PLL4）：包含三個集成 VCO 和環(huán)路濾波器的 PLL，持續(xù)跟蹤 PLL1 的參考 VCXO 時鐘相位，生成主要的數(shù)字 A/V 時鐘基本速率。

3.2 時鐘輸出與抖動控制

• 輸出時鐘：每個 PLL 可生成時鐘和幀起始（TOF）脈沖，指示幀的開始，方便系統(tǒng)進行同步處理。
• 抖動控制：PLL1 的環(huán)路帶寬和阻尼因子對所有四個時鐘輸出的低頻抖動特性起著關(guān)鍵作用。通過合理設(shè)計環(huán)路濾波器和調(diào)整 PLL 參數(shù)，可以有效控制輸出時鐘的抖動。

3.3 參考信號檢測與模式切換

• 參考信號檢測：設(shè)備采用自動格式檢測功能，通過測量 (H{IN}) 輸入頻率和觀察 (V{IN}) 和 (F_{IN}) 輸入，識別參考信號的格式。
• 工作模式：PLL1 可在自由運行、同步鎖定和保持模式之間切換，以適應(yīng)不同的工作場景。

四、設(shè)計注意事項與應(yīng)用實例

4.1 設(shè)計注意事項

• VCXO 選擇：建議選擇 CTS 型號為 357LB3C027M0000 的 VCXO，其絕對牽引范圍為 ±50 ppm，溫度范圍為 –20°C 至 +70°C，能提供較好的頻率穩(wěn)定性和較低的抖動。
• 環(huán)路濾波器電容：為避免壓電效應(yīng)影響抖動性能，建議使用鉭電容作為環(huán)路濾波器的電容。
• 電源供應(yīng)：確保為 LMH1983 提供干凈、穩(wěn)定的電源，每個 PLL 內(nèi)部都有獨立的電源和調(diào)節(jié)器，需要外部適當?shù)呐月冯娙荨?/li>
• PCB 布局：遵循 PCB 布局指南，如專用電源層、靠近電源引腳放置旁路電容、匹配差分走線長度等，以減少干擾和噪聲。

4.2 應(yīng)用實例

4.2.1 典型同步鎖定計時生成

以 NTSC 525i/29.97 高速參考信號為例，使用 LMH1981 多格式同步分離器為 LMH1983 提供 (H{IN})、(V{IN}) 和 (F_{IN}) 信號，LMH1983 的 PLL 可產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘輸出，滿足 A/V 幀同步器的需求。

4.2.2 基于時鐘的 A/V 時鐘生成

當 (H_{IN}) 輸入?yún)⒖夹盘枮榛跁r鐘的信號時，LMH1983 可通過自動格式檢測功能，根據(jù)輸入信號生成特定的時鐘輸出，如 27 MHz、74.25 MHz、74.176 MHz 和 98.304 MHz。

4.2.3 自由運行模式下的 A/V 時鐘生成

在自由運行模式下，LMH1983 可跟蹤 27 MHz TCXO 參考信號，無需 (H{IN})、(V{IN}) 和 (F_{IN}) 輸入?yún)⒖夹盘?，仍能為下游設(shè)備提供穩(wěn)定的時鐘輸出。

五、總結(jié)

LMH1983 作為一款高性能的 3G/HD/SD 視頻時鐘發(fā)生器，憑借其多 PLL 架構(gòu)、靈活的時鐘輸出和管理特性，廣泛應(yīng)用于廣播和專業(yè)領(lǐng)域。在設(shè)計應(yīng)用時，需要注意 VCXO 選擇、環(huán)路濾波器電容、電源供應(yīng)和 PCB 布局等方面，以確保其性能的穩(wěn)定發(fā)揮。希望通過本文的介紹，能幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用 LMH1983，在實際項目中取得更好的效果。

你在設(shè)計中使用過 LMH1983 嗎？遇到過哪些問題？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。