LMH1983：广播与专业应用的音频/视频时钟生成器

在广播和专业应用领域，对音频/视频（A/V）时钟生成器的性能要求极高。TI的LMH1983就是一款专为满足这些需求而设计的高度集成可编程A/V时钟生成器。下面我们就来深入了解下这款芯片。

文件下载：LMH1983SQX NOPB.pdf

1. 关键特性

1.1 多PLL架构

LMH1983具备四个PLL，可同时进行A/V时钟生成：

• PLL1：可输出27或13.5 MHz时钟。
• PLL2：能提供148.5或74.25 MHz时钟。
• PLL3：输出148.5/1.001或74.25/1.001 MHz时钟。
• PLL4：可生成98.304 MHz / 2X （X = 0 到 15）的时钟。

1.2 视频时钟交叉点

拥有3 x 2视频时钟交叉点，为时钟输出提供了灵活的配置选项。

1.3 灵活的PLL带宽

可以优化抖动性能和锁定时间，适应不同的应用场景。

1.4 软重新同步

能够在新参考信号出现时实现无干扰的重新同步。

1.5 数字保持或自由运行

在失去参考信号时，可选择数字保持或自由运行模式，确保输出的稳定性。

1.6 状态标志

提供参考丢失和PLL锁定丢失的状态标志，方便工程师实时监控芯片状态。

1.7 单电源供电

采用3.3 V单电源供电，简化了电源设计。

1.8 I2C接口

具备I2C接口，通过地址选择引脚（3种状态）实现灵活的地址配置。

2. 应用场景

LMH1983的应用十分广泛，涵盖了多个领域：

• SDI SerDes：适用于三速率（3G/HD/SD）SDI串行器/解串器。
• FPGA参考时钟：为FPGA提供参考时钟生成和清理功能。
• 音频嵌入/解嵌入：实现音频的嵌入或解嵌入操作。
• 视频摄像机：为视频摄像机提供稳定的时钟信号。
• 帧同步器：用于帧同步器（Genlock, DARS）。
• A-D或D-A转换：在A-D或D-A转换、编辑和处理卡中发挥作用。
• 键控器和标志插入器：可用于键控器和标志插入器。
• 格式或标准转换器：实现视频格式或标准的转换。
• 视频显示和投影仪：为视频显示和投影仪提供时钟支持。
• A/V测试和测量设备：在A/V测试和测量设备中使用。

3. 详细描述

3.1 架构概述

LMH1983采用两级PLL架构。第一级（PLL1）使用外部低噪声27 MHz VCXO和窄环路带宽，为下一级提供干净的参考时钟。第二级（PLL2、PLL3、PLL4）由三个并行的VCO PLL组成，可同时生成主要的数字A/V时钟基本速率。

3.2 功能特性

• PLL控制：PLL1是整个系统的核心，其性能影响着所有四个时钟输出。通过合理设计PLL1的环路带宽和阻尼因子，可以有效降低输出时钟的抖动。
• 时钟输出抖动：许多需要视频时钟的电路对抖动非常敏感。LMH1983将抖动分解为确定性分量（tDJ）和随机分量（tRJ），并通过特定的方法进行测量和控制。
• 锁定判定：通过寄存器可以控制PLL的锁定状态判定，确保系统的稳定性。
• 锁定时间：LMH1983的锁定时间主要取决于PLL1。为了缩短锁定时间，芯片提供了快速锁定模式。
• 输出驱动调整：可以通过I2C接口调整LVDS输出驱动器的参数，如差分输出电压摆幅、共模电压和预加重等。
• TOF对齐：每个时钟输出都有对应的帧顶（TOF）输出信号，可通过寄存器控制TOF信号与参考信号的对齐方式。

4. 编程与寄存器配置

4.1 I2C接口协议

LMH1983通过I2C接口进行编程。协议开始于起始脉冲，随后是一个包含七位从设备地址和读写位的字节。默认地址可通过ADDR引脚进行更改。

4.2 读写序列

• 写序列：从起始条件开始，依次发送从设备地址、寄存器地址和数据字节，每个字节后都有ACK位。
• 读序列：由两个I2C传输组成，先进行地址访问传输，再进行数据读取传输。

4.3 寄存器映射

芯片拥有多个寄存器，用于配置各种功能，如设备状态、PLL模式、输出格式等。详细的寄存器映射表为工程师提供了精确的配置选项。

5. 应用与设计

5.1 典型应用

• Genlock定时生成：以NTSC 525i/29.97高速参考为例，LMH1983可根据Hsync、Vsync和Fsync信号生成特定的时钟输出信号，为下游设备提供支持。
• A/V时钟生成：在基于时钟的输入参考应用中，LMH1983可以产生满足下游需求的时钟信号。
• 自由运行模式：在没有输入参考信号的情况下，LMH1983可以跟踪27 MHz TCXO参考，实现独立的时钟生成。

5.2 设计要求

• VCXO选择：推荐使用CTS的357LB3C027M0000 VCXO，其绝对拉范围为±50 ppm，温度范围为–20°C到+70°C。
• 环路滤波器电容：为了避免压电效应影响抖动性能，建议使用钽电容。

5.3 详细设计步骤

根据应用需求选择合适的外部VCXO和环路滤波器组件，参考支持的格式查找表确定输入和输出格式，通过配置SMBus寄存器确保正确的自动检测和时钟输出。

6. 电源与布局

6.1 电源推荐

为了减少芯片内四个PLL之间的干扰，每个PLL都由独立的电源供电，并配备内部调节器。同时，需要在每个电源引脚附近添加旁路电容。

6.2 布局指南

在设计PCB布局时，应遵循以下原则：

• 为每个电源分配单独的层，减少电源平面的电感。
• 尽量使用表面贴装组件。
• 将旁路电容和滤波器组件靠近电源引脚放置。
• 确保环路滤波器组件、缓冲放大器和VCXO靠近LMH1983。
• 避免接地平面的不连续性，确保差分走线的长度匹配。
• 注意过孔的电感，必要时使用两个并联过孔。
• 将芯片底部的焊盘连接到坚固的接地连接，以提供良好的接地和散热。

7. 总结

LMH1983是一款功能强大的A/V时钟生成器，具有多PLL架构、灵活的配置选项和良好的抖动性能。在广播和专业应用中，它能够为系统提供稳定、精确的时钟信号。工程师在使用LMH1983时，需要根据具体的应用需求，合理选择外部组件，进行正确的寄存器配置和PCB布局，以充分发挥芯片的性能。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎一起交流探讨。