提高視頻性能并降低成本的TFT-LCD模塊新技術(shù)應(yīng)用

1、提高視頻性能并降低成本的TFT-LCD模塊新技術(shù)應(yīng)用TFT-LCD模塊在從傳統(tǒng)的計算機顯示器的應(yīng)用轉(zhuǎn)向到電視應(yīng)用過程中，設(shè)計工程師面臨解決響應(yīng)速度慢、閃爍、背光等技術(shù)挑戰(zhàn)。本文討論了包括消除珈瑪失配、改善明暗圖像的對比度等解決這些挑戰(zhàn)的新技術(shù)，并提供了相應(yīng)的新型器件應(yīng)用。 圖1：除了行和列驅(qū)動器，LCD顯示器系統(tǒng)還依賴于珈瑪校正和多電源電壓。LCD顯示器在過去5年得到快速普及。這種促進(jìn)筆記本電腦市場發(fā)展的技術(shù)，如今在很多臺式電腦應(yīng)用中取代CRT，它能夠清晰地再現(xiàn)文字，并以無需占用整個桌面的外形尺寸提供較大的顯示面積。如今，隨著PC與多媒體體驗的融合，高性能視頻再現(xiàn)正在成為對該技術(shù)的一個關(guān)鍵要求

2、。過去LCD顯示器的一些缺陷包括色彩再現(xiàn)效果差、運動圖像拖尾現(xiàn)象以及無法再現(xiàn)細(xì)節(jié)，特別是在非常亮或者非常暗的圖像區(qū)域里。 除了技術(shù)上的問題之外， LCD顯示器的另一個由來已久的缺點就是成本高。如果不考慮空間占用問題的話，現(xiàn)在的CRT提供了一種非常具有成本效益的顯示方案。LCD面板的價格下降很快，特別是在去年下半年，面板供過于求，這導(dǎo)致了很多廠商降低它們的價格，盡管也有一些廠商通過削減產(chǎn)量以使供需平衡。 本文將討論能使TFT-LCD具有更好的視頻再現(xiàn)的一些新技術(shù)，以及降低成本的壓力如何與這些技術(shù)趨勢相互抵觸。 LCD模塊組件 圖1給出了LCD模塊的典型電路。無論面板是設(shè)計用來做筆記本、臺式電腦的

3、顯示器，還是應(yīng)用在電視機上，所有這些功能都是必需的，但是每類產(chǎn)品的性能不一樣。 時序控制器是位于面板中心的一個數(shù)字IC，它負(fù)責(zé)控制將數(shù)據(jù)寫入LCD顯示器的掃描機制的時序。時序控制器對列和行驅(qū)動器進(jìn)行復(fù)位，以便從顯示器的最上面一行開始寫入數(shù)據(jù)，每次掃描一行，直到顯示器的最下面一行。行驅(qū)動器是功率驅(qū)動的，用來選擇在一個指定的時間寫入哪一行的數(shù)據(jù)。列驅(qū)動器將輸入到顯示器的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可存儲在每一個像素單元里的模擬電壓。 圖2：EL7642器件產(chǎn)生4個電源電壓。每個LCD面板顯然都需要電源，面板上有4個主要的電壓電源。主電源(AVDD)提供驅(qū)動LCD顯示器中眾多模擬IC(包括將圖像內(nèi)容驅(qū)動到顯示

4、器本身的列驅(qū)動器)所需的高電壓。盡管很多人認(rèn)為TFT-LCD是數(shù)字顯示器，但每個像素的亮度實際上是由存儲在像素單元中的模擬電壓電平所決定的，并利用在像素之前的RGB濾波器來實現(xiàn)色彩再現(xiàn)。由于顯示器的這種模擬特性，AVDD電源必須具備很好的負(fù)載調(diào)節(jié)能力，并且能提供足夠的電流來對顯示器中每個像素進(jìn)行快速充放電。顯示器內(nèi)的其它電源包括數(shù)字IC所用的邏輯電源，以及為顯示器中行驅(qū)動器供電的高電壓Von和負(fù)電壓VOFF。對于高性能視頻顯示器來說，使用高性能TFT-LCD調(diào)節(jié)器非常重要，它可以減少圖像失真和拖尾效應(yīng)。像EL7585(見圖2)這樣的器件在單個IC中包含所有這4個電源，另外還提供對避免損壞LCD

5、顯示器很重要的電源排序功能。 利用VCOM放大器為顯示器中所有像素提供一個非常穩(wěn)定的參考電壓。這個電壓通常約為AVDD值的一半，每個像素的亮度由列驅(qū)動器提供的電壓與VCOM電壓之差決定。 像素發(fā)出的光與施加到這個像素上的電壓呈非線性關(guān)系，這個所謂的“珈瑪曲線”(見圖3)實際上是一個S曲線，它相對VCOM可以是正值，也可以是負(fù)值。事實上，大多數(shù)面板上的像素在兩極之間交替切換，這樣顯示器上的平均電壓值為0V，避免了與偏壓相關(guān)的老化(burn-in)問題。由于每個面板都有不同的珈瑪曲線響應(yīng)，列驅(qū)動器需要一個參考曲線，這樣它們能為每個像素提供合適的電壓驅(qū)動，得到所需的亮度。一般采用珈瑪緩沖器提供這種曲

6、線，也可以用一串電阻模擬該曲線。 在LCD框圖中，最后的器件是背光驅(qū)動器。由于LCD面板本身并不發(fā)光，因此需要背光，LCD實際上是打開或關(guān)閉來自其后面光源的光?，F(xiàn)在幾乎所有的LCD面板都使用CCFL(冷陰極熒光燈)背光，這些CCFL的驅(qū)動需要非常高的交流電壓波形。一般筆記本和顯示器的面板只需要一個CCFL控制器，然而大面板、TV類型的顯示器要求更亮的背光，也即需要更多的CCFL，因而需要更多的驅(qū)動器。來自這些CCFL的光還必須匹配，否則顯示屏的圖像亮度將不均勻。 減少運動模糊 在LCD顯示器上觀看視頻的一個最大問題就是運動模糊。這是由于顯示器中液晶的響應(yīng)速度慢而引起的，并導(dǎo)致運動圖像后面出現(xiàn)拖

7、尾的現(xiàn)象。當(dāng)前的液晶技術(shù)能支持的響應(yīng)時間在12到16毫秒之間，盡管這比兩年前的20到30毫秒快了不少，但仍然不能完全消除這種拖尾現(xiàn)象。當(dāng)然，這已經(jīng)成為LCD開發(fā)的一個主要關(guān)注焦點，目前有很多技術(shù)可以用來解決這個問題。 圖3：S形的“珈瑪曲線”顯示了像素發(fā)出的光與施加在像素上的電壓之間的非線性關(guān)系。來自LCD面板陣線最有效的方案是加快液晶材料的響應(yīng)速度。通過對每個像素采用過驅(qū)動可提高當(dāng)前材料的響應(yīng)速度，然而這還無法達(dá)到所需的響應(yīng)速度。現(xiàn)在有些公司正在展示灰色到灰色的響應(yīng)時間為5毫秒、灰色到黑色的響應(yīng)時間為1毫秒的新材料。灰色到黑色的快速響應(yīng)能夠使黑色插入技術(shù)得到非常有效的利用。黑色插入技術(shù)在每個

8、圖像幀之間插入黑色幀，產(chǎn)生與CRT相似的快速脈沖調(diào)制效應(yīng)。人腦可以濾除這種閃爍并自動產(chǎn)生中間圖像。在最近的展覽中對黑色插入技術(shù)的演示證明該技術(shù)是非常有效的。 如果沒有響應(yīng)速度快的液晶，這種效果也可以通過對背光進(jìn)行脈沖調(diào)制來仿真。這種方法也已證明非常有效。通過從頂部到底部對背光進(jìn)行掃描，可進(jìn)一步消除運動圖像的拖尾現(xiàn)象，這樣可以得到非常清楚的運動圖像。 減少畫面閃爍 由于LCD面板存在偏壓，所需的VCOM電壓可能與AVDD電壓值一半的理想值稍微不同，這會使顯示器的畫面閃爍。為了消除這種影響，通常要對每個面板的VCOM進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到消除閃爍。這種機械的方法現(xiàn)在被數(shù)字電位計代替，數(shù)字電位計可以自動調(diào)節(jié)

9、這些偏移，消除了由于人為失誤產(chǎn)生偏移電壓的可能性。圖4a顯示的是用Intersil公司的ISL45041驅(qū)動該應(yīng)用中的EL5111大功率VCOM放大器的示意圖。 由于每根線都鎖定到LCD面板，所以注入到VCOM平面的電荷也能引起導(dǎo)致畫面閃爍的偏移電壓。為解決這個問題，如今在新的面板中利用面板里實際VCOM值去關(guān)閉一個能將這些偏移電壓最小化的控制環(huán)，這樣可以減少畫面閃爍。具體電路如圖4b所示。 第三個方法是設(shè)法降低在每條線末端的切換電流，采用Von削減(Von-slice)電路在每條線末端釋放Von電壓，以減少注入到VCOM線的切換電荷。 消除珈瑪失配 由于生產(chǎn)和工藝參數(shù)的變化，來自生產(chǎn)線的每個

10、LCD表現(xiàn)出的珈瑪響應(yīng)稍有不同。通常情況下，所有的面板都采用同一個珈瑪曲線，這意味著當(dāng)多個面板并排放置在一起時，每個面板具有稍微不同的色彩響應(yīng)。對于很多應(yīng)用來說，這是不期望的。為克服這個問題，理論上珈瑪曲線需要作為閉環(huán)系統(tǒng)的一部分逐一進(jìn)行設(shè)置?？删幊嚏飕敯l(fā)生器能夠通過微處理器控制珈瑪曲線，因此珈瑪曲線可作為生產(chǎn)工藝的一部分被重新編程。 改善明、暗圖像的對比度 LCD顯示器的另外一個問題是，它們在顯示非常明亮或非常暗的圖像時不擅長區(qū)分不同的對比度等級?？梢圆捎脛討B(tài)珈瑪克服這個問題，動態(tài)珈瑪是根據(jù)顯示圖像內(nèi)容逐幀調(diào)整珈瑪曲線。這可以作為縮放處理的一部分用數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn)，但這些器件的位深度限制帶來很

11、多不良的問題。為克服這些問題，新的系統(tǒng)將采用EL5325珈瑪發(fā)生器來調(diào)節(jié)珈瑪參考曲線。 提高色彩再現(xiàn)能力 圖4a：為了消除閃爍，VCOM通常要針對每個面板進(jìn)行調(diào)節(jié)，Intersil ISL45041可驅(qū)動該應(yīng)用中的大功率VCOM放大器。圖4b：新面板利用面板中實際VCOM值去關(guān)閉一個控制環(huán)。采用CCFL技術(shù)作為背光源會嚴(yán)重影響能在LCD顯示器上顯示的色譜。典型的CCFL背光使LCD顯示器只能再現(xiàn)不到50%的NTSC 信號所能傳輸?shù)纳省Ｈ缃裼眯碌拇蠊β蔐ED技術(shù)作為背光源，可以將對NTSC信號色譜的覆蓋率提高到超過100%。另外，這些新LED背光沒有CCFL背光所需的水銀，非常適合綠色環(huán)保應(yīng)用

12、。 LED背光還具有很多其它優(yōu)點。對于大面積面板，可采用分離的紅色、綠色和藍(lán)色LED，這使顯示器的色溫可以很容易進(jìn)行調(diào)整。這些器件的快速響應(yīng)特性還使它們非常適合于頻閃背光(strobing backlight)應(yīng)用。 成本考量 盡管很多廠商都在采用這些技術(shù)來改善顯示器的圖像性能，但他們還面臨降低成本以贏得市場份額的巨大壓力。如果成本不降低，市場增長將受到限制，這已經(jīng)致使很多廠商不是在改善顯示器的性能，而是去掉某些功能。如今，不采用珈瑪緩沖器在主流顯示器中很常見，它們通常用一串簡單的電阻來產(chǎn)生珈瑪曲線，性能下降是不可避免的。 隨著桌面顯示器市場競爭的加劇，為獲得更好的視頻性能而在顯示器中采用這些新技術(shù)將十分有限。這些桌面顯示器很多是應(yīng)用在強調(diào)文本和圖表顯示