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(jì)算機(jī)顯示器的應(yīng)用轉(zhuǎn)向到電視應(yīng)用過程中，設(shè)計(jì)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。

   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(tái)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(gè)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(yàn)的融合，高性能視頻再現(xiàn)正在成為對該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵要求。過去LCD顯示器的一些缺陷包括色彩再現(xiàn)效果差、運(yùn)動(dòng)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(gè)由來已久的缺點(diǎn)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(jià)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(jià)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(jì)用來做筆記本、臺(tái)式電腦的顯示器，還是應(yīng)用在電視機(jī)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(shí)序控制器是位于面板中心的一個(gè)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(jī)制的時(shí)序。時(shí)序控制器對列和行驅(qū)動(dòng)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(dòng)器是功率驅(qū)動(dòng)的，用來選擇在一個(gè)指定的時(shí)間寫入哪一行的數(shù)據(jù)。列驅(qū)動(dòng)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(chǔ)在每一個(gè)像素單元里的模擬電壓。

  每個(gè)LCD面板顯然都需要電源，面板上有4個(gè)主要的電壓電源。主電源(AVDD)提供驅(qū)動(dòng)LCD顯示器中眾多模擬IC(包括將圖像內(nèi)容驅(qū)動(dòng)到顯示器本身的列驅(qū)動(dòng)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(gè)像素的亮度實(shí)際上是由存儲(chǔ)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(shí)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(gè)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(dòng)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(gè)IC中包含所有這4個(gè)電源，另外還提供對避免損壞LCD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(gè)非常穩(wěn)定的參考電壓。這個(gè)電壓通常約為AVDD值的一半，每個(gè)像素的亮度由列驅(qū)動(dòng)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(gè)像素上的電壓呈非線性關(guān)系，這個(gè)所謂的“珈瑪曲線”(見圖3)實(shí)際上是一個(gè)S曲線，它相對VCOM可以是正值，也可以是負(fù)值。事實(shí)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(gè)面板都有不同的珈瑪曲線響應(yīng)，列驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)參考曲線，這樣它們能為每個(gè)像素提供合適的電壓驅(qū)動(dòng)，得到所需的亮度。一般采用珈瑪緩沖器提供這種曲線，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(dòng)器。由于LCD面板本身并不發(fā)光，因此需要背光，LCD實(shí)際上是打開或關(guān)閉來自其后面光源的光。現(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(dòng)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(gè)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(dòng)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(yùn)動(dòng)模糊

       在LCD顯示器上觀看視頻的一個(gè)最大問題就是運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)圖像后面出現(xiàn)拖尾的現(xiàn)象。當(dāng)前的液晶技術(shù)能支持的響應(yīng)時(shí)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(gè)主要關(guān)注焦點(diǎn)，目前有很多技術(shù)可以用來解決這個(gè)問題。

   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(gè)像素采用過驅(qū)動(dòng)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(shí)間為5毫秒、灰色到黑色的響應(yīng)時(shí)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(gè)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(dòng)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(yùn)動(dòng)圖像的拖尾現(xiàn)象，這樣可以得到非常清楚的運(yùn)動(dòng)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(huì)使顯示器的畫面閃爍。為了消除這種影響，通常要對每個(gè)面板的VCOM進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到消除閃爍。這種機(jī)械的方法現(xiàn)在被數(shù)字電位計(jì)代替，數(shù)字電位計(jì)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)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(dòng)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(gè)問題，如今在新的面板中利用面板里實(shí)際VCOM值去關(guān)閉一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)珈瑪曲線，這意味著當(dāng)多個(gè)面板并排放置在一起時(shí)，每個(gè)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(gè)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。可編程珈瑪發(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(gè)問題是，它們在顯示非常明亮或非常暗的圖像時(shí)不擅長區(qū)分不同的對比度等級。可以采用動(dòng)態(tài)珈瑪克服這個(gè)問題，動(dòng)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(shí)現(xiàn)，但這些器件的位深度限制帶來很多不良的問題。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

 
   采用CCFL技術(shù)作為背光源會(huì)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。

       LED背光還具有很多其它優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)調(diào)文本和圖表顯示的企業(yè)環(huán)境，但是對于快速增長的LCD-TV市場以及家庭PC多媒體設(shè)備，圖像質(zhì)量將成為一個(gè)非常重要的因素。Intersil具有針對這兩個(gè)市場的產(chǎn)品。針對LCD-TV市場，Intersil能提供DC/DC、VCOM、DCP、珈瑪和背光產(chǎn)品。對于桌面顯示器市場來說，高度集成能降低成本，而EL7642在一個(gè)封裝里集成DC/DC、VCOM、珈瑪和Von削減(Von-slicing)功能。