先進(jìn)的LCD驅(qū)動器支持設(shè)計(jì)低成本、高性能的數(shù)據(jù)投影儀

作者：Ed Spence and Zoltan Frasch

近年來，基于液晶顯示器 （LCD） 技術(shù)的數(shù)據(jù)投影儀取得了長足的進(jìn)步，更小、成本更低的設(shè)備可提供更高的亮度和更高的分辨率。因此，投影機(jī)已經(jīng)從安裝的大型會議室顯示裝置發(fā)展成為工作組和銷售組織的日常工具，以及家庭娛樂系統(tǒng)的主要產(chǎn)品。這里討論的DecDriver IC是這些顯示器當(dāng)前和未來改善視覺質(zhì)量以及降低成本的主要因素。

如今，投影機(jī)顯示引擎中使用的主導(dǎo)技術(shù)包括三種（RGB-紅色、綠色、藍(lán)色）高溫多晶硅（HTPS）液晶顯示器（LCD）微型顯示器。三個彩色LCD微型顯示器具有單獨(dú)的顏色數(shù)據(jù)，它們的光輸出在通過鏡頭投影到屏幕上之前以光學(xué)方式相加。與基于旋轉(zhuǎn)色輪的現(xiàn)場順序單面板系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以更好地控制色彩質(zhì)量，提高亮度和效率，并且“顏色分解”的可能性要小得多。

最近，一種更新的LCD技術(shù)正在進(jìn)入投影市場，基于低成本硅晶圓 - 硅上液晶（LCOS）?；贚COS的投影引擎有可能實(shí)現(xiàn)低成本家庭影院以及其他大型場所顯示器，如公共顯示器和大型背投監(jiān)視器或工作站。LCOS微型顯示器為這些應(yīng)用帶來的好處包括比目前使用HTPS LCD面板實(shí)現(xiàn)的更高的分辨率，以及尚未實(shí)現(xiàn)的低成本潛力。LCOS的其他優(yōu)勢包括更高的像素密度，更小的面板尺寸和更高的孔徑比。在家庭娛樂中，投影機(jī)引擎的使用將包括前投影和背投，并且需要超過2萬全彩像素（10位伽馬校正）的分辨率。

LCOS和HTPS顯示技術(shù)都是基于LCD的;它們需要高性能的驅(qū)動電子設(shè)備來提供高質(zhì)量、高分辨率的顯示器。有關(guān)像素、格式、分辨率和時鐘速率的簡要說明，請參閱下面的腳注。

微顯示器接口與今天的筆記本電腦顯示器不同，筆記本電腦顯示器現(xiàn)在通常是a-Si（非晶態(tài)，有源矩陣LCD顯示器）。這些筆記本電腦顯示器需要為每列像素配備一個單獨(dú)的驅(qū)動程序。這個接口很慢，而且IC器件往往在每個芯片上集成多達(dá)384個驅(qū)動器，而且長度不成比例。

另一方面，HTPS或LCOS微型顯示器集成了多路復(fù)用器（MUX）功能，以在像素列之間分配成像信號。物理像素本身在簡單的采樣保持電路中充當(dāng)負(fù)載電容，在LCD材料響應(yīng)時保持成像信號。多路復(fù)用器的輸入需要大大減少接口通道的數(shù)量，以更高的速度換取更簡單的電路。這減少了微顯示器的片上扇出，目前微顯示器沿對角線的測量距離僅為0.5英寸。此外，這種配置還降低了驅(qū)動電子設(shè)備的功耗、面積和成本。最重要的是，雖然高端筆記本電腦顯示器可能包括8位驅(qū)動器，但目前用于投影引擎的微型顯示器使用10位伽馬校正輸入。需要這種更高質(zhì)量的圖像，因?yàn)橥队皥D像太大，顯示顯示偽影在10英寸筆記本電腦顯示器上不容易注意到。對更高質(zhì)量圖像和更高速度的需求要求驅(qū)動電子設(shè)備提高性能。

這些模擬驅(qū)動器的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)現(xiàn)在包括良好的絕對輸出電壓精度、快速輸出電壓建立到容性負(fù)載、高數(shù)據(jù)速率、緊湊的占位面積和低功耗。針對家庭影院市場的界面設(shè)計(jì)應(yīng)繼續(xù)依賴LCD微型顯示器的模擬輸入，以避免高速邏輯噪聲并提高應(yīng)用于顯示器像素的信號質(zhì)量。

在DecDriver芯片問世之前，用于微型顯示器的傳統(tǒng)驅(qū)動電子解決方案基于采樣保持拓?fù)?，可及時抽取數(shù)字成像數(shù)據(jù)。需要抽取以使輸入的高速數(shù)據(jù)速率與LCD像素相對有限的帶寬相匹配。集成在HTPS面板上的多路復(fù)用功能將模擬圖像信號分布在像素列上，在每個時鐘周期加載一組有限的像素，一直持續(xù)到一行像素填滿?；诓蓸颖３值尿?qū)動器存在一些限制，導(dǎo)致圖像質(zhì)量差——PCB面積大、獲得大于XGA的分辨率的能力有限（見表1）以及高功耗。采樣保持功能中的誤差（由于基座、下垂和建立時間）限制了該架構(gòu)的顯示質(zhì)量，影響了顏色匹配并阻礙了更高分辨率所需的系統(tǒng)速度。無論控制器ASIC（負(fù)責(zé)定時、圖像信號處理等）是否包括高速視頻DAC，分立視頻放大器本質(zhì)上都需要提供必要的動態(tài)電壓范圍和建立時間。它們反過來驅(qū)動抽取所需的采樣保持放大器。

此外，增加像素?cái)?shù)，同時保持刷新率固定，需要更快的驅(qū)動電子設(shè)備。對于LCOS尤其如此，因?yàn)長COS技術(shù)更快的響應(yīng)時間和雙幀速率要求面板接口具有比HTPS所需的通道更少（但快得多）。

除了速度問題，家庭影院質(zhì)量的LCOS顯示器與HTPS具有相同的需求。面板的模擬輸入必須具有良好的通道間精度、寬動態(tài)范圍和快速建立時間。

數(shù)字化抽取架構(gòu)

AD8380 DecDriver（抽取驅(qū)動器）IC是一款單芯片芯片解決方案，可提供以高速、高精度將10位伽馬校正鏡像直接驅(qū)動到高分辨率HTPS和LCOS面板上所需的所有性能。它通過鎖存來自控制器的高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后傳輸給定信號上的所有通道，從而有效地取代了采樣/保持功能，從而通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行模擬成像信號來實(shí)現(xiàn)時間抽取。?

圖1.由兩個DecDriver IC驅(qū)動的XGA微型顯示面板的簡化視圖。

DecDriver旨在通過使用新的高密度26 V快速雙極性工藝在同一芯片上制造DAC和驅(qū)動放大器來優(yōu)化建立時間和功耗。通過將高壓輸出驅(qū)動放大器與快速雙極性DAC集成，它們可以在工廠進(jìn)行微調(diào)，以滿足所需的絕對精度規(guī)格。

這種完整的解決方案專為高輸出精度而設(shè)計(jì)，還允許完全控制成像信號，包括對比度、亮度、信號反轉(zhuǎn)和輸出VCOM電平，而不會犧牲精度。組合的速度、靈活的邏輯控制和激光調(diào)整的輸出精度允許在 XGA、SXGA 和更高分辨率系統(tǒng)中互換使用多個 DecDriver 器件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

前投影和背投系統(tǒng)需要彼此相反方向的掃描，因此提供了L/R控制來確定數(shù)據(jù)的鎖存方向，從而更容易設(shè)計(jì)前背投系統(tǒng)。E/O提供了鎖存交替時鐘邊沿的能力，簡化了雙高速數(shù)據(jù)路徑的解復(fù)用。

圖2.AD8380 十進(jìn)制驅(qū)動器 IC 功能框圖快速 10 位輸入被鎖存，然后通過 DAC，以 XFR 脈沖輸出視頻放大器。輸出電壓電平由 VREF、INV 和 VMID 控制控制。

顯示性能

更高分辨率的顯示器需要更高的像素時鐘速率，因此需要更快的驅(qū)動電子設(shè)備。表 1 顯示了常見視頻（VESA 和 SMPTE）格式的像素時鐘和系統(tǒng)時鐘速率。

HTPS面板的最大指定頻率為7 MHz，LCOS面板的最大指定頻率為40 MHz。

表2列出了具有常見視頻格式的HTPS和LCOS面板的相應(yīng)最大建立時間和所需輸入通道數(shù)。LCOS面板的輸入數(shù)據(jù)假設(shè)為幀加倍，因?yàn)橄袼孛芏忍?，無法使用列或線反轉(zhuǎn)而不會發(fā)生串?dāng)_。

驅(qū)動器工作頻率不足會導(dǎo)致與某些視頻格式或面板類型不兼容。兼容驅(qū)動器必須能夠在系統(tǒng)CLK頻率下工作，并在所需的建立時間內(nèi)準(zhǔn)確提供所需的輸出通道。過長的建立時間或不匹配的輸出通道精度會導(dǎo)致重影或列間電壓電平不匹配，從而導(dǎo)致圖像上的垂直線。

準(zhǔn)確性

給定像素的每個顏色分量的光強(qiáng)度取決于驅(qū)動器輸出電平，而驅(qū)動器輸出電平取決于數(shù)字編碼幅度。給定通道中以及通道與通道之間和顏色之間的D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動器放大誤差會導(dǎo)致強(qiáng)度和色值誤差;系統(tǒng)錯誤通過產(chǎn)生惱人的視覺效果來降低顯示效果。驅(qū)動器輸出中的絕對誤差與每個驅(qū)動器輸出中的均方根誤差成正比。DecDriver的絕對誤差規(guī)格包括所有誤差：即DAC非線性、滿量程誤差、失調(diào)誤差、放大器失調(diào)和通道匹配誤差。

為了最好地關(guān)聯(lián)鏡像偽影和驅(qū)動器誤差，均方根或差分誤差電壓VDE（圖3）定義為：

VDE(n) = ?[VOUT(n) – VOUTP(n)] – [VFS × (1 – n/1023)]

哪里

VOUTN(n)是INV被驅(qū)動為高電平時的輸出電壓
VOUTP(n) 是 INV 被驅(qū)動為低電平時的輸出電壓
?[VOUTN(n) – VOUTP(n)] 是輸出的均方根值
(VFS × (1 – n/1023)) 是理想輸出
n 是 210 個輸入代碼值之一
VFS是滿量程輸出電壓

將傳遞函數(shù)從中點(diǎn)VMID移開的共模誤差（圖4）定義為：

VCME(n) = ?{ ? [VOUTN(n) +VOUTP(n)] – VMID}

其中

?(VOUTN(n) +VOUTP(n))

共模誤差會導(dǎo)致串?dāng)_隨著像素密度的增加（即間距減?。┒黾?。

圖3.V的典型案例德或差分誤差。從左到右，圖顯示了傳遞函數(shù)、代碼 0 處的時域均方根信號、像素看到的均方根電壓以及誤差與 DAC 代碼的關(guān)系。

圖4.V的典型例子芝商所或共模（偏移）錯誤。如圖3所示，AD8380傳遞函數(shù)、代碼0處的時域均方根信號、像素看到的均方根電壓和V芝商所誤差是DAC代碼的函數(shù)。

設(shè)備特性

AD8380是一款10位、6通道器件，是DecDriver架構(gòu)的首款實(shí)現(xiàn)方案，目前已量產(chǎn)。其模擬控制可調(diào)整輸出參考電平和滿量程電平;其數(shù)字控制包括反相、右/左加載、偶數(shù)/奇數(shù)數(shù)據(jù)以及順序和尋址鎖存加載。

采用 550V 模擬和 15.3V 數(shù)字電源時的功耗為 3 mW，或每個模擬通道功耗低于 100 mW。

參考輸入和邏輯控制有助于采用通用輸入和控制的模塊化設(shè)計(jì)。SXGA和更高分辨率的投影系統(tǒng)是使用每個彩色面板使用多個設(shè)備構(gòu)建的。在額定溫度范圍內(nèi)工作，輸入數(shù)據(jù)時鐘速率高達(dá)150 MSPS。

最大 V德誤差小于±7.5 mV（或1.5灰度級別）。如上所述，這包括DAC非線性引起的所有誤差、失調(diào)和滿量程誤差以及放大器增益誤差。共?；騐CME誤差小于±3.5 mV（0.7灰度級別）。參見圖 5。

圖5.典型的VDE和VCME作為輸入代碼的功能。

輸出放大器建立時間（圖 6）通常為 35 ns 至 0.25%，適用于 5V 步進(jìn)至 150 pF 負(fù)載。從表 2 中請注意，這足以驅(qū)動具有 HDTV 分辨率的 LCOS 面板。

圖6.典型十驅(qū)輸出建立時間。

總結(jié)

在使用HTPS面板的商用12通道XGA系統(tǒng)的投影圖像中，看不到垂直線或其他圖像偽影。在這種具有 1000 流明輸出的投影系統(tǒng)上可以觀察到出色的色彩匹配，這是對傳統(tǒng)系統(tǒng)的顯著改進(jìn)。通過消除集成在CMOS控制器上的DAC、增益放大器和用于解復(fù)用的采樣保持之間的外部微調(diào)元件，電路尺寸得以減小。對輸入邏輯選項(xiàng)和輸出圖像信號電平的集成控制使DecDriver IC成為直接接口的完整驅(qū)動電子子系統(tǒng)。到CMOS控制器和LCD面板，進(jìn)一步節(jié)省電路板面積。集成輸出驅(qū)動放大器具有出色的動態(tài)性能，加上快速邏輯輸入和輸出精度，意味著可以使用多個DecDriver IC為SXGA或UXGA投影儀實(shí)現(xiàn)更高分辨率的系統(tǒng)。SXGA LCOS面板也證明了類似的結(jié)果，使用DecDriver架構(gòu)的更高分辨率系統(tǒng)正在評估中。

審核編輯：郭婷