發布日期：2022-07-14 點擊率：33
液晶顯示器廠商若想改造他們的生產線以生產液晶電視,必須克服液晶電視相對與顯示器在包括顯示格式、灰度等級、對比度等多方面的技術挑戰,采用不同的電路結構和技術方案。本文分析了液晶顯示器和電視的顯示性能上的差異,并提出了滿足液晶電視性能的技術方法。
有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)漸漸受到廣大的消費者歡迎。電視機的畫面素質要求極為嚴格,而且售價也要大眾化,因此要滿足消費者的要求并不容易。利用有源矩陣液晶顯示器生產平面顯示電視機的廠商必須設法提高畫面清晰度及色彩的亮麗程度,并降低其售價,才可望進一步擴大市場占有率。
液晶電視與顯示器的差異
廠商若想改造液晶顯示器的生產線以生產電視機,便要克服顯示技術上的幾個問題。首先,較大的屏幕及格式上的不同是必須解決的問題。大部分筆記本電腦都采用14英寸的XGA ??格式(1024×768像素),而大部分臺式機液晶顯示器都采用17英寸的SXGA格式(1280×1024)。大屏幕液晶電視機的入門級產品都不小于30英寸,而且都采用寬屏幕的XGA Plus格式(1366×768)。40英寸或以上的大屏幕液晶電視機都采用真正的高清晰電視(HDTV)格式(1920×1080),而且是市場上的高端產品。若以每一幀所需的數據為基準作比較,高清晰電視格式所需的數據比寬屏幕的XGA Plus格式多2.5倍以上。
由于越來越多液晶顯示器采用XGA及SXGA的格式,因此廠商必須進一步降低產品的功耗及減少電磁干擾,差分信號傳輸技術及數據傳輸線路設計便成為這方面的主流解決方案。按照傳輸線路的理論,信號路徑應視為波導(wave guide),而非僅僅是線路連接,這樣可確保信號在傳送時仍能保持其波形。新技術面世之后,數字像素數據便可直接傳送至每一列驅動器,而傳送速度極快,使所有像素數據可以在1/60秒的典型幀時間內寫入列驅動器內。
輸入電視機的信號必須具備高度的完整性,這個要求與筆記本顯示器及一般的顯示器無異。但大屏幕電視機對信號有更多新的要求,這是筆記本系統顯示器及普通顯示器的信號傳輸技術所無法滿足的。除了必須能夠支持大屏幕之外,新的信號傳輸技術還要滿足其它的要求。由于電視機的屏幕較大,視頻信號的傳輸距離也必然較長,因此由阻抗不匹配而產生的一些瑕疵及交叉耦合干擾的可能性也會增加。此外,電視機列電路板的長度一般都與屏幕的寬度相同,但當電視機的屏幕達到30英寸左右,列電路板便必須一分為二,因為印刷電路板受生產工藝所限,大小有一定的極限,電路板一分為二會令信號路徑出現較多連接點,大大增加信號出現錯誤的機會,也令信號路徑設計變得更為復雜,原本希望盡量縮短電路以節省空間的愿望也就落空。照目前的發展趨勢估計,畫面的刷新頻率會逐漸提高至90-120赫茲,以免有源矩陣液晶顯示器因為必須執行掃描及保持功能而令運動畫面出現模糊化的現象。
高清電視機除了對信號完整性有上述的嚴格要求外,每一像素的灰度級也比電腦顯示器多。液晶電視機必須采用30位的像素(紅綠藍三色各有10位的灰度),而并非電腦顯示器普遍采用的24位像素。液晶電視機必須采用30位的像素,才可確保在亮度梯度較淺的情況下,例如顯示黃昏的天空或茫茫的大海時,圖像不會出現輪廓邊線。我們若按照空間梯度將亮度量化,便會產生一條明顯而突兀的線條。由于電視機一般都采用光暗對比較為強烈的設計,因此這種瑕疵在電視上便更為明顯。
液晶顯示器無法充分顯示黑暗環境的對比度,因為顯示器無法將每一像素內的光閥全部關閉。換言之,光閥出現泄漏。目前這一代的高端液晶電視機都采用先進的技術,對比度接近1000:1,但傳統液晶電視機的對比度只有高端產品的一半左右。圖像處理技術出現之后,這個情況獲得大幅的改善。這種圖像處理技術可以逐格審視圖像幀,以及擴大主要的亮度范圍,使亮度范圍較小(即低對比度)的圖像可以通過調節增加其灰度級,以增強灰度效果。
對于電視機來說,當前消費者最重視的是電視機的色彩效果。若將不同品牌的電視機放在一起加以比較,大部分消費者都以色彩是否絢麗作為他們的選購指標。基于這個原因,業界一直在努力研究如何將圖像的不同顏色準確套入液晶顯示屏幕的彩色空間。色彩的套入通過圖像的映射完成,整個映射過程將圖像轉為適當的流明及色度空間,而在處理過程中圖像的某些顏色會被突出,其它顏色則會淡化。經過這樣的處理之后,紅綠藍三色的精確度比原本圖像的色度更為精確,因此電視機必須采用10位灰度(30位像素),才可恰當處理及改善圖像,以免出現明顯的灰度階梯瑕疵。
圖1:這樣的結構只適用于一般的
顯示器及筆記本系統顯示器,
但難以應付液晶電視機的繁
重工作量。
一般的消費者也許會感到有點意外,液晶顯示器的刷新速度竟然無法跟上視頻系統。他們不知道電腦顯示器等應用可以容忍較慢的像素響應時間,但電視廣播的要求則完全不同。若以隔行掃描為例,則每半個幀的數據必須在1/60秒或1/50秒之內全部捕獲。運動圖像的電視畫面比每幀影片更為細致。此外,播放電視圖像的幀速率比電影院播放膠片更快。電視的播放速度如此高,因此電視機需要具備較快的響應時間。對于高清晰電視機來說,響應時間尤其具有舉足輕重的作用。但對于其它視頻系統來說,響應的快慢并不那么重要。
針對液晶電視的技術解決方案
基于以上的原因,液晶電視機必須采用響應時間補償(RTC)過驅動電路模塊,以便為液晶顯示器的較慢光學響應提供補償。這個響應時間補償電路模塊設于定時控制器(TCON)之內,負責截取數字視頻流,然后將每一像素的前一個灰度指令與最新的灰度指令加以比較,再從查找表(LUT)挑選另一個已預設的灰度級。這個預先寫入查找表的替用灰度值是通過實驗挑選出來的,以便在幀尾段將亮度提升至目標值。若新的灰度級比前一個灰度級更淺,系統便會發出指令,要求先提供一個更淺的灰度級。若新的灰度級較深,系統便會先發出一個比這個灰度級深的指令。
液晶顯示器及筆記本系統顯示器所采用的結構及技術根本無法滿足液晶電視機的嚴格要求(見圖1)。多分支(Multi-Drop)差分總線結構利用不同的傳輸線將數字視頻數據傳送至列驅動器,但這樣的結構難以應付液晶電視機的繁重工作量。例如,傳送信號時,信號波形必須保持完美,以便電視機能夠以更高速度傳送數據。但由于信號的傳送線路較長,加上電視機的屏幕更大,采用的列驅動器分支也就更多,因此數據傳輸速率便很難滿足要求。為了解決這些問題,有些公司正在研發級聯式解決方案。這種方案的優點是利用傳統的總線連接列驅動器的一端,數據經過緩沖之后,再轉送到下一個列驅動器。這樣將傳統的總線轉變成點對點的傳送方式,其優點是信號完整性更高,但缺點是要添加更多列驅動器輸入/輸出端及相關電路。利用級聯方式將總線結構重新改造雖然可以改善信號完整性,但仍然無法滿足其它的要求,例如更精確的灰度、增強光暗對比度、改善色彩管理,以及添加其它更先進的功能。
首先最重要的是,對于采用電阻串數模轉換器(RDAC)及列驅動器的傳統結構來說,要在符合成本效益的基礎上提供每一顏色10位的灰度是一個很艱巨的挑戰。一直以來,只有筆記本系統顯示器及一般的顯示器才采用RDAC結構設計。這個結構的優點是,數字灰度級的數據會通過差分傳輸總線傳送至列驅動器。列驅動器會通過映射將有關數值傳送至串行電阻串上的其中一個電壓節點。根據列驅動器的原有設計,每一節點的電壓都設定在某一指定的水平,并確保這一設定的電壓可以將液晶顯示器的亮度調節至可與某一灰度級相匹配的水平。換言之,RDAC不但負責執行數模轉換功能,而且還負責執行伽瑪逆轉換功能,而后者可通過映射確保液晶顯示器所獲得的供電電壓能配合每一灰度級所要求的顯示器亮度。
RDAC可以在64灰度級(6位)的環境下迅速執行這兩個功能。但以256灰度級(8位)的系統來說,由于增加了灰度級,因此列驅動器必須將256個電壓的兩個電極分別由芯片的一端傳送至另一端,加上每一輸出端都需要設有電路,以便進行譯碼以及從中挑選一個合適的電壓,因此列驅動器的裸片面積會占去整體裸片面積的大部分。若灰度級增至1024(10位),并假設其它條件不變,所占用的裸片面積實在太大,令整個設計無法發揮應有的作用。
美國國家半導體的設計取向與采用RDAC的傳統設計大不相同。我們成功開發一款采用線性循環數模轉換器的列驅動器。由于這個數模轉換器的裸片面積較小,每一輸出端都可裝設兩個相同的數模轉換器,每一電極各有一個。當其中一個數模轉換器正在不停轉換輸入的數據以供下一條線使用時,另一個數模轉換器已利用剛在上一條線已轉變的電壓驅動目前這條線。這個數模轉換器的主要特點是能夠通過靈活調節功能提高位的準確度。若要提高分辨度,只需提高同一數模轉換器電路的操作周期便可,而無需加大裸片面積。由于我們采用這種結構,因此能夠在極具成本效益的基礎上利用較細小的裸片提供10位的灰度級。典型的10位點至點差分信號傳輸(PPDS)列驅動器的裸片體積不但比典型的8位RDAC列驅動器小一半以上。
圖2:全新點至點差分信號傳輸
結構是一個由多條獨立的點至點鏈
路組成的線路系統。
該設計的另一優點是數模轉換器的轉換電路不再負責執行反伽瑪功能。換言之,每一列驅動器輸出端都可將數字電壓值直接轉為模擬電壓值。設于上游的定時控制器(TCON)則負責將數字灰度級轉為數字電壓。即,定時控制器內的查找表負責執行反伽瑪功能,這個設計具有較大的靈活性,使每一灰度級可以通過映射配合液晶顯示器的亮度。事實上,定時控制器可為每一顏色分別提供不同的查找表,甚至可以實時更新有關圖表,以便能夠就不同圖像源、對比增強、顏色管理、以至溫度轉變做出相適應的調節。
列驅動器結構是整個PPDS(參看圖2)結構的其中一部分。顧名思義,PPDS傳輸并不是多分支總線,而是由多條獨立的點至點鏈路組成的線路系統,可為每一列驅動器提供一條通道。這條通道可以傳送列驅動器的控制數據及數字電壓數據,而列驅動器會將這些數字電壓數據轉為模擬電壓數據。傳統的總線結構采用脈沖串模式將數據傳送到列驅動器,而且在同一時間內只有一個列驅動器能夠接收數據,因為總線是共用的。若采用PPDS結構,所有列驅動器都可同時接收數據。因此即使只有一條差分通道為每一列驅動器提供數據,但這條通道在整個時段內都可使用。因此這兩個系統的時鐘頻率有很大差別。
PPDS系統的其中一個重要特點是,可以通過逐行送往每一列驅動器的數據包頭分別控制每一列驅動器。這個結構必須采用這種嵌入式的控制方式,因為只有這樣,列驅動器與定時控制器才可以無需互相傳送個別的專用信號,有助縮小系統體積及節省成本。由于系統可以靈活控制列驅動器,因此能夠執行特別的波形控制功能。要驅動大屏幕電視機,便必須控制驅動平板顯示器的波形,以便達致最佳的信號傳播效果以及提高像素充電率(pixel charging ratio)。
由于定時控制器能夠分別提供各自獨立的紅綠藍伽瑪查找表,因此可以準確校正每一灰度級的色溫。由于紅綠藍伽瑪查找表都各自獨立,讓每一顏色都可獲得獨立的伽瑪校正,因此可為所有灰度級提供固定的色溫,而且更可將這種技術的應用范圍擴大至高效能系統。由于定時控制器可以直接進入伽瑪查找表進行存取,因此可以靈活因應不同內容實時調節伽瑪校正功能,調節的幅度大小則由定時控制器內的圖像處理單元決定。新一代的配置相信可以在顯示器的不同窗口內提供不同的伽瑪傳送功能(參看圖3)。電腦操作系統可為定時控制器提供窗口邊界坐標,然后命令定時控制器根據要寫入的不同顯示區選擇不同的伽瑪查找表。
生產大屏幕電視機的廠商都希望能夠生產效果媲美影院的產品。若要確保畫面效果可以媲美影院,灰度級是否準確以及色彩管理是否完善都是成敗的關鍵。由輸入到輸出的整個顯示過程之中,PPDS結構都可支持30位的全彩色精確度,再加上獨立伽瑪查找表所提供的多種功能,因此圖像處理的效果可以獲得大幅提升。此外,由于圖像的色彩及光暗對比度獲得增強,因此圖像的灰度級更為準確。由于各自獨立的伽瑪查找表各有自己的設定,因此可以直接控制圖像效果,無需利用色彩增強或其它方法達到每一像素要求的亮度。
對于顯示器及筆記本系統顯示器來說,液晶顯示器模塊接收灰度級指令,然后為平板顯示器提供控制信號,以便產生所要求的灰度級。而電視機的要求則不同,電路要兼顧畫面效果,例如增強彩色深度、改善色彩平衡、增強動態對比、提供響應時間補償以及色溫控制。
作者:Dick McCartney
首席技術專家
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美國國家半導體公司平板顯示器產品部
