電視機課件第16章

1、第16章平板顯示技術 16.1液晶顯示技術 16.2等離子體顯示技術 本章小結 思考與習題 16.1液晶顯示技術16.1.1液晶顯示技術的發(fā)展概況1968年，奧地利植物學家F.Reinitzer首先發(fā)現了液晶材料膽甾醇苯甲酸酯，一種有機化合物結晶體。通常將晶態(tài)物質加熱到熔點就變成透明液體，但將這一類物質加熱到某一溫度T1至T2之間，會成為混濁粘稠體，它既有液體的流動性，又有晶體的光學各向異性特點，故稱為液晶態(tài)，以區(qū)別于物質的晶態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。液晶對外加的電場、磁場、熱能等刺激很靈敏。液晶本身并不發(fā)光，但它在外加電場、磁場、熱的作用下，產生光密度或色彩變化，這是液晶顯示器件(Liquid Cry

2、stal Distal，LCD)的基本原理。20世紀70年代LCD應用于電子鐘表、計算器字符顯示。80年代隨著文字和圖像處理設備小型化，要求顯示器件薄、輕、低功耗，因而首先研制成工藝簡單、成本低的簡單矩陣LCD，但其掃描電極數受到液晶材料閾值特性銳度的限制，圖像分解力只能作到400線左右。后來又研制成在每個液晶像素上設置開關元件的有源矩陣液晶顯示器件，克服了簡單矩陣LCD的缺點。從原理上講，這種有源矩陣LCD的分時掃描電極數不受限制，圖像顯示的對比度、亮度大為提高，可以滿足電視圖像顯示的要求。按開關元件和材料不同，有源矩陣LCD分為晶體管式(包括非晶硅薄膜晶體管(ASiTFT)和多晶硅薄膜晶體

3、管(PSiTFT)等)和二極管式(包括金屬絕緣體金屬二極管、背對背二極管和二極管環(huán)等)。1983年日本卡西歐公司研制成第一臺2.7英寸黑白LCDTV。同期研制成LCD加三基色濾色片的LCD彩色TV顯示器。1984年日本精工艾普遜公司研制成2英寸彩色LCDTV。1987年日本的LCDTV產品約為CRTTV產量的一半。在目前國際市場上，商品化的液晶LCDTV的圖像清晰度和亮度已經接近CRTTV的水平。1446英寸的液晶彩色電視機、拼接式寬屏幕電路和100英寸液晶投影電視已經研制成功，并且正在朝著大屏幕平板型彩色液晶電視和高清晰度液晶電視方向發(fā)展。為了進一步提高圖像清晰度，增大液晶屏的面積，目前世界

4、各國正在研制新型液晶材料和將驅動電路與液晶屏一體化制造的新工藝。液晶電視之所以能在短短幾年中迅速發(fā)展，主要由于它具有以下優(yōu)點：所需電源電壓低，約為35 V； 驅動功率小，約為W/cm2； 液晶屏是被動顯示，本身不發(fā)光，眼睛不易疲勞； 被動顯示屏可以用環(huán)境光或太陽光作光源，因而可以將液晶電視屏安裝在室外； 液晶屏薄而輕，便于實現袖珍型和壁掛式平板顯示； 無X射線和紫外線輻射損害。16.1.2液晶的電光效應液晶分子的某種排列狀態(tài)在電場作用下變?yōu)榱硪环N排列狀態(tài)時，液晶的光學性質隨之改變，而產生光被電場調制的現象稱為液晶的電光效應。液晶的電光效應是由液晶的介電系數、電導率和折射率的各向異性引起的。液晶

5、的電光效應有多種，其中應用于液晶顯示的分類如下。1. 電場效應電場效應可分為扭曲向列型效應和賓主效應。1) 扭曲向列(TN)型效應扭曲向列型液晶盒的組成及其工作原理示意圖如圖16-1所示，在涂覆透明電極的兩玻璃基片之間夾著厚度為10m的P型向列型液晶層，液晶分子為扭曲排列。在液晶盒上下兩側各有一偏振片，入射光側的偏振片稱為起偏振器，出射光側的為檢偏器。起偏器的偏振方向與該側基片表面的液晶分子軸方向一致。檢偏器的偏振方向有兩種選擇：與起偏器的偏振方向平等或垂直。由于液晶分子扭曲的螺距為40 m，遠大于可見光波長，因此，射入液晶的直線偏振光的偏振方向在通過液晶層時沿著液晶分子軸扭曲旋轉90。當不加

6、電場，而且出射側的檢偏器的偏振方向與起偏器的方向平行時，出射光的偏振方向與檢偏器的偏振方向垂直，則出射光被遮斷，如圖16-1(a)所示。當起偏器和檢偏器的偏振方向垂直時，出射光通過檢偏器，液晶盒呈透明。圖16-1TN型電光效應原理(a) 不加電場； (b) 加電場當液晶盒施加電場E，而且外加電壓高于閾值電壓時，液晶分子排列改變?yōu)榉肿虞S與電場方向平行，如圖16-1(b)所示。由于分子軸順著電場E的方向，液晶的旋光性消失，入射光的偏振方向不旋轉。當兩側偏振片的偏振方向平行時，出射光透過檢偏器，若用于顯示屏，則呈現黑底白像； 當兩側偏振片的偏振方向互相垂直時，出射光被遮斷，若用作顯示屏，則呈現為白底

7、黑像。扭曲向列電光效應是目前應用最廣泛的液晶顯示器件的機理。 當液晶盒上、下基板兩端的外加電壓升高時，電場強度E隨之升高，使液晶分子排列方向與電場平行(或垂直)改變?yōu)榕c電場垂直(或平行)時的電壓稱為“閾值電壓”Uth。若液晶的彈性系數小，介電系數各向異性大，則Uth低，一般扭曲向列(TN)型液晶的Uth約為23 V。液晶在外加直流電壓作用下容易發(fā)生化學變化，而使液晶性能惡化、壽命縮短，因此通常用交流電壓驅動液晶。由于液晶材料有時間積分響應特性，因此液晶響應速率跟不上驅動電壓的峰值變化，其響應驅動電壓的有效值(即均方根值)Urms稱為液晶的RMS(均方根)響應效應。2) 賓主(GH)效應將分子長

8、軸方向與短軸方向對可見光吸收率不同的棒狀分子的二色染料作為“賓”，溶解在作為“主”的一定規(guī)則排列的液晶中，則二色染料分子方向與液晶分子平行。當在電壓作用下改變作為“主”的液晶分子的排列方向時，作為“賓”的染料分子的排列方向隨著“主”分子的方向變化，從而改變了染料的可見光吸收特性，引起顏色變化。這種電光效應稱為賓主效應。此外，液晶在外加電場作用下還會產生電控雙折射(FCB)效應、相變(PC)效應和動態(tài)散射(DS)效應等。以上各種電光效應的顯示器件性能比較見表16-1。2. 電熱光效應加電場的同時改變液晶溫度，會引起液晶的光學性質變化。例如將膽甾型混合液晶的電熱光效應用于激光熱寫入的大型動畫顯示。

9、表16-1各種電光效應顯示器件的性能比較16.1.3液晶顯示器件的分類和使用特點1. 液晶顯示器件的分類利用上述液晶的電光效應制成的液晶顯示器件已廣泛應用于數字、符號、圖形和電視圖像顯示。液晶顯示器件種類很多，根據電信號轉換成光信號所依據的電光效應的機理不同，可分為扭曲向列(Twisted Nematic，TN)型、賓主(Guest Host，GH)型、電控雙折射(Electrically Controlled Birefringence，ECB)型、相變(Phase Change，PC)型、動態(tài)散射(Dynamic Scattering，DS)型、熱光(Thermo Optic，TO)型、電

10、熱光(Electrothermo Optic，ETO)型。液晶顯示器件根據它所顯示光的類型可分為：(1) 透射型：光源位于液晶顯示板之后，當信號電壓通過改變液晶顯示板的光學傳遞特性來調制光源透過液晶發(fā)出的光強度時，由透射光的光強顯示信號電壓的信息。(2) 反向型：光源位于液晶板之前，在液晶層的底面基板上設有反光板。當信號電壓調制液晶的光學傳遞特性時，由反射光的強弱顯示信號電壓的信息。(3) 投影型：將液晶屏看做幻燈片，透過此幻燈片的光被圖像信號調制，再經光學透鏡放大后，投射到屏幕上。觀眾可以在投射側的投影屏幕上觀看到放大的圖像，也可以在投射面之后的投影屏幕上觀看放大的圖像，如圖16-2所示。圖

11、16-2投影型液晶顯示器件根據液晶顯示板上顯示電極的形狀，液晶顯示器件分為段顯示(用于數學顯示)和矩陣顯示(由水平和垂直兩組條狀電極及其間的液晶層組成，兩組條狀電極的交點即為像素。矩陣顯示屏可用于圖形顯示)。2. 液晶顯示器件的使用特點液晶顯示的原理是利用液晶的電光效應，通過施加電壓改變液晶的光學特性，造成對入射光的調制，使液晶的透射光或反射光受到所加信號電壓的控制，從而達到顯示的目的。 因此，使用液晶顯示器件時，應注意以下特點：(1) 液晶顯示器件不同于CRT和發(fā)光二極管(LED)等發(fā)光型顯示器件，它本身不發(fā)光，必須有外來光源。這種光源可以是高照度的熒光燈、太陽光、環(huán)境光等。 (2) 驅動電

12、壓低，一般為3 V左右。驅動功率小，一般為W/cm2級，所以能用MOS集成電路驅動。這是因為液晶材料的電阻率高(大于1011 cm)，流過液晶的電流很微小，而且由于液晶的各向異性物理特性，很容易在外電場作用下改變分子排列而發(fā)生電光效應。(3) 液晶光學特性對信號電壓響應速度慢(TN型液晶的響應時間r150 ms，薄膜晶體管有源矩陣的r80 ms)，所以液晶跟不上驅動電壓快速上升的峰值變化，液晶只能響應驅動電壓的有效值(均方根值)。所以一次掃描液晶屏不能顯示圖像，需多次掃描，即利用液晶的累積響應效應顯示圖像。(4) 直流電壓驅動液晶屏會引起液晶分子電化學反應，縮短液晶壽命。為避免這種電化學反應，

13、必須使用交流電壓驅動液晶屏，而且交流驅動電壓波形應無平均直流成份。為此，通常給液晶屏的信號電極施加逐場倒置極性的視頻信號，以滿足上述要求。同時行掃描電極上也加交流驅動電壓。逐場倒置的視頻信號方案有以下兩種： 一般驅動方式，如圖16-3所示。圖中公共電極為4 V，第一場與第二場視頻信號的極性倒置，它們的平均直流成份為零。這種交流驅動信號的缺點是輸出的視頻信號幅度大，要求電源電壓高、功耗大。圖16-3一般驅動方式的逐場倒置視頻信號 公共電極的反轉驅動方式。這種驅動方式是在上述一般驅動方式的基礎上，對公共電極施加逐場反轉的方波，同時使第一場和第二場視頻信號極性反轉，如圖16-4所示。這樣既保證相鄰兩

14、場視頻信號的平均直流成份為零，而且逐場反轉視頻信號的總幅度減小，從而使視頻信號驅動器的供電電壓降低，電源功耗減小。圖16-4公共電極反轉驅動方式的逐場倒置視頻信號(5) 電視臺廣播的電視信號主要針對顯像管的非線性作了非線性()預選校正，而液晶顯示屏的電光轉換特性近似線性，即非線性系數1。為使接收到的電視信號在液晶屏上顯示為無灰度畸變的電視圖像，應將接收到的電視信號經過非線性校正，再送到液晶屏上顯示。顯像管的非線性系數2.2，為滿足電視系統(tǒng)總的1，在攝像機的前置放大級加了一個1/1/2.2的預校正電路。所以液晶電視機的視頻放大級應增加一個2.2的非線性校正電路。(6) 液晶顯示器件是由兩層透明電

15、極板之間夾薄層絕緣體的液晶組成的，它與電容器的結構相似。對驅動信號源來說，液晶器件是容性負載。16.1.4液晶矩陣顯示器的驅動方式液晶矩陣顯示器的驅動方式分為簡單矩陣驅動方式和有源矩陣驅動方式兩種。1. 簡單矩陣驅動方式簡單矩陣驅動方式的液晶顯示器中，電極排列形式如圖16-5(a)所示。其中x電極為掃描電極，加掃描電壓；y電極為信號電極，加信號電壓。x、y電極的交叉點就是像素(xi、yi)。像素數目決定于交點數。液晶材料的電阻率約為1011 Cm。圖中x、y電極一個交叉點液晶的等效電阻為R、等效電容為C。所有x、y電極群的各個交叉點液晶像素的等效RC并聯電路通過x、y電極的連接，形成一個立體電

16、路，如圖16-5(b)所示。圖16-5簡單矩陣驅動方式的液晶顯示器(a) 電極排列形式； (b) 電極與RC電路的連接矩陣顯示有兩種常用的掃描方式：(1) 點順序掃描，如圖16-5(a)所示，選定一行xi后，依次選擇y1，y2，y3，yN。掃描完一行，再選擇xi+1行。在點順序掃描中，掃描一個像素的時間是掃描一幅圖像所需時間的1/N2，這個比值稱為占空系數。當N很大時，占空系數很小。由于液晶對驅動信號的有效值產生響應，所以當占空系數太小時，對有效值電壓的響應時間也少，這對液晶的響應不利，使顯示圖像的亮度低。(2) 行順序掃描，如圖16-5(a)所示，選定一行xi后，對y1，y2，y3，yN同時

17、加信號電壓，即同時選擇y1，y2，y3，yN。在這種行順序掃描中，一個像素的占空系數為1/N，顯然它比點順序掃描的占空系數大。因此在簡單矩陣顯示中，一般都采用行順序掃描。進一步分析點順序掃描和行順序掃描可知，在液晶簡單矩陣顯示中，由于矩陣的所有像素的等效RC電路通過x、y電極連通成一個立體電路，如圖16-5(b)所示，當選中的某一像素點(xi、yj)加有電壓U時，鄰近一些像素點得到約為U/2的電壓，稱為半選擇點； 另一些非選擇的像素點得到的電壓也并非零， 這種現象稱為立體電路效應。該效應使半選擇點和非選擇點都得到不希望有的信號電壓，而且液晶電光響應的閾值特性不陡峭，在這些半選擇點和非選擇點上也

18、產生不希望的電光效應，結果導致選擇點顯示圖像對比度下降，這種現象稱為交叉效應。電極數N越多，交叉效應越嚴重。所以，在簡單矩陣驅動方式的顯示中，不能用增加電極數來提高分辨力，這是因為電極數增加時，雖然像素增加會提高分辨力，但同時降低了圖像對比度。解決上述問題的辦法是采用多重矩陣法提高分辨力，而不增加掃描電極數。圖16-6所示為二重矩陣液晶顯示屏的電極結構，掃描電極數減少為N/2個，信號電極為2M個。這樣一個二重矩陣液晶屏相當于NM個像素的普通矩陣液晶屏。因為減少了掃描電極數，所以它的對比度提高到與(N/2)M的矩陣液晶屏相同。在圖16-6中，X為行掃描電極，信號電極分為YA和YB兩組，采用一次掃

19、描兩行的尋址方式。選取一條行掃描電極的同時，將信號同時加在兩行像素上：奇數行m個樣點信號同時加到對應的Y1AYmA個液晶像素上，偶數行m個樣點信號同時加到對應的Y1BYmB個液晶像素上。圖16-6二重矩陣液晶屏的電極結構由于二重矩陣液晶屏的每一個像素被圖像信號作用的時間比幀周期短得多，因此當掃描電極數增加時，要準確控制液晶像素顯示的灰度層次相當困難。采用反式二重矩陣和反式四重矩陣液晶屏可以克服二重矩陣和四重矩陣液晶屏的缺點。在同樣的掃描電極數時，反式多重矩陣比多重矩陣液晶屏的制造容易、對比度高，且沒有錯誤顯示區(qū)而減少了散粒噪聲。當電極數增多時，反式矩陣的制造工藝反而要求更高。2. 有源矩陣驅動

20、方式在簡單矩陣驅動方式的液晶屏顯示中，液晶電極間的交叉效應嚴重地降低了圖像的對比度，而且現有液晶材料的閾值特性不陡峭，掃描行數受到限制，因此顯示圖像的分辨力也不高。有源矩陣驅動方式的液晶屏能克服簡單矩陣驅動方式的上述限制。其辦法是在掃描電極和信號電極的交叉處，安裝透明的薄膜晶體管開關或將非線性元件與液晶像素串聯，使液晶電極之間的交叉效應減少，使液晶像素的閾值特性變陡。有源矩陣驅動方式的液晶屏分為晶體管驅動和非線性元件驅動兩類。1) 晶體管驅動圖16-7所示為薄膜場效應晶體管(Thin Film Transistor，TFT)驅動的有源矩陣液晶屏的一個像素的示意圖。圖中，Xi為第i個掃描電極；Y

21、j為第j個信號電極； BK為背電極；Tij為Xi和Yj交叉處的開關晶體管；CLj為液晶像素電容，用來存儲模擬信號的一個像素；RLj為液晶像素的絕緣電阻，其阻值很大，可以視為開路。圖16-7薄膜場效應晶體管驅動的有源矩陣液晶屏的一個像素每一個像素配置一個開關晶體管，晶體管導通、截止狀態(tài)接近理想開關。因此各個像素之間的尋址完全獨立，從而消除了液晶像素之間的交叉串擾，大大改善了液晶顯示圖像的對比度和清晰度。通常作為開關的晶體管有非晶硅薄膜晶體管Amorphous Silicon TFT，A-Si TFT)和多晶硅薄膜晶體管(Polycrystal Silicon TFT，P-Si TFT)。前者的截

22、止電流極小，存儲電荷不易漏失，無需為液晶像素再制作附加存儲電容，成品率高，有利于高行數的圖像顯示，因而廣泛應用于液晶電視的顯示屏。后者電光性能穩(wěn)定，電荷遷移率高，可以用P-Si TFT將液晶像素部份和驅動電路制作在一塊基片上，大規(guī)模集成，因而近來獲得廣泛重視。2) 非線性元件驅動利用金屬絕緣體-金屬(Metal Insulator Metal，MIM)、二極管環(huán)(兩個相反極性二極管的并聯)和背對背二極管(兩個二極管的負極聯接在一起)等的非線性開關元件與液晶像素串聯，使液晶的閾值特性變陡，也可以有效地克服簡單矩陣液晶像素間的交叉串擾。利用上述非線性元件作開關的有源矩陣液晶屏，其制造工藝簡單，可以

23、應用于便攜式彩色液晶電視機中。16.1.5彩色液晶電視接收機1. 彩色液晶電視接收機的組成圖16-8所示是采用A-Si TFT有源矩陣液晶屏的彩色液晶電視機的組成框圖。彩色液晶電視機不同于黑白液晶電視機的是：在視頻檢波器之后增加了色度信號解碼電路和RGB信號處理電路，以及采用A-Si TFT有源矩陣的彩色液晶顯示屏(180列210行)；視頻檢波器輸出的彩色全電視信號，一路送到伴音信號處理電路，產生伴音，另一路送到同步分離，產生行、幀同步脈沖fH、fF，還有一路經(2.2)校正后，送到色度解碼電路和RGB信號處理電路，輸出R、G、B三基色視頻信號。R、G、B三個基色視頻信號分別經采樣-保持和Y電

24、極信號驅動器后，送出3180列Y電極信號, 這是因為一個彩色像素需要R、G、B三個基色信號相加混色得到。行、幀同步脈沖觸發(fā)掃描驅動器產生每幀210個行掃描電壓，送到彩色液晶顯示屏的210個X掃描電極，進行行掃描。采樣時鐘頻率fs是由行步頻fH鎖相的壓控晶體振蕩器產生的。fs對一行基色信號采樣180樣點，對R、G、B三基色共采樣3180樣點。因為彩色液晶屏的三基色濾色片對光吸收較大，使液晶顯示圖像的亮度大大降低，為此需用小型高照度的熒光燈作為背光源來增加液晶顯示亮度。圖16-8彩色液晶電視機的組成框圖2. 彩色液晶顯示屏液晶器件的彩色顯示方法有兩種：相減混色法和相加混色法。相減混色法的原理是將青

25、色、絳色、黃色濾色片疊在一起，只要將其中某一個濾色片變成全透明，就能獲得紅、綠或黃三種單色光射出。這里液晶作為控制閥門來控制其中一個濾色片變成透明，這時入射白光穿過另兩個濾色片，于是出射光就成為彩色光了。但是三個濾色片重疊在一起對入射白光的吸收很大，使得液晶顯示的彩色圖像亮度大為降低。因此在液晶彩色電視中，通常采用嵌鑲式三基色濾色片進行相加混色。圖16-9所示是嵌鑲式三基色濾色片相加混色彩色液晶顯示屏的橫剖面示意圖。起偏光片和檢偏光片的偏振方向相同，同為垂直方向。TN液晶閥中摻有黑色染料分子，有利于關閉濾色片，使其不透光。不加電場時，液晶分子與上、下基片表面平行，但TN液晶分子在上、下基片之間

26、連續(xù)扭轉90，使入射液晶的直線偏振光的偏振方向通過液晶層時沿液晶分子扭轉90，因而出射光的偏振方向垂直于檢偏光片的偏振方向，結果出射光被遮斷。亦即入射白光通不過濾色片，故在出射光端看不到濾色光。圖16-9嵌鑲式三基色濾色片相加混色彩色液晶顯示屏的橫剖面當透明的Y電極與X電極之間加的電壓大于液晶的閾值電壓時，外加電場改變TN液晶分子的排列方向，液晶分子軸與電場方向平行，液晶的90旋光消失，使得入射白光經R濾色片透過檢偏光片射出R色光，結果在出射端能看到紅基色光。每一個彩色像素由R、G、B三個基色濾色片組成，當一組三基色濾色片之中有1至3個濾色片能使入射白光被其濾色，而透過檢偏光片時，在出射端就能

27、看到1至3種基色光的相加混色。這里TN型液晶對基色光起控制閥門的作用。X、Y透明電極的交點之間夾著一組三基色濾色片，形成一個彩色像素。每一個像素有一個A-Si TFT晶體管開關形成晶體管開關有源矩陣，以消除像素間的交叉串擾。彩色液晶屏是通過電著色、真空蒸鍍、彩色油墨印刷或感光等工藝，將R、G、B三種色素沉積在玻璃基板內表面，形成嵌鑲式三基色濾色片系統(tǒng)。三基色濾色片可以縱向排列、三角形排列或傾斜排列。圖16-10所示是三基色濾色片縱向排列的彩色液晶顯示屏的電極結構。由圖可知，彩色液晶屏的信號電極Y的數目是單色屏的3倍，而掃描電極X數目只需一套。圖16-10三基色濾色片縱向排列的彩色液晶顯示屏的電

28、極結構圖16-11所示是三基色信號處理電路。從色度信號解碼電路送來的R、G、B三個視頻基色信號分別送到各自的放大器、分相器和輸出級。放大器和分相器分別設置對比度和亮度。分相器輸出的基色信號是兩個波形相同、極性逐場相反的交流信號，且其平均直流成分為零，以適應液晶顯示器件對驅動信號的要求，避免液晶材料受直流電壓作用，產生電化學分解而影響液晶顯示器件的使用壽命。圖16-11基色信號處理電路框圖4. 采樣保持和Y電極的信號驅動電路圖16-12所示是三基色信號的采樣保持和Y電極的信號驅動電路。其中垂直電極就是Y電極，每一組Y電極包含三個基色電極。在簡單矩陣液晶電視機中，Y電極的信號驅動電路通常采用A/D

29、轉換器將視頻信號轉換成4 bit代碼的數字信號，再利用存儲器將這種點順序像素轉換成行信號，進行行順序掃描，以適應液晶顯示器件響應速度慢的特點。然后將每一行信號的每一個像素的數字信號轉換成脈寬調制信號，產生16級灰度層次的脈沖電壓，驅動液晶像素，形成液晶電視圖像。圖16-12采樣保持和Y電極的信號驅動電路在TFT有源矩陣彩色液晶電視機中，通常Y信號電極可以用采樣保持得到的模擬電視的樣值信號驅動。如圖16-12所示，行掃描驅動器產生210字節(jié)的逐行掃描電壓。每一行掃描電壓在顯示期內為恒定值，但整個掃描期內的平均直流成份應為零。Y電極的信號驅動器是由180字節(jié)的采樣-保持所需的采樣脈沖產生電路和31

30、80路模擬開關所組成?；蛘哒f，R、G、B三路Y電極的信號驅動器是由3180個采樣保持電路所組成的。三路采樣保持電路對屬于同一行的R、G、B視頻信號同時采得180組R、G、B三基色像素。每一行的180組R、G、B采樣值同時驅動3180列Y信號電極。當某一個掃描電極Xi加有行掃描電壓時，該行的3180個TFT晶體管全導通，采樣得到的180組R、G、B樣點信號就通過TFT晶體管存儲在像素液晶電容器中，并且調制液晶像素顯示的灰度層次，同時像素液晶閥控制該組三基色濾色片透過何種基色光并相加混合成某種彩色。隨著逐行掃描的進行，彩色液晶屏上顯示出一幅210180彩色像素的彩色液晶電視圖像。16.2等離子體顯

31、示技術16.2.1等離子顯示屏概述等離子顯示屏即通常所說的PDP(Plasma Display Panel)，基本上由兩塊相距很近(約0.1 mm)的玻璃板構成，其間充入氣體并被分隔成許多小的單元。當單元內電極間加入電壓后，放電產生等離子體并激發(fā)熒光物質顯示彩色圖像。目前的PDP多采用三電極表面放電的工作方式。從上到下依次為前側玻璃基板、掃描電極(Scan)和保持電極(Sustain)、介電層、保護層(MgO)、RGB磷光粉、隔離墻、地址電極(Address)和后側基板。前后玻璃板密封在一起形成PDP顯示屏。當其中的惰性氣體在真空中進行等離子放電時，所產生的紫外線(147 nm)將激發(fā)紅、綠、

32、藍熒光粉，產生可見光，通過空間混色形成彩色顯示。至于PDP的灰度，是通過子場(Sub-field)技術來實現的，即將一幀圖像的顯示時間分成若干段來顯示，每段的維持顯示期之比為1248，前者相應的亮度也是后者的一半。通常將一幀圖像分成8個子場，因此在一幀圖像內可以實現256種亮度組合，即可以實現256級灰度控制，再加上三基色的組合，就可以顯示16.7 MHz的彩色圖像。在等離子顯示器的構成部件中，除了以上介紹的核心部件等離子顯示屏外，電路方面包括與顯示屏的工作有密切關系的驅動電路、邏輯控制電路、電源電路以及圖像信號處理電路等，結構方面一般由前框和后蓋組成，另外還包括放置在顯示屏前面的光學濾波器。

33、圖像信號處理電路板包含各種外部輸入信號的接口，也叫做接口板，其功能是將外部輸入的各種模擬視頻信號進行解碼和數字化(ADC)，再將數字信號進行比例變化、幀頻轉換(FRC)和隔行逐行變換，轉化成控制板可以接收的數字R、G、B信號。接口板上包括了用戶用以控制顯示器的軟件，因而也是體現不同產品功能特點的根本所在。PDP顯示屏在使用中發(fā)射強烈的電磁波和近紅外線，強烈的電磁輻射會影響在同一環(huán)境中工作的其他設備，也會對人體造成損害，而近紅外線會引起依靠它工作設備的誤操作。光學濾波器能夠對電磁波和近紅外線進行屏蔽，以滿足產品電磁輻射的相關標準和保證其他設備的正常工作。為了對等離子顯示器進行有效的使用，市場上銷

34、售的產品一般還包括一些相關的附件，如配套的音箱、底座、掛墻架等。等離子顯示屏的基本特點如下：(1) 屏幕大。目前產品的主要尺寸有32、37、40、42、50、60英寸等幾種，其中以40、42和50英寸的最為流行。(2) 結構薄而輕。由于PDP顯示模塊本身具有薄而輕的特點，因而決定了顯示屏在總體上相應的結構特征，而顯示尺寸的增大也不需要相應地增大屏體的厚度。一般PDP顯示器的整機厚度在10 cm左右，這就極大地方便了在很多場合的安裝和使用。(3) 視角寬。由于使用熒光粉作為發(fā)光物質，因此PDP可以做到和CRT同樣寬的視角，上下左右均為160，這樣觀看者就不必站在屏幕的正前方。(4) 防電磁干擾。

35、基于顯示原理的差別，與CRT相比，來自外界的電磁干擾，如電動機、揚聲器等，對PDP的圖像基本沒有影響。相比之下，CRT受電磁場的干擾要明顯得多。(5) 純平面圖像無扭曲。PDP的RGB柵格在平面中呈均勻分布，這樣就使得PDP的圖像即使在邊緣也沒有扭曲現象出現。而純平CRT中由于在邊緣的掃描速度不均勻，很難控制到不失真的水平。(6) 亮度和對比度較高。隨著熒光粉制造技術和顯示屏加工技術的不斷進步，PDP的亮度和對比度指標也在不斷地進步，目前的顯示屏基本上都已達到KK(1000 cd/cm2，10001)的水平。(7) 沒有匯聚和聚焦問題。CRT背投因為匯聚不準造成掃描線邊緣交疊混色，聚焦不良會導

36、致掃描線加粗，從而導致圖像模糊，分辨率下降。PDP的各像元相互獨立，因而避免了這方面的問題。目前PDP模塊的生產主要集中在日本的富士通、日立、松下、先鋒、NEC和韓國的LG、三星等廠家手中，國內進行顯示屏的生產還需進口模塊。各廠家為了提高產品的性能，優(yōu)化PDP模塊的顯示特性，采用了一些各自獨有的技術。(1) 非對稱的單元結構。由于人眼對不同顏色的敏感程度不同(紅色較強，藍色較弱)，采用各色相同面積(對稱)結構的屏，很難再現純正的白色。而采用非對稱的結構，增大藍色柵格的面積，減小紅色柵格的面積，可以在總面積不變的情況下再現純正的白色。(2) 預置顏色過濾。NEC公司在其PDP成品的RGB柵格前放

37、置相應顏色的濾色片，濾色片之間使用黑色條隔開。這樣做的好處是既可以降低放電氣體所發(fā)出的可見光，優(yōu)化發(fā)射光譜，又可以進行色溫調整，還能夠降低外界入射光的反射，提高光透過率，從而實現優(yōu)秀的色彩再現，提高亮度和對比度。(3) 純黑驅動系統(tǒng)。松下公司所特有的純黑驅動系統(tǒng)通過改變初始化放電的方式，極大地增強了黑色的再現能力，將對比度大幅提高至30001。(4) 隔行點亮的ALIS技術。這是富士通公司的專有技術，它利用了單元間的不發(fā)光區(qū)域，使奇偶行交替發(fā)光。這樣一來，僅僅增加了一條水平電極，就實現了比普通顯示屏高一倍的分辨率，同時也增加了亮度，降低了成本。16.2.2彩色等離子顯示器原理1. 系統(tǒng)電路框圖

38、等離子顯示器的系統(tǒng)電路主要由數字信號處理板、視頻板、音頻板、音頻功放板、遙控板等電路組成，如圖16-13所示。其中數字信號處理板是驅動電路的核心，分別與PDP顯示器、視頻板、音頻板、遙控板等電路板聯接，對輸入信號進行處理后，將數據送給顯示器地址驅動電路(列驅動)，同時將時基信號送給顯示器掃描電路(行驅動)。顯示器在雙重信號的作用下，分比特開始對整屏進行加載，由上至下順序加載完后，驅動整屏放電(即面放電)，然后再加載下一比特，再次進行整屏放電驅動，直至8比特數據處理完畢。然后，再接著進行下一場信號的顯示處理。圖16-13等離子顯示器的系統(tǒng)電路框圖由于時間分割的關系，PDP不可能逐行放電。PDP的

39、放電驅動過程與采用超大規(guī)模集成電路驅動LED大屏幕的刷新過程有類似之處。2. 等離子顯示器整機原理等離子顯示器整機原理框圖如圖16-14所示。圖16-14等離子顯示器整機原理框圖從圖16-14可以看出，等離子顯示器整機主要包括四大部分：電源電路、信號接口及顯示數據處理電路、驅動處理電路和顯示屏。在四大部分中，因各公司的顯示屏制造工藝技術有所不同，顯示驅動原理也各有區(qū)別，并形成了各自的專利技術，所以制造公司一般都將顯示屏和驅動處理電路作為模塊(Module)對外提供。另外，由于等離子顯示器整機電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)顯示器的差別較大，如掃描電壓、維持電壓等是等離子顯示器的關鍵電源，并與屏的不同驅動電路直接

40、相關，因此在等離子顯示器研發(fā)中，電源系統(tǒng)一般也是由制造公司聯合開發(fā)的。對整機制造公司而言，主要工作就是信號接口及顯示數據處理功能電路的開發(fā)，這部分與傳統(tǒng)電視技術比較接近。下面先對圖16-14所示的視頻信號流程作簡要介紹，然后介紹信號顯示數據處理及驅動控制電路等。1) 視頻信號流程首先，不同的視頻信號通過接口電路輸入，視頻信號輸入方式包括模擬輸入接口(AV端子(CVBS信號)、S端子(YC分離信號)、YUV分量、RGB分量、計算機VGA接口)和最近發(fā)展起來的數字輸入接口(DVI(數字視頻接口)。輸入端子主要參數如表16-2所示。 表16-2輸入端子主要參數輸入的模擬信號分3種情況進行視頻解碼及數

41、字化處理： Video信號通過3D梳狀濾波器YC分離后，視頻解碼輸出RGB信號，經A/D轉換輸出； S-Video信號和YUV解碼后，RGB信號經A/D轉換輸出； PC的RGB信號直接經A/D轉換輸出。然后，數字RGB信號和DVI輸入的數字視頻信號進入顯示數據處理電路，該電路根據不同的輸入格式(VGA、SVGA、XGA、1080I、720P、525P/480P、480I、525I)，經圖像運算處理電路，轉換為統(tǒng)一的480P輸出格式的數字信號，再經過等離子顯示器特有的子場數據處理電路，最后經數據驅動電路輸出為數據脈沖用于顯示器數據寫入期。從以上分析可看出，等離子顯示器與傳統(tǒng)電視最主要的區(qū)別在于，

42、視頻信號最后是以數字方式作用于顯示器，即等離子顯示器是完全數字化的顯示設備。它作為數字電視的終端顯示器，去除了模擬信號顯示時所需D/A、A/D轉換及復雜的編碼運算，比CRT顯示器要好。2) 信號顯示數據處理等離子顯示器的模擬信號部分處理與傳統(tǒng)電視比較一致，在此主要就數字信號顯示數據處理作一介紹。由于RGB信號輸入格式不同，因此RGB信號在A/D轉換之前要通過4個不同的帶通濾波器(525P-8 MHz，XGA-15 MHz，HD-25 MHz，UXGA-35 MHz)，以減少各種干擾和進行通道負載匹配。由于A/D轉換處理的是高速數據，為降低數據抖動率，保證轉換精度，在轉換前對RGB信號進行鉗位控

43、制，同時對輸入信號進行緩沖，A/D轉換必須采用高速器件。A/D轉換后的8 bit數字信號輸入到顯示格式轉換數字圖像控制處理電路。數字圖像處理電路是等離子顯示器的關鍵技術之一，有開發(fā)實力的公司一般都自行設計，本文介紹的是一種目前比較新的解決方案，原理如圖16-15所示。圖16-15數字圖像處理原理圖輸入轉換控制處理IC的數字信號(包含數字RGB信號、行場同步信號、消隱信號及相關控制信號、時鐘數據信號)，通過IC內部的行場同步檢測，計數場同步之間的行同步數量，判斷輸入信號格式后，按照寄存器預先設定的參數，對圖像高、寬、邊界、消隱期等進行偏移設置，形成有效顯示圖像區(qū)域，同時通過行場同步的時序關系，完

44、成逐行變換的圖像插值、運動補償等。運算處理使用了3塊16 MB SDRAM幀存儲器。處理完成的逐行信號和直接輸入的逐行信號，經選擇輸入格式轉換電路，成為統(tǒng)一的480P格式輸出。格式轉換主要通過控制信號寫入或讀出幀存儲器的速率實現，輸出的RGB信號從16 bit到24 bit可變，碼流最大可支持到74 Mb/s。一般此類主處理IC的功能強大，外圍配合電路元件較少，在實際應用中關鍵是軟件開發(fā)對各控制寄存器的參數進行正確設置，硬件上設計主要是解決各種干擾，特別是處理EMC問題，因此，該電路的PCB設計是難點之一。開發(fā)中應盡量保證數字信號布線平行等長，在同層PCB中，信號線少走過孔，如果使用過孔，所有

45、數字信號線過孔數也保持一致，電源濾波電容應盡量靠近IC引腳，數字地和模擬地嚴格分開，與其他功能電路的地實行單點連接，在多層PCB中高速數字信號線一般不跨過不同地之間溝糟。在子場處理和RGB數字信號處理之間加入了亮度自適應增強處理電路，該電路根據圖像內容，控制子場處理驅動器，使其子場數從10到12變化(即可變子場)，同時控制每一子場的維持期時間格式，從以二進制方式增加變成重新按照線性編碼方式增加，亮度自適應增強處理為等離子顯示器選擇最適合的顯示條件，達到圖像顯示自然和鮮艷。子場顯示處理使亮度自適應增強處理后的RGB數據，以正確的時鐘順序出現在對應子場的數據寫入期。3) 驅動控制電路彩色PDP顯示

46、屏按其結構的不同可分為兩種類型，即交流型彩色PDP和直流型彩色PDP(即AC型和DC型)，按其驅動方式又可分為ADS(尋址和顯示分離)和AWD(顯示時尋址)兩種。AWD驅動方式寫完一個數據后馬上進入維持期，以提高亮度，同時解決了假輪廓問題，但由于控制起來很復雜，目前很少采用。彩色PDP驅動電路的整個驅動周期基本上由擦除、寫入和發(fā)光維持三個階段組成，驅動電路的作用是給彩色PDP施加定時的周期性脈沖電壓和電流。(1) 擦除。系統(tǒng)的亮度驅動是通過子場維持期來實現的，雙掃描能夠在尋址期把掃描時間從480行減少到240行，這樣通過雙掃描驅動，空閑的尋址期時間可用于維持期。在具體電路處理中，將掃描驅動分成

47、兩套相同的電路，分別掃描屏上半部分和下半部分。掃描時序由MCU控制VSCAN時鐘電路確定，同樣初始化也有專門的VSET時鐘電路控制脈沖寬度和時序，其原理如圖16-16所示。圖16-16掃描驅動原理框圖在圖16-16中，各電壓驅動電路均由高壓場效應開關管組成，屏上、下部分輸出驅動各有4塊高壓驅動芯片與屏掃描電極直接連接。驅動電路部分的Real black部分與傳統(tǒng)驅動電路的區(qū)別最為明顯，為清除像素里充電產生的殘余電荷，在掃描電極和維持電極間加上一個梯形電壓(VSUS+ VSET)，等離子開始放電，逐漸減弱，這樣就清除了殘余電荷。對于標準的子場驅動技術，每一子場都要執(zhí)行一次初始化放電，這樣在一個電

48、視場期間，即使要顯示黑色信號，也有與子場數一樣的初始化放電數執(zhí)行，在黑色區(qū)域將有少量光激發(fā)。等離子顯示器采用Real Black驅動技術保證了黑色的重現，電路利用電感L和電容C的能量儲存轉換，在這種方式下，初始放電僅在第1子場執(zhí)行，而其余子場通過Real Black驅動電路應用初始化電場剩余脈沖VBK，降低了其余子場屏初始化電壓，使屏功耗得以降低。(2) 數據寫入。正極性的數據脈沖加在數據電極上，同時負極性的掃描脈沖加在掃描電極上，這意味著數據脈沖電壓和掃描脈沖電壓的和加在了這兩個電極上，這樣在兩個電極之間開始放電。當放電進入像素單元后，氣體放電電離；在氣體放電期間，離子被引向掃描電極，電子被

49、引向數據電極。當寫入脈沖停止后，吸附覆蓋在電極周圍的電介質上的電子和離子仍然保留下來。(3) 亮度維持。維持驅動電路的原理與掃描驅動基本一致，應用了LC充放電電路作為前級驅動能量轉換控制。正是在驅動電路中綜合了以上各新技術，使得功耗大為降低，不再需要散熱風扇。亮度維持基本過程如下：第一步：負極性的維持電壓脈沖輸入到維持電極和掃描電極之間，這時兩個電極之間的電位就是維持電壓和壁電壓之和，這樣放電繼續(xù)進行。第二步：停止輸入維持電壓脈沖，因在第一步進行期間，電子被引向掃描電極，離子被引向維持電極，這樣一旦維持電壓消失，電子和離子就分別吸附在兩個電極上形成壁電荷，極性與寫入時的相反(掃描電極為負)。第

50、三步：正極性的維持電壓脈沖輸入維持和掃描電極，如第一步一樣，放電繼續(xù)。第四步：停止輸入維持電壓脈沖，因在第三步進行期間，電子被引向維持電極，離子被引向掃描電極，這樣一旦維持電壓消失，電子和離子就分別吸附在兩個電極上形成壁電荷，極性與第二步的相反(掃描電極為正)。第五步：通過上步維持放電產生的電子和離子被吸附在像素內壁的電極周圍的電介質上(掃描電極為正)。第六步：為保持放電繼續(xù)，維持電壓脈沖重復第一步至第五步過程，結果維持電壓脈沖正負交替變化。綜合上述分析，等離子顯示器一個子場的掃描電極和維持電極的驅動脈沖波形形成，其示意圖如圖16-17所示。圖16-17驅動脈沖波形示意圖在實際應用中發(fā)現，當輸

51、入PAL(4.43 MHz /50 Hz)信號，在全屏白場或藍背景時，圖像有明顯閃爍感，類似于50 Hz隔行掃描電視系統(tǒng)出現的行間閃爍和大面積閃爍。此種現象不應在等離子顯示器上出現，經分析確認是輸入信號場頻與等離子顯示器顯示場頻之間的差異造成的。等離子顯示器本身彩色顯示制式處理的信號場頻固定為60 Hz，而輸入信號的場頻為50 Hz，正是這10 Hz的差異，加上等離子顯示器特有的12子場驅動顯示技術，造成了圖像閃爍感。解決以上閃爍感可采取兩種方式：一是利用目前已在普通彩電上大量應用的變頻技術，將輸入信號場頻轉換為60 Hz，再輸入等離子顯示器；二是開發(fā)等離子顯示器的多種制式。4) 三電極結構彩

52、色等離子體顯示屏的驅動方法AC型彩色等離子體顯示屏以三電極結構為主，驅動電路如圖16-18所示。該結構包括兩個維持電極(即X電極和Y電極)和呈空間正交的選址電極。X電極同功率分配器相連，Y電極同掃描驅動集成電路相連。選址電極連接選址驅動集成電路以接受信息進行寫入。驅動集成電路有邏輯部分和高壓轉化部分，前者用于處理數據，后者則根據這些數據來提升電壓以達到工作電壓，并產生高壓和大電流。圖16-18三電極結構彩色等離子顯示屏的驅動電路42英寸彩色等離子體顯示屏的驅動電路以PD3001FD3233和PD3001FD3203為主，其主要特征如下：(1) 用硅棚C/DMOS(把CMOS和DMOS復合)工藝

53、制作，耐電壓高，攻耗低；(2) 使用兩層金屬配線技術，信號線和獨立線分別用了兩層金屬，可實現大電流和小型化；(3) 采用100腳扁平塑料封裝。PD3001FD3233和PD3001FD3203內含移位寄存器、鎖定電路和電平位移電路。移位寄存器主要用于把外部的串行信號變?yōu)椴⑿袛祿允辜呻娐烦蔀椴⑿休敵?；鎖定電路可將移位寄存器的并行輸出根據鎖定信號予以保存；電平位移電路用于將移位信號轉變?yōu)楦邏弘娖?，選址驅動器的輸出電平為60120 V，它可根據選址信號(STB)把鎖定信號保存的數據傳遞到電平位移電路。表16-3、表16-4分別列出了兩種選址驅動器和掃描驅動器集成電路的主要規(guī)格。表16-3選址驅

54、動器的主要特性表16-4掃描驅動器的主要特性16.2.3彩色等離子顯示器的驅動集成電路1. 性能功耗要求以AC-PDP為例，尋址驅動的輸出耐壓為60100 V，輸出電路源、漏電流都在1030 mA 之間，掃描驅動器輸出耐壓為150200 V，輸出源、漏電流均為200400 mA，其輸出電流大都取決于所采用的顯示屏的尺寸以及所驅動的顯示屏電極上所施加的切換脈沖。1) 邏輯部分驅動器邏輯部分的性能通常用移位寄存器(將串行信號變換為并行信號的電路)的最大時鐘工作頻率fmax來表示。在CMOS邏輯電路中，刪極長度越小，fmax越大，因此，集成電路芯片的面積和功耗越小越有利。目前，實用的驅動器邏輯部分的

55、刪極長度為1.02.5 m，fmax為2036 MHz，這對于HDTV和高精度的數據所必要的尋址驅動器而言，完全可以滿足其數據移位的要求。2) 彩色PDP驅動集成電路的功耗為了有效地發(fā)揮平面彩色PDP的特性，設計時應將無關的其他電子元器件的功耗設計得盡可能小，因為驅動器本身的功耗會給整個彩色PDP的顯示性能帶來影響。彩色PDP的電流部分的功耗分為三部分：邏輯部分、電平移位寄存器、高壓驅動部分。這三部分都應降低功耗。因顯示屏電容部分的充放電而產生高壓驅動電路的無效功耗，目前利用功率分散驅動方式(采用電流開關電路等)，已經能夠在100腳塑料封裝的自然散熱條件下滿足彩色PDP的顯示需求。3) 串擾現

56、象高耐壓CMOS驅動集成電路在系統(tǒng)中常常會出現相互串擾的現象。彩色PDP屏包括高壓電源在內一共有四組以上的電源系統(tǒng)。只要驅動電路使它們工作，就會產生很大的串擾噪聲，在系統(tǒng)間造成相互影響。此外，作為驅動區(qū)負載的彩色PDP顯示屏，在放電時和非放電時的狀態(tài)也截然不同，這也助長了串擾現象的發(fā)生。為了克服串擾現象，彩色PDP的驅動集成電路在設計和工藝上比普通的集成電路采取了更為嚴格的控制措施。例如，在開發(fā)集成驅動電路的同時開發(fā)特殊的耐高壓工藝，對于集成電路上的元器件結構設計和電路布局等，也都給予了特殊的注意。另外，還要盡可能地控制集成電路內的電容，切斷可能產生半導體開關元件作用的總線等。4) 功率回收在

57、彩色PDP的驅動過程中，需要盡可能地減少發(fā)光無效的功耗。除了放電能量向發(fā)光能量轉換產生的損耗外，無效功率主要來自電極的電阻部分和電容的充放電。上述兩種寄生負載電阻分量和電容分量的值是顯示器本身固有結構所決定的。從驅動器方面來改善電阻分量是不可能的，但是對于電容充放電的電能，驅動器可以設法回收一部分，這樣可以在驅動器內部設計功率回收電路，但要求在進行回收時驅動集成電路本身不能產生寄生負載。5) 電源順序在彩色PDP系統(tǒng)中，一共有四組以上的電源(其中包括高壓電源)共處在一個系統(tǒng)之中，電源依照規(guī)定時刻同步工作。在系統(tǒng)設計時，對于電源接通的順序以及發(fā)生錯誤工作時的保護等問題都要予以仔細地考慮。尤其是直接與彩色PDP顯示屏相連接的驅動器，如果發(fā)生錯誤動作，則不僅會破壞集成電路本身，甚至會毀壞顯示屏以致整個系統(tǒng)。因此，驅動器應當具備故障保護功能以及順序斷開電