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上海大学硕士学位论文 t f t l c d 时序控制器的研究与设计 摘要 随着液晶显示产业的蓬勃发展，显示器件步入液晶时代。无论是大尺寸的 显示器、笔记本电脑或液晶电视，还是小尺寸的高分辨率彩屏手机、p d a 、g p s 等，液晶面板正在蚕食其他类别的产品市场，进而实现统一局面。在液晶面板 快速发展的同时，产业链上下游也在不断协调进步，其中最为明显的是 t f tl c d 控制和驱动i c 需求的增长。 本文正是基于这样的背景，设计了一款针对s x g a 分辨率的t f tl c d 时 序控制器芯片，给出了该控制器的前端代码和f p g a 验证实现过程。该芯片采 用o p e n l d i 像素数据传输标准，支持单像素l v d s 接口输入，双像素r s d s 接 口输出。低压差分接口解决了高速数据无误差传送的问题。 本文首先对传统的l v d s 解串器进行了改进，仅利用锁相环的3 5 倍频时钟 解决数据的采样问题，而通常的做法是采用7 倍频时钟；其次，加入了支持1 2 c 总线标准的串行接口，可实时调整亮度对比度等的寄存器参数；再次，针对液 晶显示的三个特殊问题，依次设计了图像抖动、伽玛校正和过驱动处理等功能 模块。图像抖动处理解决了r 、g 、b8 位像素向6 位像素的转换问题，伽玛校 正解决了液晶的穿透率和外加显示电压呈非线性的问题。而过驱动设计解决了 液晶显示单元因电容冲放电缓慢而导致的图像拖影问题。最后，在所有的设计 通过软件仿真后，采用a l t e r a 公司的c y c l o n ei ie p 2 c 8f p g a 进行硬件验证。 实验表明，这款t f tl c d 时序控制器很好地实现了预期的功能，支持液晶显 示系统视频流长时间、高质量流畅播放。 关键词：时序控制器 抖动过驱动现场可编程门阵列 v 上海大学硕士学位论文 t f t l c d 时序控制器的研究与设计 a b s t r a c t 、斩t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h el c d i n d u s t r y , d i s p l a yd e v i c eh a sg o n et ot h e l i q u i dc r y s t a le r a n o to n l yt h el a r g es i z ed i s p l a y , n o t e b o o ko rl c dt v , b u ta l s o s m a l ls i z e ，h i 曲r e s o l u t i o na n dc o l o r f u lm o b i l e ，p d aa n dg p s ，l i q u i dc r y s t a lp a n e li s n o wn i b b l i n gt h em a r k e to fo t h e r d i s p l a yp r o d u c t s b e c a u s e o ft h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h el i q u i dc r y s t a lp a n e l ，t h ed e m a n do ft h et f t l c dc o n t r o l l i n g a n dd r i v i n gi ci si n c r e a s i n gs t e a d i l y t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h i ss i t u a t i o n 。w ed e s i g n e dat f c dt i m i n gc o n t r o l l e r f o rs x g ar e s o l u t i o n w ep r o v i d et c o n sv e r i l o gc o d ea n di t sp r o c e s so ff p g a v e r i f i c a t i o n t h i sc h i ps u p p o r t sd u a lp i x e ll v d si n p u t ，a n dd u a lp i x e lo u t p u t ，s o l v e s t h ep r o b l e mo fh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o nw i t h o u td a t ag l t o i t h i sd e s i g nf i r s t l ym a k e sa ni m p r o v e m e n to ft h et r a d i t i o n a ll v d sd e s e r i a l i z a t i o n , o n l yj u s tu s i n g3 5t i m e sf i e q u e n c yo ft h ep l l s e c o n d l y , w ea d da n1 2 cb u st os e t t h ep a r a m e t e r so ft h ei m a g ee n h a n c e m e n tb l o c k s ，i n c l u d i n gl i g h tc o n t r a s ta d j u s t m e n t ， i ts o l v e st h ec h a n g eo ft h ep i c t u r e sl i g h ta n dc o n t r a s tc a u s e db yd i f f e r e n tk i n d so f s c a l e ra l g o r i t h m f i n a l l y , w ed e s i g n e di m a g ed i t h e r i n gb l o c k ，g a m ae m e n d a t i o n b l o c ka n do v e r - d r i v eb l o c k t h ed i t h e r i n gb l o c kc h a n g e st h e8b i t sr g b p i x e l st o6 b i t so n e s g a m ae m e n d a t i o ns o l v e st h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n l i q u i dc r y s t a l p e n e t r a b i l i t ya n dt h ei n p u tv o l t a g e a n dt h eo v e r - d r i v ed e s i g ns o l v e st h ei m a g ed r a g c a u s e db yt h ec a p a c i t a n c e ss l o wc h a r g ea n dd i s c h a r g e a l lt h ed e s i g n sa r es i m u l a t e d b ym o d e l s i m ，a n dw eu s ea l t e r a sc y c l o n ei ie p 2 c 8f p g at os i m u l a t et h ec h i p h a r d w a r ev e r i f i c a t i o ns h o w s ，t h i st f t l c dt c o nc h i pr e a l i z e di t se x p e c t e d f u n c t i o n ，s u p p o r t i n gv i d e op l a yf l u e n t l y k e y w o r d s ：t i m i n g c o n t r o l l e r d i t h e ro v e r - d r i v ef p g a v i 上海大学硕士学位论文t f t l c d 时序控制器的研究与设计 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i i 上海大学硕士学位论文 t f t l c d 时序控制器的研究与设计 第一章绪论 液晶显示器的时序控制芯片【1 】【2 1 ( t i m i n gc o n t r o l l e r ，简称t c o n ) 是液晶显示 系统中的核心部件之一，对视频数据流的正确显示起决定作用。针对不同应用 场合的液晶显示屏，其对时序控制芯片的要求也截然不同。本课题设计的时序 控制芯片主要面向计算机终端蹶( t f tl c d ) ，它对芯片的工作频率和视频 显示质量有很高的要求，这是本次时序控制芯片设计的关键。 1 1 引言 早在1 8 8 8 年，奥地利植物学家莱尼茨和德国物理学家列曼发现了液副3 】【4 1 。 常态下，液晶呈现无序混浊状态，光线无法通过。当受到外界电场影响时，其 分子会产生精确的有序排列；如对分子的排列加以适当的控制，液晶分子将会 允许光线穿透。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：类似粘土状的s m e c t i c 液晶，类似细火柴棒的n e m a t i c 液晶和类似胆固醇状的c h o l e s t i c 液晶。这三种 液晶的物理特性各不相同，用于液晶显示器的是第二类的n e m a t i c 液晶，采用 此类液晶制造的液晶显示器被称为l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 。同属于彩色液 晶显示的范畴，它们有两种显示方式： 低成本的d s t n ( d u a l s c a nt w i s t e dn e m a t i c ，双扫描螺旋液晶) 技术； 高画质的t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ， 薄膜晶体管) 技术。 液晶显示器l c d 依据驱动方式的不同可分为有源矩阵液晶显示器 ( a m l c d ) 与无源矩阵液晶显示器( p m l c d ) ，其中t n 和s t n 液晶显示器 同属于无源矩阵显示器。t n 型液晶显示器的特点是快速响应，高对比度，缺点 是无法进行大容量显示，视角窄，因此它无法用于像电脑用显示器，手机之类 的产品，仅仅用于电子表，万年历之类的低档产品。s t nl c d 的特点是宽视角， 大容量显示，缺点是响应速度慢，因为多路驱动的存在使得s t n 的对比度要比 t n 下降很多。a m l c d 与p m l c d 的差别在于前者每个像素都加有开关器 件，以此做到完全的单独的控制一个像素点。因为可以单独控制一个像素点， 因此可以克服交叉干扰，将对比度提升至很高，灰度实现也更加容易，结果就 是可以轻易实现更鲜艳的色彩，得到高对比度、高分辨率和高质量的显示效果。 上海大学硕士学位论文t f t l c d 时序控制器的研究与设计 当前a m l c d 采用的是非晶硅( a $ i ) t f t 开关器件和存储电容方案，可以得到 高灰度级，实现真彩色显示。图1 1 所示为有源矩阵液晶面板的等效电路图。 s o l f f c ed r i v c r 上上上上 l _ 工 卜_ 厂_ l 口_ 厂- l 口一_ 厂_ l 口p 厂_ 乙口一_ 厂- l 日 广 甲甲甲 uu 上上l上l一i _ 厂_ l 口一 _ 广l 口1h _ 厂_ l 口- 厂一l 口 - 广 r 甲甲丫 uu 上上上上上i _ 厂_ l 力p 厂_ l 工 _ 厂_ l 工】_ 厂_ l 工 卜一厂l 口 广 甲甲丫 u v t 上上上l上 - l - n ii 广1 i 厂i 广i 广1 - 广 丫丫丫丫丫丫 图1 i 有源矩阵液晶面板的等效电路 1 2l c d 产业需求 从1 9 7 1 年的第一代t n 液晶显示设备诞生到现在第三代的t f t 显示器，液 晶显示产业得到了高速发展。d i s p l a ys e a r c h 预测，2 0 0 9 年，预计全球f p d 市 场产值将达到1 0 0 0 亿美元，其中8 0 以上将是t f tl c d 。在市场需求强劲的 带动下，全球l c d 显示器驱动i c 在2 0 0 5 年的出货量已超越4 0 亿颗，预计至 2 0 0 9 年出货量有近7 0 亿颗的规模。而在l c d 控制i c 部分，2 0 0 5 年全球出货 量则约有3 亿颗左右的规模。 l c d 驱动i c 不同于其他产品类别，在i c 设计、生产制造以及下游封装等 方面都有特殊要求，进入门槛较高。大部分i c 设计公司是从小尺寸驱动芯片入 手，整合为驱动、存储等多合一s o c 的控制芯片。此类设计对于逻辑电路部分 要求较高，而在高压、模拟等方面要求稍好一些，可以在0 1 8 微米左右的高压 生产工艺上生产，全球排名前五的晶圆代工厂都支持这样的生产工艺。但是对 于大尺寸t f t l c d 面板驱动i c 而言，设计、制造的门槛被进一步拉高。目前 国际上主要的供应商为三星、联咏、奇景、n e c 、o k i 以及m a n g a c h i p 。 t f t - - l c d 的控制i c 由于进入门槛较l c d 驱动i c 要高，涉及专利的问题 比较多，目前主要已由g n e s i s 、p i x e l w o r k s 、t r i d e n t 、p h i l i p s 、s t 等国际大厂 控制，而中国台湾地区厂商如联发科、晨星、凌泰、兆宏、联咏、瑞昱、凌阳、 上海大学硕士学位论文 t f t l c d 时序控制器的研究与设计 视传等厂家在小部分大屏幕和部分中小屏市场也取得了一定的份额。内地i c 设 计公司中，从事l c d 驱动控制i c 开发的厂商甚少，主要有深圳天利半导体、 t c l 、上广电、上海龙晶微电子和方益半导体、。目前上述的i c 设计公司几乎 是我国内地l c d 驱动i c 设计公司的全部，整体规模完全无法与香港晶门科技 以及在内地设立分部的台湾奇景、联咏相抗衡。 由以上的信息可知，国内在大屏幕t f tl c d 驱动控制方面芯片的设计几 乎是空白，然而国内市场对其的需求又是十分的巨大，正是出于这样的市场需 求，本课题研究设计了这款t f tl c d 时序控制器。 1 3l c d 控制器典型应用 目前个人桌面电脑的l c d 显示系统中t c o n 【5 】【6 】【7 】【8 】【9 1 典型应用如图1 2 所示，该系统通常支持d s u b 模拟v g a 信号接口和基于t m d s 最小跃迁差分 信号的d v i 标准接口；而对于笔记本电脑的显示系统，通常采用的是基于l v d s 低压差分信号的l d i 标准接口。图1 2 系统就是l c dm o n i t o r 的基本构成，包 括控制面板和显示面板，前面接口可以是模拟或数字的v g a 信号，经过a d c 或t m d s 芯片转换后变成2 4 b i t 的v g a 信号，另外包括显示时钟、垂直同步、 水平同步和数据使能信号等。s c a l e r 在m c u 和o s d 协助下完成图像缩放和 增强处理后，通过p a n e l 接口将信号送给显示面板，在时序控制模块作用下， 驱动显示到屏幕上。在该显示系统中，前面输入信号的接口在近些年有了长足 的发展，由支持模拟信号接口逐步发展到数字接口，因为模拟信号需要在发送 和接收端需增加d a c 和a d c 来实现数模信号之间的转换，这样必然存在着信 号失真，而数字信号的传输则可以避免这一缺陷，所以基于数字信号传输的接 口标准正成为l c d 显示系统的接口标准。常见的应用于l c d 显示数字信号传 输的接口标准包括：p & d 、d f p 、d v i 和l d i 接e l ，目前常用的是d v i 和o p e n l d i 接口。 上海大学硕士学位论文 t f t l c d 时序控制器的研究与设计 i o s di il 爿 r s d s s o u r c e a d c - - i * t c o n of p d s c a l e r t m d s 卜 r 讣i - o i m a g ep r o c e s s t i m i n gc o n t r o l l e r 1 p a n e l 害 l l t r l 控制芯片模组 而桁兼斗尴妇 m c u l n l o l ，l i 犬：；口 b a c kl i g h t 图1 2 个人桌面电脑的l c d 显示系统中t c o n 典型应用 1 4 本文研究内容及意义 本文是围绕上海市科委国际合作技术攻关基金项目“t f tl c d 平板显示器 扫描驱动的分形技术研究 而进行的。该课题重点研究基于o p e n l d i 标准的 l c d 时序控制器芯片设计与验证。由于这款芯片针对的是大屏幕的计算机终端 显示器，它的分辨率达到1 2 8 0 1 0 2 4 ，根据v e s a 的视频标准参数，分辨率1 2 8 0 1 0 2 4 的视频数据传输速率达到11 0 0 7 m h z 。因此，在追求高质量的图像显示 的同时，要充分考虑系统的时钟频率，使最终的芯片符合时钟的要求。本文基 于上述目的，成功的进行了基于o p e n l d i 标准的l c d 时序控制器芯片研究与 设计。并在f p g a 上进行了硬件验证。本人作为该项目组的一员，主要完成时 序控制器部分数字电路的设计与验证，完成的任务包括： 1 确认时序控制器是针对1 2 8 0x1 0 2 4 分辨率的t f tl c d 显示屏，数据接口 基于o p e n l d i 标准，l v d s 输入接口单通道设计、r s d s 输出接口双通道设 计。完成t c o n 数字部分功能的架构划分，m a t l a b 功能性仿真，划分子 模块，然后针对子模块进行r t l 级的代码设计。 2 提出了一种3 5 倍频7 b i t 数据的解串方法，很好地解决了高速数据的正确采 样。 3 为了完成r 、g 、b 数据8 位向6 位的转换，设计时研究了几种不同的算法， 并最终选择最优误差扩散算法进行硬件实现。 4 加入了1 2 c 接1 2 电路，使得亮度对比度参数可实时调整，用于弥补由于 s c a l e r 图像缩放而导致的图像亮度对比度的变化。 4 上海大学硕士学位论文t f t l c d 时序控制器的研究与设计 5 针对液晶显示物理特性，设计了伽玛校正电路并初步探讨了过驱动电路的原 理，两者主要通过查找表来完成。 6 采用t o p d o w n 综合策略对电路进行了综合与仿真，并结合项目组其他成员 的设计，搭建f p g a 测试平台进行硬件验证。 1 5 章节安排 第一章概述本文的研究背景，分析t f tl c d 时序控制器的产业需求和典 型应用，引出本文的研究内容，即基于o p e nl d i 标准的t f tl c d 时序控制器 芯片设计与验证。 第二章首先简要地对d v i 和o p e n l d i 接口进行比较，然后详细地介绍时序 控制器的输入输出l v d s 和r s d s 接口标准，最后分析了液晶显示系统两大模 组：控制芯片模组和面板芯片模组。着重对两大模组中与t c o n 芯片相连接的 s c a l e r 、s o u r c e 芯片做了详细的功能介绍。 第三章主要介绍应用于t f tl c d 显示系统的接口电路设计，包括l v d s 输入接口解串器和r s d s 输出接口发送器的设计。此外，详细地阐述了1 2 c 接 口标准，实现了支持该标准的串行寄存器组的设计。 第四章重点讲述时序控制器图像处理部分的内容，包括图像亮度对比度的 调整，液晶显示的伽玛校正以及图像抖动技术的研究与实现。 第五章是对整个时序控制器设计的硬件验证过程的描述。提出了一种新的 f p g a 硬件平台搭建方法。 第六章对全文工作进行总结。 上海大学硕士学位论文t f t l c d 时序控制器的研究与设计 第二章液晶显示系统介绍 2 1d v i 和o p e n l d i 接口比较 d v i 与o p e n l d l 是当今液晶显示器两大主流的数字接1 3 模式。d v i 是由 i n t e l 、c o m p a q 以及s i l i c o ni m a g e 等公司所主推的l c d 数字接口标准，该接1 3 主要架构在t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 技术上。而o p e n l d i 是由美国国家半导体所主推的l c d 数字接口标准，该接口主要架构在 l v d s ( i o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 技术t l o 】【1 1 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】上。 o p e n l d i 标准与d v i 标准最有可能成为l c d 显示系统数字接口的最有竞 争力的标准，o p e n l d i 标准采用的低压差分信号l v d s 数字接1 3 与d v i 标准采 用的最小转换差分信号t m d s 数字接口相比容易产生混淆，现从以下几个方面 进行比较： 1 输出驱动器的差别 l v d s 是推挽式的电流驱动器，电流从电缆的一端流入，从另一端流回， 因此在一对双绞线中，电流大小相等，方向相反，这种设计可以用来驱动双绞 线、双轴线等，产生的电磁干扰( e m i ) 较小。而t m d s 虽然也是差动式的设计， 但是电流在两端之间流动，其中直流电流只在线对的一边流动，因此要注意电 源线与地线靠近，这样可以减小e m i 。所以一般建议在双轴电缆的每对线上使 用屏蔽层来屏蔽e m i ，同时也提供了一个返回通路。屏蔽层增加了电缆的成本。 2 绞线对数和屏蔽方式 对于每个像素6 位的应用中，如果用l v d s 数字接口则需要3 对数据线和 一条时钟线，而用t m d s 数字接口也需要3 对数据线加上一条时钟线。对于每 个像素8 位的应用中，采用l v d s 数字接口需要4 对数据线和一条时钟线，而 使用t m d s 数字接口只需要3 对数据线加时钟线。在8 位双像素的应用中，使 用l v d s 数字接口需要8 对数据线和一个时钟线，而采用t m d s 数字接口只要 6 对数据线加时钟信号。对于不同的应用，t m d s 数字接口和l v d s 数字接口 6 上海大学硕士学位论文t f t l c d 时序控制器的研究与设计 用相同的电缆线对数或前者比后者少1 到2 对。但电缆成本并不仅与线对数目 有关，线的结构以及屏蔽层数量都直接影响成本。从成本上来看，由于双轴电 缆每一对线都需要一个屏蔽层，所以在l v d s 中使用双绞线比使用双轴电缆便 宜。 3 单时钟周期内数据的位数 每一时钟周期内传输的数据位数越低，则表示数据位宽越宽，i c 对较宽数 据位处理时具有更大的采样余量，以及更大的电压和温度容限。此外，信号频 率低，噪声频率也低，功耗也小。例如，在1 6 2 m h z 的时钟频率下，l v d s 数 字接口数据位宽为8 9 2 p s ，而t m d s 数字接口数据位宽为6 2 5 p s ，理想的数据位 余量为位宽的一半，分别为4 4 6 p s 与3 1 2 p s 。必须减去发送器脉冲位置变化、传 输抖动、内部连线延迟等因素。由于存在这些因素，因而有“p s 数越高越好 的说法。这两种时序如图2 1 所示。 图2 1l v d s 数字接口和t m d s 数字接口单个时钟时序图 4 代码带宽 在直流均衡模式下，l v d s 数字接口的效率为8 6 ，而t m d s 数字接口只 有8 0 。由于编码开销，1 6 0 m h z 双像素t m d s 数字接口应用中，要发送1 9 2 g b 非r g b 像素的无用数据信息。 5 转换最小化 上海大学硕士学位论文 t f t l c d 时序控制器的研究与设计 由于l v d s 数字接口在单时钟周期内传送7 位，传输速率低，在传输有效 数据时l v d s 数字接口并不会降低转换次数。在空闲期间，l v d s 数字接口芯 片组发送控制位( 包括行、场同步信号v s y n c 和h s y n c 以及d e ) ，并执行信 号校正。注意到这儿每帧中仅有两次时钟信号沿中转换。而t m d s 数字接口仅 在传输有效数据时会最小化转换次数。在空闲时间内t m d s 数字接口传输的位 串最大化转换次数，因而在c r t 兼容的时钟下，在空闲时间内每对线达到最大 的8 次转换。这会增加功耗并抵消在有效数据传输期间的增益。对某些状态的 研究表明，在典型数据模式下，将空闲时间计算在内，l v d s 数字接口比t m d s 数字接口有更少的转换。l v d s 数字接口具有较低的数据转换速率，而且相对 于t m d s 数字接口来说设计上较为简单，因此功耗较低。功耗低是l v d s 数字 接口的重要特点，在提高集成度的同时并没有增加功耗。 2 2l v d s 及r s d s 接口标准 基于2 2 节对d v i 和o p e n l d i 接v i 的比较，本文设计的t c o n 最终采用基 于o p e n l d i 接口标准，而o p e n l d i 标准主要基于l v d s 和r s d s 技术。 l v d s ( l o wv o l t a g e d i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 是一种低电压摆幅的差分信号技 术，它使得信号能在长距离的差分p c b 线对或平衡电缆上以几百兆赫兹的速率传 输。 l v d s 是目前高速数字信号传输的国际通用接口标准，分别于1 9 9 5 年和1 9 9 6 年在a n s 订w e 认和i e e e 两个国际标准化组织中获得通过。a n c t i a e l a 6 4 4 1 9 9 5 标准主要定义了l v d s 驱动器和接收器的电气特性，而未定义协议、互连和 连接器的细节，因为这些细节由特定的应用所确定。l v d s 标准工作组选择只定 义电气特性，以保证l v d s 能够成为多用途的接口标准。而i e e ep 1 5 9 6 3 1 9 9 6 则 主要面向s c i ( s c a l a b l ec o h e r e n ti n t e r f a c e ) ，不仅定义了l v d s 的电特性，还定义 了s c i 协议中包交换时的编码。在两个标准中都指定了l v d s 与物理媒质无关的 特性，这意味着只要媒质在指定的噪声边缘和歪斜容忍范围内发送l v d s 信号到 接收器，接口都能正常工作。 上海大学硕士学位论文t f t l e d 时序控制器的研究与设计 l v d s 的工作原理如图2 2 所示，l v d s 电路由驱动器和接收器以及终端匹配 电阻组成。m 1 、m 2 、m 3 和m 4 是尺寸、工艺相同的n m o s 管开关。驱动器的输 出接在阻值为1 0 0 q 的终端电阻上，构成回路。驱动器工作时，n m o s 开关m 1 和 m 4 以及m 2 和m 3 在c m o s 信号的作用下轮流导通和截止，在输出端产生士3 5 m a 的回路电流。绝大部分驱动电流将流经1 0 0 【2 的终端电阻，并在接收器输入端产 生大约3 5 0 m v 的压降。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接 收端产生了一个有效0 或“1 ”的逻辑状态。从而把一个c m o s 信号转换成了 l v d s 。 v d r _ - 驱 + = 图2 2l v d s 电路的工作原理图 图2 3 显示了在传输数据时c m o s 和l v d s 信号的不同波形，可以看出， c m o s 的电压是全摆幅，而l v d s 互补信号的电压摆幅很小，只有3 5 0 m v 。l v d s 信号的这个特点使其具有c m o s 以及其它信号无法比拟的优点。 d a t a 3 3 c m 0 s 0 v o1l1oll00 0 l v d s 臻4 5 v 二k 二二二 x 二二 二二二 图2 3c m o s 和l v d s 信号波形比较图 与t t l 、r s 4 2 2 、p e c l 、g t l 和c m o s 等接口信号相比，只有l v d s 信号同 时具有高速度、低噪声、低功耗、低成本和集成能力强等优点而无须折衷。 1 、高速度 l v d s 信号逻辑摆幅很小，一般只有3 5 0 m v 4 0 0 m v ，能非常快地改变状态， 9 上海大学硕士学位论文t f t l c d 时序控制器的研究与设计 所以传输速度可以很快。l v d s 驱动器能以超过1 5 5 5 m b p s 的速度驱动双绞线对， 距离超过1 0 m 。a n c i t i a e i a 6 4 4 标准中就推荐- t 6 5 5 m b p s 的大速率和1 9 2 3 g b p s 的无失真媒质上的理论极限速率。 2 、低噪声 l v d s 具有恒定电流、低电压摆幅、低边沿速率、奇模式差分信号等电气特 性，因而在传输过程中只产生很低的电磁干扰。而且，差分数据传输方式比单线 数据传输方式对共模输入噪声信号有更强的抵抗能力。如图2 4 所示，在两条差 分信号线上流经的电流和电压振幅相反，噪声信号同时祸合到两条线上，而接收 端只关心两信号的差值，于是噪声被抵消。另外，由于两条信号线周围的电磁场 也是相互抵消，故差分信号传输比单线信号传输电磁辐射小得多。 图2 4l v d s 共模输入嗓声的抵消原理 3 、低功耗 l v d s 使用恒定电流源驱动器，随着工作频率的增加，其电源电流仍保持平 坦，而c m o s 和g t l 技术的电源电流则随频率增加而呈指数上升。因此，恒定电 流驱动模式大大减少了l v d s 的功耗。从对负载功率的计算( 3 5 m a 电流乘以1 0 0 f l 终端电阻上的3 5 0 m y 压降) 可看到l v d s 仅有1 2 m w 的功耗。作为对比，g t l 在负 载电阻上有1 v 压降，负载电流为4 0 m a ，因而负载功耗为4 0 m w 。 4 、低成本 使用l v d s 的系统能在多个方面节省费用。l v d s 器件可采用经济的c m o s 工艺制造；采用低成本的c a t 3 电缆线和连接器件即可达到很高的速率：由于功耗 较低，电源、风扇以及其它散热开销大大降低；l v d s 产生极低的噪声，噪声控 制及e m i 等头痛问题迎刃而解；l v d s 可集成于a s i c 映 ，只需要简单的终端电阻， 并且这些电阻也可以集成到芯片之中，相对于为每条传输线配备多个电阻和电容 元件，这将大大降低所需的费用。l v d s 芯片往往把串行化器和解串行化器集成 l o 上海大学硕士学位论文 t f t l e d 时序控制器的研究与设计 在一起，来实现多个c m o s 信道和一个l v d s 信道的复用转换，以提高信号速率， 降低功耗，减少系统开销。与并行互连相比，大约能减少5 0 的电缆、连接器和 面积费用。 5 、集成能力强 由于可在标准c m o s t 艺中实现高速l v d s ，因此用l v d s 模拟电路集成复杂 的数字功能是非常有利的。l v d s 内集成的串行化器和解串行化器使它能在一个 芯片上集成许多通道。例如，它可把1 2 8 b i t s 芯片上的并行总线经过串行化后降 n 8 个差分通道。较窄的链路大大减少了引脚数量和链路的总费用。集成也受益 于差分信号。差分信号能容忍高电平的切换噪声，因而能用大规模数字电路进行 可靠的集成。恒定电流的输出模式使l v d s 只产生很低的噪声，因此能实现完整 的芯片接口系统。l v d s 的显著优势使得其应用范围远远超过那些传统器件，标 准l v d s 产品可广泛应用于计算机、通讯、消费电子、显示等领域。这些应用包 括： 1 1 ) 数据通信的可堆垒集线器； 2 ) 应用中的无线基站和a t m 交换机； 3 ) 机市场中的平板显示和服务器； 4 ) 机和数字复印机这类外设； 5 ) 应用中的高分辨显示； 6 ) 市场中的平板显示。 在这些应用中，高速数据在系统内或系统间传输。在系统内的数据传输是目 前l v d s 解决方案的主要应用领域。 r s d s 1 5 1 ( 低振幅差分信号传输) 是美国国家半导体公司显示器及监视器芯片 系列采用的主要技术，目前在图像传输系统中，由于传输图像数据量巨大，因此 对系统的数据传输速率有很高要求。尤其在数字图像传输系统中，其数据传输速 率高、传输通道多的特点使传统的低电压的差分信号l v d s 图像数据传输存在很 大的局限性。比如，物理层接口无法满足数据的传输速度；由于传输通道的增多 引起传输导线数量的增加导致系统功耗、噪声也随之增大等。因此，采用新的技 术解决多通道、高速数字图像数据传输成为必然趋势。低摆幅的差分传输技术， 上海大学硕士学位论文 t f t l c d 时序控制器的研究与设计 简称r s d s ( r e d u c e ds w i n gd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 为解决这一瓶颈问题提供了可 能。 r s d s 是一种低摆幅的差分信号技术，它使得信号能在差分p c b 线或平衡电 缆上以几百m b p s 的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功 耗。r s d s 信号的优势在于： 1 ) 电压小，只有0 2v ； 2 ) 走线宽度小，便于设计小型化的电路板； 3 ) 功耗低，延长了系统的寿命； 4 1 电磁辐射小，可省掉用于电磁兼容的器件； 5 ) 噪声低，保持了镜像信号； 6 ) 数据传输速率高，适合于数字图像传输与处理。 r s d s 信号的摆幅通常仅有2 0 0m v ，这非常适合于驱动大容量、高速率的平板显 示器。一个适用于t f tl c dx g a 分辨率的典型r s d s 接口电路如图2 5 。 it c o nl i l 一 1 )c ll 一 ll i c d i c d 2 l c d 3 li c d 4 ii c d 5l | c d 6i 图2 5 适用于t i l c dx g a 分辨率的典型r s d s 接口电路 2 3t f tl c d 显示系统组成 绪论1 3 节给出了个人桌面电脑的t f tl c d 显示系统框图。一个典型的 t f t l c d 显示系统包括两个部分：( 一) 控制芯片模组；( 二) 面板芯片模组。下面 分别简要介绍一下控制芯片模组和面板芯片模组的重要组成单元s c a l e r 和 s o u r c e 芯片的工作原理。s c a l e r 和s o u r c e 芯片的功能和接口方式与t c o n 有很大的影响，这样以便于更好地理解时序控制器所要完成的功能和接口。 2 3 1 控制芯片模组介绍 控制芯片模组主要有a d c ，t m d s ，o s d ，m c u 以及s c a l e r 。目前为止应 用于个人电脑的主机输出接1 2 主要还是模拟接1 ( v g a ) ，这就需要一个模数转换 器件，把主机输出的模拟信号转换成数字信号，以便后续的单元能进行进一步的 1 2 上海大学硕士学位论文 t f tl c d 时序控制器的研究与设计 处理。数据传输的发展方向是数字化( j t i t m d s 接口) ，t m d s 是一种微分信号机 制，可以将像素数据编码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器 按照t m d s 协议编码后通过t m d s 通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设 备。o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) 是屏幕显示技术的一种，用于在显示终端上显示字 符、图形和图像。实现的过程为：存储器( 一般为内存的一段) 的内容与显示终端 上的像素一一对应。这种一一对应的关系一般通过寄存器设置，然后由硬件上来 负责实现。对存储器内容的操作便改变了屏幕的像素，从而可以实现特定界面的 显示。m c u 通过标准的读写接口( 如1 2 c ) 来实时地配置和修改o s d 、s c a l e r 等内 部寄存器，并实时地读出内部寄存器的状态以便于芯片的调试。 s c a l e r 芯片是控制芯片模组中最重要的组成部分，其缩放的算法和硬件电 路形式决定着整个系统的缩放效果、图像质量、系统结构是否能够实现和芯片成 本。目前市场上的s c a l e r 产品有很多，例如台湾省t r u m p i o n 公司的 z u r c t 0 9 1 1 16 1 ，台湾省a v c r l o g i c 公司的a l 3 1 0 1 7 1 ，台湾省m y s o n 公司的 m t l 0 0 5 1 8 】和加拿大g e n e s i s 公司的g m 5 0 1 0 5 0 1 0 h 19 1 。这些芯片都应用了不同的 体系结构和缩放算法来实现缩放引擎。图2 6 所示为一个典型的s c a l e r 缩放引擎 结构图。 f 婚b y u v y ，l ， s c a l e i ilv p uv o u 2 a b i t d o w n 【l 僦i y u v _ 1 ( p r i m a r y 广 t s 怕咋s 撕竹恒t -_ d a c 。3 e 虐响 m u x l s t r e a m l l 能鬻i i i y u 、， s e l e = 叫蕾卜 is 潮u p i k t 1 g 湛响 m i x e r j t一帮 叫；黜 i 越 f 1 日n l d 嘲d ； r 船o n ic s cl a d , a , c l i v j j li 0 0n f 州a 0 叼 a h o 啦 t 。 + b u s 一 1h ， i r 坼e r o ao e o 1 2 c ti c o l r 口l 0 s og 们 一 二i 曩m t i m s o r a mc 。厅竹。l i 材 l 一 - 8 | u m i u t - 1 严。 图2 6 典型的s c a l e r 缩放引擎 通过分析定标器需要完成的基本功能和进出定标器的数据流格式，可以得到 上海大学硕士学位论文t f t l c d 时序控制器的研究与设计 一个系统结构的基本构成：输k ( n 量和数据捕获) 、缩放内核、图像增强处理、 时序控制和微处理器接口等。目前市场上现有定标器产品的结构也基本上大致相 同，只不过由于用户要求和应用环境的不同而各有特点，不同之处主要表现缩放 内核结构和图像增强模块结构。 s c a l e r 输出图像的效果和质量不仅取决于缩放算法，还取决于缩放后的图 像增强处理，因为缩放算法可能存在不足，需要图像增强处理来强化图像细节， 增强色彩渲染效果，提高图像显示质量，这些属于图像处理的范畴，都有相应算 法来实现。上图中的s c a l e r 芯片与t c o n 集成到了一起，然而本次设计把 s c a l e r 图像增强部分的设计( 主要包括亮度对比度调整、去抖动、伽玛校正等) 纳入到分离的时序控制器中。这样的设计大大地降低了难度，也使f p g a 调试验 证工作变得更加容易。 2 3 2 驱动芯片模组介绍 面板芯片模组主要包括列驱动 2 0 】【2 1 】 2 2 】【2 3 】和行驱动 2 4 】【2 5 】芯片。行驱动芯 片比较简单，它主要负责按顺序选定有源矩阵的每一行。其逻辑电路部分是移位 寄存器。列驱动芯片比较复杂，它要完成r s d s 数据的串并转换、锁存以及数模 转换，最终输出给有源阵列的每一列驱动端口。图2 7 给出了一个典型的列驱动 电路的框架： o u t lo l y r 2o 哪 o o r 4 7 8o u t 4 7 9o l y f 4 8 0 图2 7 典型的4 8 0 行输出的s o u r c e 驱动器 1 4 上海大学硕士学位论文t f t l c d 时序控制器的研究与设计 s o u r c ed r i v e r 所接收的是来i 刍t i m i n gc o n t r o l l e r 的数字显示数据，然而驱动 t f tl c d 需要模拟电压，于是s o u r c ed r i v e r 的本质就是完成d a 变换。以前曾经 有采用模拟接口的s o u r c ed r i v e r ，为采样保持结构；但受结构所限，不适用于大 屏幕t f tl c d 。现在主流s o u r c ed r i v e r 均为接收数字信号再转化成模拟电压的体 系结构。该芯片支持6 4 级灰度( 6 - b i t ) 显示，0 口2 6 2 1 4 4 色( 2 6 x 2 8 2 6 ) ，数据输入采 用6 b i t sx3 ( 1 个