（电路与系统专业论文）基于3MLA寻址技术的LCD控制IC的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制ic 的设计与实现 摘要 专业名称：电路与系统 申请人姓名：李顺方 导师姓名：周卫星 随着显示技术在工作和生活中的地位日益重要，作为新一代显示技术代表的 液晶显示( l c dd i s p l a y ) 技术也受到了更多的关注，其应用目前已经在以个人 计算机、移动通讯设备以及数码便携设备为主流的消费类电子市场上占据了绝对 优势。虽然以t f t - l c d 为代表的高端显示设备今年来发展迅速，但s t n l c d 以其低成本、低功耗的优势在移动通讯设备等消费电子领域仍然占有相当大的份 额。但是，如果使用s t n l c d 液晶显示器来显示动态影像，其反应速度仍嫌太 慢，以致无法满足与日俱增的多媒体需求。过去几年当中，从液晶材质着手，改 善液晶分子的反应速度以求提升其动态响应，仍然无法得到满意的结果。因为随 着液晶分子反应速度的加快，使用传统的方式来驱动液晶显示器将使得画面亮度 变低、对比变差甚至发生闪烁的现象。主动寻址技术是一种新的液晶显示器驱动 方法，可以用来克服上述之现象与问题，达到在快速反应的液晶面板上显示动态 影像的目地。但是传统的主动寻址的驱动方法存在着实现复杂度大、实现的成本 高的问题，特别是随着屏幕的尺寸变大，列数变多，硬件的大小亦随列数成正比 增加，最后使整个硬件线路变得十分庞大。因此，对于这类l c dp a n e l 的驱动需 要提供复杂度和代价( 成本) 适中的驱动方法。 本论文从l c d 驱动芯片的实际需求出发，系统地研究了s t n 液晶显示原 理和常用的驱动方法，对各种驱动方法的优缺点进行了比较，并创造性的提出了 一种基于改进主动寻址方式的驱动方法3 行同时选中的驱动方法用于解决传 基十3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 统的主动寻址驱动方法存在的驱动电压高、实现难度大、成本高等问题。整篇论 文里有几个关键的研究主题，包括：( 1 ) 通过矩阵运算来推导分析l c d 的驱动技 术，以此为基础，很容易了解使用主动寻址技术来显示灰度图像的原理及存在的 问题；( 2 ) 提出改进式主动寻址技术3 行同时选中的驱动方法。( 3 ) 对于 这种3 行同时选中的主动寻址技术，化简其数学模型，提出了一个通用的硬件架 构。 最后，为了展示所提及的技术及其可行性，根据项目的需要我们设计了一款 2 5 5 * 1 6 2 灰度为3 2 级( 5 b i t ) 基于3 行同时选中( 3 - w i r e m l a ) 的改进主动寻址 技术的驱动控制i c 。仿真以及f p g a 原型验证的结果表明该设计电路的设计完 全满足实际芯片的使用要求。目前使用该构架设计的芯片已经进入了量产阶段。 关键词：s t n l c d ；主动寻址；3 行同时选中；脉宽调制； i l 基于3 - m l a ： 址技术的l 西控制l c 的没计与实现 a b s t r a c t t h ed e sig n & im p l e m e n t a tio n 0 fl c d c o n t r o l l e rwit h3 - m l at e c h niq u e m a y o r ：c i r c u i t s y s t e m n a m e ：s h u n f a n gl i s u p e r v i s o r ：w e i x i n gz h o u t h ed i s p l a yt e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nw o r k i n ga n dl i f e ，a san e w g e n e r a t i o nl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c dd i s p l a y ) o nb e h a l fo fd i s p l a yt e c h n o l o g yh a s b e e np a i dm o r ea t t e n t i o n ，a n di th o l dt h ea b s o l u t es u p e r i o r i t yo fi t sa p p l i c a t i o no n p e r s o n a lc o m p u t e r s ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n ta n dd i g i t a lp o r t a b l ed e v i c e s f o rt h em a i n s t r e a mc o n s u m e re l e c t r o n i c sm a r k e t a l t h o u g ht h eh i g h - e n dd i s p l a y e q u i p m e n t sa st h er e p r e s e n t a t i v eo ft h et f t - l c d ，d i s p l a ya r ed e v e l o p i n gr a p i d l yt h i s y e a r ，t h e s t n l c dw i t hi t s l o w c o s t ，l o w p o w e ra d v a n t a g e si n t h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t ，a n do t h e rc o n s u m e re l e c t r o n i c sa r es t i l lc o v e r i n gal a r g e p a r t h o w e v e r , i fw eu s es t n l c dc r y s t a ld i s p l a yt od i s p l a yv i d e o ，i t sr e a c t i o ns p e e d w a ss t i l lt o os l o w , w h i c hc a nn o tm e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rm u l t i m e d i a o v e r t h ep a s tf e wy e a r s ，s t a r t e df r o mt h el i q u i dc r y s t a lm a t e r i a lt oi m p r o v et h er e a c t i o n s p e e do fl i q u i dc r y s t a lm o l e c u l e si no r d e rt oe n h a n c ei t sd y n a m i cr e s p o n s e ，s t i l lc a n n o tg e tas a t i s f i e dr e s u l t b e c a u s eo ft h ea c c e l e r a t i n gs p e e do fr e a c t i o no fl i q u i dc r y s t a l m o l e c u l e s ，i fw eu s et r a d i t i o n a lm e t h o d st od r i v et h el c ds c r e e n ，i t sb r i g h t n e s sw i l l b ec h a n g e de v e nl o w e r , a n di te v e nh a sb l i n k i n gp h e n o m e n o nc o m p a r e dt od e t e r i o r a t e a c t i v ea d d r e s s i n gt e c h n o l o g yi san e wm e t h o do fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd r i v e r , c a nb e u s e dt oo v e r c o m et h e s ep h e n o m e n aa n dp r o b l e m sa n da c h i e v et h ep u r p o s et od i s p l a y i i i 基f3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 t h ev i d e oi nr a p i dr e s p o n s e l c dd i s p l a y b u ti th a sp r o b l e mi na c h i e v i n gc o m p l e xa n d w i t hh i 曲c o s tb a s e do nt h et r a d i t i o n a la c t i v ea d d r e s s i n gm e t h o d ，e s p e c i a l l yw h e nt h e s i z eo ft h es c r e e na r ec h a n g e db i g g e r , a n dm o r er o w s ，t h es i z eo ft h eh a r d w a r ew i l l a l s ob ei n c r e a s e di nd i r e c tp r o p o r t i o nt oi t sr o w s ，f i n a l l yt h ee n t i r eh a r d w a r ec i r c u i t s w i l lb e c o m ev e r yl a r g et h e r e f o r e ，t h i st y p eo fl c d p a n e ld r i v en e e d san e w m e t h o d w i t hr e a s o n a b l ec o m p l e x i t ya n dc o s t s ( t h ec o s t ) t h i sp a p e rs t u d yt h es t n l c dt h e o r ya n ds t nl c dd r i v e rc o m m o n l yu s e d m e t h o d sb a s e do na c t u a ln e e d so fl c dd r i v e rc h i p s ，a n dr e s e a r c ht h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sm e t h o d so fd r i v i n g ，a n dp u tf o r w a r dc r e a t i v e l yan e w m e t h o d - - t h r e el i n e ss e l e c t e da tt h es a m et i m em e t h o db a s e do ni m p r o v i n gt h ea c t i v e a d d r e s s i n gm e t h o d ，t h ec h o s e nd r i v e rm e t h o dw i l ls o l v et h et r a d i t i o n a lp r o b l e m so n a c t i v ea d d r e s s i n gm e t h o d ，s u c ha sh i 曲v o l t a g e ，d i f f i c u l ta c h i e v e m e n t ，h i g hc o s te t c t h e r ea r es e v e r a lk e yr e s e a r c ht o p i c si nt h i sp a p e r , i n c l u d i n g ：( 1 ) f i r s t ，w ed e d u c e d f r o mt h em a t r i xt ot h ed r i v e ro fl c d t e c h n o l o g y , b a s i so nt h i s ，u s et h et e c h n o l o g yo f a c t i v ea d d r e s s i n gm e t h o dt os h o wt h ep r i n c i p l ea n dp r o b l e mo fg r a yi m a g ew h i c hw i l l m a k ei te a s yt ou n d e r s t a n d ( 2 ) a n dt h e n ，w eh a v ep r o p o s e dt oi m p r o v et h ea c t i v e a d d r e s s i n gt e c h n o l o g y - t h r e el i n e ss e l e c t e dd r i v i n gm e t h o da tt h es a m et i m e ( 3 ) f o r t h i st h r e el i n e ss e l e c t e da c t i v ea d d r e s s i n gt e c h n o l o g y , w es i m p l i f yt h e i rm a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n dp u tf o r w a r dac o m m o nh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e f i n a l l y , i no r d e rt od e m o n s t r a t et h et e c h n o l o g y , a n dr e f e r r e dt ot h e i rf e a s i b i l i t y , a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h ep r o j e c tw ed e s i g n e da2 5 5 木16 2d r i v e rc o n t r o li cw i t h 3 2d e g r e e s ( 5b i t ) g r a yb a s e do nt h r e el i n e ss e l e c t e da tt h es a m et i m e ( 3 一w i r e - m l a ) t oi m p r o v et h et e c h n o l o g yo fa c t i v ea d d r e s s i n gm e t h o d f p g ap r o t o t y p es i m u l a t i o n a n dv e r i f i c a t i o no ft h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h ec i r c u i td e s i g ni sf u l l ym e t t h er e q u i r e m e n t so ft h er e a lu s eo ft h ec h i p s ，i th a sa l r e a d ye n t e r e dt ot h em a s s p r o d u c t i o ns t a g eo f t h i sc h i pd e s i g n e db a s e do nt h i sf r a m e w o r k k e yw o r d s ：s t n l c d ；a c t i v ea d d r e s s ；3 - w i r e m l a ；p w m i v 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的揖导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 1 论文作者签名和叼蚴 e l 期：。跏莎年岁月多7e t 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文刁属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签衍争幔豇勿 e t 凝：c 沁8 年岁具巧e l 导师签名： 日期：加彦 日 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 第一章引言 液晶显示技术是2 0 世纪7 0 年代的伟大发明。它与大规模集成电路的结合， 使个人电子化产品得到了迅速普及，从而大大推进了信息产业的迅猛发展，同时 信息技术的迅速兴起，又为信息显示技术提供了广阔的市场和良好的机遇。液晶 显示( l c d ) 具有工作电压低、功耗小、显示信息量大、寿命长、易集成、方便 携带和电磁辐射污染小等优点，这使得l c d 逐渐成为平板显示技术领域的主导 技术。l c d 产业是继半导体产业之后新的强势发展产业，各国各地争相上马，作 为经营重点，已成为信息产业新的增长亮点。r e s o u c e s 市场调研公司发表的数字 表明，世界平板显示器市场将从1 9 9 8 年1 4 0 亿美元增长到2 0 0 8 年的1 0 0 0 亿 美元，年均增长率1 0 9 。l c d 独占8 0 以上，其中s t n l c d ( 超扭曲向列液 晶显示器件) 以其低成本、高可靠性成为液晶乃至整个平板显示技术领域的主流 产品之一。 1 1课题研究背景与意义 随着全球数字通讯技术的迅猛发展，便携式信息设备对显示提出了更高的要 求。人们不仅希望轻松地读取长篇幅的文本信息，而且希望在便携式信息设备上 观看高清晰的图片和视频图像等动态画面，这就要求液晶显示技术不仅仅要提供 高的显示分辨率，同时要具备高彩色、高对比度、快速响应和低功耗的特点。 s t n l c d 随着显示屏的尺寸增大、扫描行数增加，将会遇到诸如对比度变 差、功耗增加、帧响应变慢等一系列问题，严重影响了其在显示动态图片时的效 果，使s t n l c d 在便携式信息设备市场的应用，面临着巨大的挑战。 近几年来，s t n l c d 在制备工艺有了很大改进，技术上更加成熟，特别是新 材料和新工艺的采用，已经能够制造出响应速度较快的显示屏。但在快速反应的 s t n 液晶显示器中，在超过几帧期液晶分子将不再响应于均方根( r m s ) 的 电压【l 】。传统的驱动方法( 比如，a p t i a p t 驱动方式) 将导致在单帧中，液晶 分子的排列作出反应大与行选择脉冲。这就是所谓”帧反应现象”1 2 】【3 1 ，随着 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 s t n l c d 响应时间的减少，帧反应现象成为导致亮度、对比度和闪烁持续恶化 最主要的原因。 因此，要提高s t n 型l c d 的显示质量，仅仅改进显示材料的反应时间是不 够的，必须对相应的驱动方法进行改进。主动寻址【4 】就是一种新的解决这个问题 的方法，m l a ( m u l t i l i n e a d d r e s s i n g ) 多行寻址是一种主动寻址的方式，它通过把 单个大的行选择脉冲划分成多个小的脉冲分布到整个帧周期中，使用这种方法可 以有效的消除”帧反应现象”。 多行寻址( m l a ) 驱动方法具备低功耗、高对比度、响应速度快、串扰少 和宽温度范围等优点，可以在增加很少设计成本的基础上大幅提高s t n l c d 的 显示质量，使s t n l c d 能获得高质量视频图像。多行寻址驱动方法的使用扩大 了s t n l c d 的应用领域，使其能以价格优势与t f t l c d 竞争市场。 1 2l c d 驱动i c 发展的趋势 因为驱动i c 是l c d 的“动力源”，所以高性能的驱动i c 是高性能的l c d 的前提。自从2 0 世纪7 0 年代发现了液晶的t n 模式【5 】以来，简单矩阵式的l c d 驱动技术得到长足的发展。目前，彩色s t n l c d 的驱动系统主要包含5 大部 分：驱动电压的产生与调制部分、显示图像数据缓存、时序控制电路、行驱动器 和列驱动器。在未来，驱动i c 的主要发展趋势有 3 ：1 ) 低功耗；2 ) 低成本， 这一方面需要缩小芯片面积，另一方面需要减少外围元器件；3 ) 降低串扰，提 高显示质量；4 ) 集成更多的功能，以增加芯片的附加值【6 j 。 1 3课题研究目的 论文将是通过对多行寻址算法全面的分析与研究，探索一种适合于快速响应 型s t n l c d 显示屏的驱动电路的实现方法，实现低功耗、低的行驱动电压、少 的列驱动电压的显示驱动。 1 4论文的组织结构 本论文分为六章，其主要内容及组织如下： 2 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 第一章简要的介绍了本论文研究的背景和意义以及l c d 驱动i c 发展的趋势。 第二章首先对t n s t n 型l c d 显示原理进行了简要的介绍，接着系统介绍和 分析了目前常用的三种驱动方法。 第三章对改进的主动寻址方法3 w i r e m a l 的方法进行了详细的介绍，包 括m a l 的基本概念、3 - w i r e m l a 矩阵与运算、m l a 灰度实现的方法以及驱动 电压的计算，接着在这个基础上分析了三种常用驱动方法的优缺点 第四章主要介绍了3 - w i r e m l a 的硬件实现方法，具体包括：驱动矩阵的变 换的实现、矩阵运算逻辑的实现、行n 驱动控制电路的实现以及灰度控制电路 的实现 第五章主要介绍设计的仿真与f p g a 原型验证。 第六章对本论文进行了总结和展望。 基于3 - m i ai ，址技术的l c d 拎制i c 的设计1 j 实现 第二章s t n l c d 显示与驱动原理 2 1 s t n t n 型l c d 的显示原理 在探讨l c d 的驱动技术之前，我们必须对s t n t n l c d 的基本特性有所了 解。s t n t nl c d 的牿本原理是利用调节电压米改变液品分子的排列方向，进 而j 改变液品的光学特性。如图2 1 ，在无外电场的状态下，t n 型液品的棒状分 子呈水平指向，并存竖直力向扭转了9 0 。，在此状态| 、 液品具有旋光性，入 射光的偏振方向会随液晶分子水平指向的扭转而旋转。当施加一个竖直方向的外 加电场后，液晶分子的指阳在外电场的作用下发乍改变，分子指向变化为平行于 外电场的方向，此时，液晶分子的旋光性消失。s t n 型液晶与t n 型液晶的1 i i j 在于，无外电场时，s t n 型液晶的分子指向旋转角度是t n 型液晶的2 3 倍 5 1 。s t n 型液晶的显示原s $ 禾u j 用了双折射效应7 1 ，在对入射光的偏振状态的调 制方面具有同t n 型液晶类似的效果。图2 。1 示出了t n s t n 型液晶在无外电 场和外加电场条件下的分子排列情况。 图2 1 在无外电场和外加电场下t n 型液品s t n 型液晶的分子排列 这种不同扭曲角度的不同使得s t n - l c d 的电压一透光度( v - t ) 的曲线比t n l c d 的电压一透光度的曲线更陡峭，如图2 2 所示。 皋于3 - m l a ，址技术的l c d 控制i c 的没计j 实现 ， 零 、- 一 o u c 口 o e 忉 c 仍 i - r m , 9v o l t a g e ( v ) 图22s t n 与t n 型1 ，c d 的r m s 电压一透光度曲线 图2 - 3 是一幅具的s t n 1 1 n 型l c d 构造的截面幽。其主要部件包括偏光片、 透明电极( o ) 、滤光片、还有被填充在两片玻璃材料中液晶分子( l c m ) ，其 中透明电极被用于施加驱动所需要的行、列电压。 图2 4 位t n 型l c d 的显示原理图，下而简要的加以介绍( 为了简要，图2 4 仅仅以t n 型的l c d 为例。s t n 型的l c d 和t n 型的l c d 相似除了在无外加电场时 两者液晶分子的偏转角度不一样) 鹅光片 p o | a r i z e r 一 霞殛 e l e c t r o d e c o n d u c t i v ep a s t e ， l i q u i dc r y s t a l _ _ 液晶 p o l a r i z e r w 偏光片 鞲辆瓢粤璧鬻翌翌圈墅翌鬯鬯墅! 骂露圜 渤= = = = 葛= = 芋糊 坠三赢三羔三= 曼 配向貘 “* p o l y m e r 一文a 霞s s 璃 e l e c t r o d e 掺抠 p e r i m e t e rs e a e l e c t r o d e g l o s s 。_ _ _ r j玻璃 i 二二二二二 竺翌苎f e 拜e d o ， 图2 3s t n t n 型l , c d 的截面图 6 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计j 实现 p o l o r l i l r l ! t f i i t e r 罄 a i t c h n r n 硼l l 囝y 日节$ p 雷l 舔嗽i l _ 嘲 f l l t 它, 糟 图2 4 型t n 型i c d 的显示原理图 如图2 - 4 所示，刈- 、vj ：入射光的偏振片为起偏偏振片( 简称为起偏片) ，对 应于出射光的偏振片为检偏偏振片( 简称为检偏片) 。入射光经过起偏片后变为 线性偏振光，其偏振方向为水平方向。总的来说，液品分子的行为就像一个能控 制光线通过量的阀门。线性偏振光在无外加电场的情形下随液晶分子一同旋转9 0 度，因此在经过液晶层后，其偏振方向变为水平方向。如果起偏片和检偏片的光 轴方向相互垂直，那么光线便“i g v , 甜1 1 r , 通过检偏片，此时将显示处于亮态。当通过行 和列驱动电路对两个透日月电极施加电场后，由于液晶分子的旋光性消失，光线便 不能够通过检偏片，显示呈暗念。此即所谓的常白型l c d ，其特点是在未加电场 时l c d 处于亮态，当施加驱动电压后才能变暗。当然也存在常黑型l c d ，其特 点是在未加电场刚l c d 处于暗态。常暗型l c d 只需将两个偏置片按光轴方向互 4 i h i t - 行放置即可8 1 。 2 2s t n l c d 型显示器显示驱动方法 2 2 1 概述 从l c d 的显示原理可知，它利用液晶分子的各向异性和外场( 电或磁) 作用下 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 向列相变形的特性，依靠外电场的驱动，使液晶分子的初始排列状态发生改变， 调制通过液晶的外界光，从而达到明与暗的显示效果。对于l c d 显示器件的驱动 一般有以下两个特点【4 】【5 】【6 】【9 】： ( 1 ) 由于液晶具有有限的响应时间( 数毫秒到数百毫秒) ，即使电压波形 发生变化，瞬间出现分子排列变化是不可能的因此，l c d 一般响应于电压的均 方根平均( i w s ) 值。 透光率d ：v r m s ( 2 - 1 ) ( 2 ) 对于所有加在电极两端电压的平均值必须为零，否则将造成扭转的向 列结构将不可恢复。 一v = 0 ( 2 2 ) 最初的驱动法是对每一个点实施布线并施加电压，这种方法称为静念驱动法 【2 】【4 】。然而，静态驱动法具有极大的局限性。随着显示容量的增加，对所有的点 布线导致电路结构复杂度激增，使得这种方法难以实现。 目前使用的驱动l c d 显示的驱动方法主要有以下三种：h i f a s 的驱动方法、 传统的驱动方法以及主动寻址的驱动方法，下面对这三种方法做详细的阐述 2 2 2h i f a s 的驱动方法【3 】【6 】【1 0 】 在s t n l c d 中，行通常被称为c o m m o n ( 简称c o m ) ，列通常被称为s e g m e n t ( 简称s e g ) 。图2 5 给出了h i f a s 的驱动波形。h i f a s 法采取逐行扫描的方式， 逐一选中各行。当从第一行到最后一行都被选通一次后，实际上完成了一副图像 的显示，称为一帧。在正极性时，用一个很高的正脉冲+ f 选中某行，未选中的 行连接n o 电平；列方向送出显示数据，s e g 波形是摆幅为d 的方波，一d 对 应于点亮的点，+ d 对应于不点亮的点。而在负极性时，选中行的c o m 电压为 一f ，未选中行的c o m 电压为0 。点亮的点的s e g 电压为+ d ，不点亮的点的s e g 电压为一d 。对一个n 行m 列的点阵式l c d ，一帧内共包含n 个行选通周期。 注意到对第i 行、第i 列的像素点p i x e l ( i ，j ) ，无论是正极性还是负极性，在扫 描别的行时( 共n 1 个行扫描周期) ，p i x e l ( i , j ) 上的压差总是d ，而在扫描 本行时( 1 个行扫描周期) ，若p i x e l ( i , j ) 点亮( o n ) ，其压差是f + d ，若p i x e l ( i ：j ) 不点亮( o f f ) ，则其压差是f d 。因此，若像素p i x e l ( i j ) 点亮，则其 8 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制l c 的设计与实现 电压差v i j 的r m s 值为： 。 ( ) 嬲：r ( f + d ) 2 + 亚( n - 1 ) * d 2 ： 若像素点p i x e l ( i j ) 不点亮，则其电压差v i j 的i 洲s 值为： ( ) m ：( f - d ) 2 + 巫( n - 1 ) d z ： 因此，选择比( s e l e c t i o nr a t i o ) 为： s r ：监： y o 吓 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 为了获得最佳的显示质量，需取选择比最大值。因此，可以对式( 2 5 ) 求极大 值，可以获得当： ( 去) k = 届 s r 获得最大值为： s ri 印= ( 2 6 ) ( 2 7 ) 下面以我们项目中1 6 2 行的s t n l c d 为例来计算所需的驱动电压。设液晶的 阈值电压为2 v ，臣p v o f f = 2 v ，由式( 2 4 ) 及( 2 7 ) 有： 厂；= = ：_ = 一 4 ( 4 1 6 2 1 ) 2 + 1 6 1 1 6 2 d = 2 v 从而有：d 1 4 7 vf = 4 i 6 2 d 1 8 6 v 。 由式( 2 7 ) 可知，随n 增大，选择比下降，将导致对比度下降。另外，c o m 驱动电路工作电压摆幅为2 f ，而s e g 驱动电路的工作电压摆幅为2 d 。 9 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 蝣纠 v 8 辑 v 私 v s l v e 乞 图2 5h i f a s 的驱动波形 2 2 3 传统的的驱动方法( i a p t ) 这种驱动方法保留h i f a s 的逐行扫描的方式，将正极性的c o m 并i s e g 波形 整体向上平移+ d ，而将负极性的c o m 和s e g 波形整体向上平移+ f ，这样避 免了使用负驱动电压，且c o m 波形的电压摆幅被降低，更易于用集成电路工艺 制造驱动器。传统的驱动方法的驱动波形如图2 6 。容易发现，在这种驱动方法 中，点亮点的r m s 电压、不点亮点r m s 电压、选择l l s r 都与a p t 相同。由 于i a p t 中c o m 和s e g 的工作电压峰峰值都为( f + d ) ，因此i a p t 比a p t 消 耗更多的功耗。如图2 4 ，i a p t 共需要6 个驱动电平：+ ( f + d ) 、+ f 、f - d 、+ 2 d 、 + d 、0 。分别定义为v l c d 、v 5 、v 4 、v 3 、v 2 、v s s 。其中v l c d 由显示面板的行数 算得，v s v 2 可按如下公式得到【5 】 v ， 辙 携 7 4 、，骞 翁l 、妨 区亟丕习区歪国 |l 9 | _ _ _ 一 爿 蝴绷 厂厂 | ， 图2 6 传统的驱动波形图 1 0 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 2 2 4 主动寻址的驱动方法 在s t n - l c d 上，有两种主要的主动寻址技术去显示灰度图像。这两种驱动 方法分别是：脉冲高度调制( p h m ) 主动寻址技术和电压调锘i j ( r v m ) 主动寻址技 术。下面我们将就脉冲高度调制( p h m ) 主动寻址技术的数学原理进行描述，它 将有助于我们理解这种方法的优缺点。 任何的主动寻址技术都需要一组正交的函数同时去驱动l c d 行选择线 4 1 1 1 1 】【1 2 】。一种典型的正交函数集就是w a l s h 函数集，如图2 - 7 所示。假如我们选 择w a l s h 函数作为一个n x m ( n 行m 列) l c d 显示屏的行驱动信号，那么加在 第i 行的电压为： f i = v r * w i( 2 8 ) 这里， v i 正整数：1 i n ，形表示振幅为+ 1 或者1 w a l s h 函数 ( v a 芒v b ，形甄) ，v r 是行电压的幅度。在一帧内的行列电压的平均值，均 方根值以及内部产生的行驱动信号的信号可以表示如下： 矿一1 f v f l t = o ( 2 9 ) i 睇o = 专r k 2 出= 一 ( 2 一o ) e 弓= 专r e e 衍= f j2 = v 了。，, v v ，i = j c 2 一， 使用p h m 的主动寻址技术，施加在第j 列列电压可从所有的第j 列的像素数据 计算得到。 g j = 圪偿印聃，) ， 协1 2 ) = 圪 ( 气彬) + k + 。 ， ( 2 - 这里， k + 1 ) = ( 2 。1 3 ) v 正整数：1 j m ，u 表示值+ 1 或者一1 的灰度像素值，k + 1 ) j 是虚拟的行元素， 圪是列电压因子。把方程( 2 - 8 ) ( 2 1 3 ) 代入方程( 2 - 1 4 ) 和( 2 1 5 ) ，我们 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 摔制i c 的设计与实现 司以得到每个帧刷别t 施加在每个像素上的半均电压和r m s 电墟。 巧= 吾r ( k g j ) d t _ o ( 2 - 1 4 ) 、 j i l l = 亭f 嚼d t = ；r ( k g ，2 d t = 以2 2 1 u k + 曙 ( 2 1 5 ) 有方程( 2 1 4 ) 可知直流电压为零。前面2 1 必须确保直流电压为零这样子做的 目的是不损坏l c d 屏幕，在设计l c d 驱动芯片时必须考虑到这一点。方程( 2 1 5 ) 是关于，日的单调函数；因此，它可以被使用去表示灰度。把，u = + 1 和，u = 一1 代与方程( 2 1 5 ) 可以得到选择比( s r ) 的表达式。 艘= 雉= ( 2 1 6 ) 通过解方程( 2 1 6 ) ，我们可以得到最优的选择比【1 2 】，这个最优选择比和h i f a s 的选择比一样4 1 。 艘i 铆= ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 这里我们对p h m 主动寻址技术进行了数学描述。通过方程( 2 1 8 ) ，由最优选 择比方程( 2 1 7 ) 可以得到最大的灰度水平。但是，认真观察方程在方程( 2 1 2 ) 中的列信号和g ；，我们可以发现一些在硬件上实现的问题。 ( 1 ) l c d 面板行数n 的增大，g j 的最大值也随之增大。这意味着对于大行 数的s t n l c d 显示屏，列驱动波形的最大摆动随之增大。高电压的需求对于便 携式或手持式系统是一个不利的因素 ( 2 ) 和第一个问题相类似，随着s t n l c d 显示屏行数的增大，g j 动态变 换范围也跟着增加。对于一个需要高精度显示s t n l c d 屏幕，将使的硬件的实 现变的更加的复杂也需要更大的面积 ( 3 ) 列驱动信号的涉及到加、平方，开根的运算。随着s t n l c d 行数的 1 2 旦历 = 圪 当 基于3 - m l a 寻址技术的l c d 控制i c 的设计与实现 巨大的硬件问题将变的无法忍受 虽然，今天新的更先进的c m o s 工艺使的我们可以直接解决这个巨大面积 的问题，但是设计一个高压、高精度列驱动器仍然是一个挑战，因为这种先进的 工艺的操作电压依旧比较低，同时面积和成本也是一个问题 2 1 3 。广一 4 _ 厂 5 1 。广 r 一 6 厂 广 7 厂 厂 厂一 8 广 厂 广 9 1厂乙厂l 广1 广一 1 0 1 厂乙。厂 广l 厂1 11 厂 厂 厂 厂 广一 12 1 。厂1 。厂乞厂1 。n 。r 13 厂 。一r _ 1 厂乙r 1 广1 厂一 1 4 一r 。r 1 厂 。一，r 乙。厂1 广 。 15 厂 n 门n 门厂u 一 18 1n 厂 r 乙厂 厂1 ，。厂1 广、 7 。r 。厂 。厂1 。r 1 r 厂1 厂1广 1 81 广1 厂1 厂1 。门n 。，nn 。r 1 。 19 广1 。门门。r l 厂1r 1 门n广 2 01 r 门。门厂1 门。广1 门r 。门。 2 1 门广 。门门。厂 门r 广 门广 2 21 。门- lr 门门厂 门。r l 门f - 2 3 一n 门门 门厂1n 门 门一门 r 2 碡1 门广l _ n 门。厂1 门几厂1 几几。广1 2 5 _ 1 门门门n 。门门一几门n门厂 2 61 门。n 广1n 。门n 门广l 几。门门门。 2 7 门门nn 广 门门厂 n 门门门广 2 8 门门n 门门门门n门门nn 门 2 9 门门门门n 门nn 门几几门门广 3 0 几f 1 几几n n 几n 门几厂1 八几门 3 11 门n n 门nn 门 n 几门n 门n 门广 3 21 门几n n 几门门n 门。门n 门几n 八 夜 图2 73 2 阶的w a l s h 方程图 基于3 m l a 、，址技术的l c d 控制i c 的设计1 j 实现 2 3 串扰( c r o s s t a l k ) p a 上的电臻麓 h 上的电珏差 理想波形实际拔形 图2 8c r o s s t a l k 的产生 在l c d 中，由于各种各样的非理想因素造成的波形偏差会有损图像的品质。 串扰( c r o s s t a l k ) 是c s t nl c d 中损害显示质量的最主要的问题之一。由于液晶 电容和i t o 电阻，即便在理想的驱动源下，也存在信号传输的变形。而在 c s t n l c d 中，同一列的所有像素都受同一个信号源驱动，因而对某个给定的像 素，其行、列电极间的电压差实际上受到了同一列上的其它像素的影响。这种现 象称为串扰( c r o s s t a l k ) 13 1 。图2 8 示出了由于非理想因素，列电极上实际波形 对理想波形的偏差。从图2 8 可以看出，每次列电极信号的翻转都会对像素上的 r m s 电压下降产生贡献。考虑l c d 的两个列a ：f h b ，由于显示数据的不同，a 列的s e g 信号翻转次数高于b 列的s e g 信号翻转次数，那么a 列中的像素的 r m s 电压下降程度l l b 列大。假设a 列中的某像素p a 和b 列中的某像素p b 需 要显示相同的亮度，但由于c r o s s t a l k ，p a 的实际亮度低于p b 。为了降l k 王c r o s s t a l k ， l c d