（微电子学与固体电子学专业论文）qvga场发射视频显示驱动器的研制.pdf

o v g a 场发射视频显示驱动器的研制 专业 微电子学与固体电子学 学位申请人 彭洪伟 导师 邓少芝教授 摘要 平板显示技术是目前的主流显示技术 是显示领域国际竞争热点课题 显 示驱动电路技术是平板显示技术的核心技术之一 在技术实现上各研究机构都采 取知识产权保护措施 本论文以在研的场发射平板显示器件为对象 研究场发射 平板显示器周边驱动电路的相关技术 采用现场可编程逻辑器件 f i e l d p r o 铲a m m a b l eg a t ea r r a y 简称f p g a 设计实现基于q v g a 3 2 0 2 4 0 分辨 率的场发射平板视频显示驱动器电路 并在1 6 0 x 1 2 0 像素的场发射平板显示器件 上获得了功能验证 所设计的视频显示驱动器电路由两部分组成 即时序控制电路和行列驱动 电路 时序控制电路采用最近邻域内插算法对视频信号分辨率进行裁减 并采用 抖动灰度扩展方式 在列数据驱动电路使用的脉冲宽度调节方式的基础上扩展了 2 比特的灰度显示 使整个系统可以支持r g b 6 6 6 的视频数据格式 列数据驱动 电路完成显示屏的灰度调节功能及行列扫描功能 根据不同架构的功率匹配放大 电路 列数据驱动电路采用两种不同的输出接口方式 并行输出和准并行输出 另外 为了使显示驱动器具备参数可调节功能 在系统方案中增加1 2 c 接口自定 义目标显示屏的分辨率和对f e d 显示屏进行p w m 灰度校正 关键词 f e d q v g a 视频显示驱动器 功率匹配放大电路 脉冲宽度调节 抖动灰 度扩展 f p g a t i t l e t h ei m p l e m e n t a t i o no f v i d e od i s p l a yd r i v e r f o rq v g af i e l de m i s s i o nd i s p l a y s m a j o r m i c r o e l e c t r o n i c s a p p l i c a n t h o n g w e ip e n g s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs h a o z h id e n g a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo ff l a tp a n e ld i s p l a yh a sb e e no n eo ft h eh o ts u b j e c t so f i n t e r n a t i o n a la d v a n c e dr e s e a r c hi nd i s p l a yf i e l d t h ed r i v i n gc i r c u i tt e c h n o l o g yi so n e o ft h em o s ts u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e sf o rf e d a n dt h er e s e a r c ho r g a n i z a t i o nr e g a r d si t a sa ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i nt h ed i s s e r t a t i o n t h er e l a t e dt e c h n o l o g yo f t h ep e r i p h e r a l d r i v e ra n dc o n t r o lc i r c u i t sf o rf i e l de m i s s i o nd i s p l a y s f e d s i sm a i n l ys t u d i e d a n d as o l u t i o no fv i d e od i s p l a yd r i v e rf o rf e d so fq v g ar e s o l u t i o n 3 2 0 2 4 0 i s p r o p o s e db a s e do nf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f p g a t e c h n o l o g y t h es y s t e m f u n c t i o nv e r i f i c a t i o no f t h ev i d e od i s p l a yd r i v e rf o r1 6 0 x 1 2 0r e s o l u t i o nf e dh a sb e e n c a r r i e do u t t h ev i d e od i s p l a yd r i v e rc o n s i s t so ft w om o d u l e s w h i c ha r et i m i n gc o n t r o l l e r a n dc o l u m n r o wd r i v e r i nt h et i m i n gc o n t r o l l e r l i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o di sa d o p t e d t oc u td o w nt h ev i d e or e s o l u t i o n d i t h e r i n gt e c h n o l o g yi sa l s ou s e di nt i m i n g c o n t r o l l e rt oe x t e n dt h eg r a y s c a l eo fc o l u m nd a t ad r i v e r i nw h i c hp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n p w m i sa d o p t e d b y2b i t a tl a s t t h ev i d e od i s p l a yd r i v e ri sa b l et o s u p p o r t r g b 6 6 6v i d e o d i s p l a yf o r m a t a c c o r d i n gt o t h et w od i f f e r e n tp o w e r m a t c h i n ga m p l i f i e r s w ed e v e l o pt w ok i n d so fc o l u m nd a t ad r i v e r p a r a l l e lo u t p u ta n d q u a s i p a r a l l e lo u t p u t b e s i d e s i no r d e rt om a k et h ev i d e od i s p l a yd r i v e rc a nb ee a s i l y a d j u s t e d t h ei n t e r i c 1 2 c b u si n t e r f a c ei sa d o p t e ri nt h ev i d e od i s p l a yd r i v e r t h e u s e r sc a ne a s i l yd e f i n et h er e s o l u t i o no ft h ef i a tp a n e ld i s p l a ya n da d j u s tt h ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o no f f e d st h r o u g h1 2 ci n t e r f a c e k e yw o r d s f e d q v g a v i d e od i s p l a yd r i v e r p o w e rm a t c h i n ga m p l i f i e r p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n d i t h e r i n gt e c h n o l o g y f p g a 中山大学顽士研究生学位论文 1 1引言 第一章绪论 平板显示器件 f l a t p a n e ld e v i c e 简称f p d 具有薄型 轻质 微功耗等 优点 因此近年来受到广泛关注 发展异常迅速 已可与阴极射线管显示器 c a t h o d e r a yt u b e 简称c r t 相抗衡 成为2 l 世纪的主流显示技术 场致发射显示器件 f i e l de m i s s i o nd i s p l a y 简称f e d 是新一代真空平板 显示器件 它由阴极板 荧光屏和驱动电路等组成 当在阴极板上的阴极和栅极 之间加上驱动电压时 产生强电场 此时阴极发射电子并轰击阳极荧光屏上的荧 光粉而发光 通过扫描阴极和栅极可以使得阳极荧光屏上的荧光粉按一定的规律 自上而下逐行发光 由此显示出丰富多彩的图像 这种显示器件具有彩色 自然 逼真 响应速度快 分辨率高 功耗低等优点 可以广泛地应用于家电电视枧和 电脑显示器中 i 在整个平板显示系统中 驱动电路无论是在技术含量还是在价格比例上 所 占的份额均很大 所以研究和发展驱动技术对于平板显示器的实现具有非常重要 的意义 f e d 是在研的新型平扳显示技术之一 其显示驱动技术及其电路尚处 于研究阶段 存在很多技术难题需要解决 同时它也是本研究方向发展自主知识 产权和技术的源头之一 1 2f e d 显示屏及其驱动电路的发展和现状 1 2 1 场发射平板显示器概况 f e d 显示器件是一种新型平板显示器件 1 9 9 8 年美国p i x t e c h 公司有小批 量1 2 7 5i n c h 彩色f e d 显示器面市 目前国外各大显示器件公司又开始掀起 第二代f e d 研发热潮 日本伊势 佳能 东芝 双叶 日立 n h k f u c u b a n e c 韩国s a m s u n g o r i o n 英国p f e 等投入巨资研发大尺寸f e d 各大厂商 大多直接开发大尺寸 7 6e m 以上 f e d 在众多场致发射阴极方案中 碳纳米 中山人学彻 卅 生学k 论止 管场发射阴极是最吸引人的方案 在碳纳米管冷阴极f e d 研究方面 韩国的三 星公司投入最多人力物力 三星公司的 先进技术研究机构 s a m s u n g a d v a n c e d i n s t i t u eo f t e c h n o l o g y 简称s a i t 1 9 9 9 年推出了全世界第一个2 3c m 的彩色碳 纳米管f e d 样屏并发表了其规格 在最近义报道了采用碳纳米管阴极的8 1c m u n d e r g a t e f e d 屏 而s o n y 公司2 0 0 7 年公丌发布1 2 8 0 9 6 0 分辨率的f e d 样 机 如图卜l 所示 这些样机还有许多町以改进的地方 例如 碳纳米管场致发 射阴极存在均匀性和稳定性问题 使显示屏相邻像素亮度的不均匀性 3 目 前f e d 显示器尚未进入量产阶段i 引 图i 1 日本s o n y 公司研制的 1 9 2 i n c hf e d 样机埘 图1 2 福州大学2 5 英寸彩色 f e d 的视频显示照片 4 l 在中国 从事f e d 研发队伍中比较有代表性的研究单位主要有 中山大学 西安交通大学 清华大学 长春光机所 东南大学 华东师范大学 郑州大学和 福州大学等 其中福州大学f e d 研究组公布了其最新研制的2 5 英寸3 2 0 x 2 4 0 彩色f e d 场致发射显示器样机 如图1 2 所示 中山大学从1 9 9 6 年在场致发射 材料研制 相关物理理论和实验研究 场发射显示器件研制等方面都取得了很大 的进展 研制成功冷阴极像素管和3 2 x 3 2 6 4 x 6 4 1 6 0 1 2 0 像素的平板显示 结构 1 2 2 场发射平板显示器驱动电路概况 目前 l c d 显示器 等离f 显示器 有机电致发光显示器 o r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd i s p l a y 简称o l e d 等的驱动技术已经相当成熟 市场上有相应的驱 动芯片和完整的解决方案 然而由于f e d 的电特性和显示扫描特性与上述的几 中山大学硕士研究生学位论文 种显示器不同 其驱动电路技术需要解决 虽然f e d 有样机展示 但是关于这 些新型器件的驱动技术的报道较少 同时它也是各研究机构自主技术的内容 在研的f e d 显示器的电性能差异很大 根据不同工作电压的f e d 通常可 以采用两种方式构建驱动电路系统 对于较低工作电压 2 0 0v 的f e d 可 以利用驱动芯片或者专用高压驱动芯片开发f e d 驱动电路系统 例如国内福州 大学f e d 研究组成功应用s u p e r t e x 公司提供的h v 6 3 2 p g 2 5 6 级p w m 灰度调 制 和s t 公司的s t 7 6 9 7 芯片 4 实现了彩色动态视频显示 对于较高工作电压 高 于3 0 0 v 的f e d 由于现有的高压驱动芯片不能提供那么高的电压 因此需要 发展相关的高压驱动技术和电路 1 3本论文的研究内容及意义 如上所述 f e d 现在还处于研究阶段 没有现成的驱动电路可以直接提供 使用 虽然在开展f e d 驱动技术和电路研究过程中 有一些成熟的平板显示器 驱动技术可供借鉴 但由于在研阶段的f e d 器件的电特性存在很大差异 同时 具有知识产权的保护 因此需要自主根据具体的f e d 器件研究驱动电路方案 事实上 任何一种新型平板显示器件的出现 都会同时推出相关的驱动技术和电 路 本课题以在研的f e d 显示屏为对象 开展 3 2 0 x 3 x 2 4 0 q u a r t e rv i d e o g r a p h i c sa r r a y 简称q v g a 分辨率的场发射视频显示驱动器的研制 由于现阶段实验室的f e d 显示屏的工作电压还比较高 后级功率匹配放大 电路采用分立器件技术路线方案 随着工作电压的降低 3 0 0v 以下 功率匹 配放大电路可以采用高压驱动芯片的技术路线方案 这样可以大大地缩小电路面 积并降低功耗 因此 本论文视频显示驱动器的设计 需要考虑兼容上述两种功 率匹配放大电路的驱动 本课题还需要解决视频数据源与像素点驱动功率放大级 之 自j 的数据信号 显示控制时序的匹配问题 同时探索灰度显示和亮度调节的数 据处理技术 实现每个基色的通道支持6 4 级灰度显示的数据处理能力 中山夫学硕i 研究生学位论文 第二章场发射视频驱动器的工作原理 2 1 场致发射原理及器件 目前 f e d 主要有两种 s p i n d t f e d 微针尖 f e d 和c n t f e d 碳 纳米管 f e d 本文提出的驱动电路主要是针对于c n t f e d 因此下面只就 c n t f e d 的显示原理进行介绍 碳纳米管 c a b o nn a n o t u b e 简称c n t 是目前被认为能够在场发射平板 显示器实现实际应用的纳米材料 也是被认为是具有良好性能的场发射材料 因 此国内外研究机构在c n t f e d 研究中竞争激烈 在研的c n t f e d 按结构有二 极结构和三极结构两种形式 与二极结构相比 三极结构由于二栅极与阴极之间距 离很小 因此所需调制电压很低 在进行矩阵寻址时 可以用常规的驱动电路 而不必定制专用的驱动电路 从而大大降低了总体制作成本 图2 1 示出三极结 构的c n t f e d 的示意图 图2 1 三级结构的c n t f e d j 以图2 1 的f e d 器件结构为例 f e d 显示原理是通过在栅极和阴极 玻璃 基板上的c n t 加上驱动电压 产生电场并作用fc n t 使c n t 表面一部分电 子通过隧道效应进入真空 c n t 发射的电子在荧光屏高压的加速作用下 以高 能轰击荧光粉 便实现显示功能 中山大学硕士研究生学位论文 2 2 平板显示器的显示驱动方式 阵列结构是平板显示器最基本的一个特点 平板显示器最典型的模型如图 2 2 所示 它是由矩阵排列的显示单元组成 在c r t 显示中 电子束按照行顺序逐点扫描 平板显示器的显示也有采用 这样的逐点扫描方式 但是大多数采用逐行扫描方式 即进行 一次一行 方式 的寻址 这种寻址方式是首先对y j 行上的所有显示像素点 即 x l y i x 2 v j x i y i x m y j 单元 同时进行寻址 然后移动到y i 行的 显示单元点进行寻址 本文所研究的基于q v g a 的视频显示驱动器采用逐行扫 描方式 p中哥哥p争 p9 一 pp争争争p争铲 l 一 一 l 瞄 一 一 一 pp p 铲 p9 p pp p9pp 争p 一 一 中9争中 pppp p中 p p中pp中 图2 2 典型的平板显示器组织结构m 2 3 场发射视频显示器的灰度实现原理 f e d 单个像素点的发光亮度可以通过控制栅极 阴极间的电位差大小实现 也可以通过加载一个占空比可控的高压脉冲信号以改变像素点的总体发光时间 来控制其亮度 通过改变施加于栅极或阴极的电位大小柬控制发光亮度称为脉冲 幅度调制方式 p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 简称p a m 通过改变驱动栅极或 阴极的脉冲电压宽度来控制发光亮度称为脉冲宽度调制方式 p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n 简称p w m 通过改变驱动栅极或阴极的脉冲电压在几个图像帧中 中山人学硕 研究生学位论支 所占比例来控制发光亮度称为帧刷新率控制方式 f r a m er a t ec o n t r o l 简称 f r c 通过组合多像素为一个显示单元 并控制每个像素的灰度级来增加灰度 级别称为空间灰度调制方式 较常用的空 白j 灰度调制方式是抖动灰度控制法 在研阶段的f e d 显示屏需要较高的电压驱动 如果采用p a m 方式 灰度 显示控制电路实现上存在难度 截至目前 尚未见采用p a m 方式对f e d 显示屏 进行厌度调节的报道 而采用p w m 方式控制灰度显示显得更加合理 而且也比 较容易实现 但因为f e d 器件和功率匹配放大电路不能响应过窄的脉冲宽度 单纯采用p w m 调制方式难以得到高级别灰度显示 需要结合其他的从度控制方 式 因此 本文所研究的基于q v g a 视频显示驱动器结合p w m 调制和抖动灰 度扩展两种灰度控制方式实现6 4 级狄度显示 下面详细介绍p w m 欢度调试方 式和抖动灰度控制方式 2 3 1 脉冲宽度调试方式 p w m 方法是在扫描脉冲对应的数据脉宽中划出一个狄度调制脉冲 这个脉 冲的宽度可以划分为多个级别 不同宽度级别代表不同灰度信息 从而可以使被 选通的像素实现不同的灰度级别 实验表明数据咏冲宽度与其对应的平均亮度成 正比 脉冲宽度的等比例减小将实现亮度的等比例降低 7 j 下面以逐行扫描方式说明p w m 调制方式的原理 如图2 3 所示 脉冲1 是 选通行的扫描脉冲 与脉冲1 宽度相同的数据脉宽 图中咏冲2 将对应最高的 亮度 一般定义为最高灰度级数掘脉宽 把最高灰度级数据脉宽4 等分 脉冲3 和脉冲4 将分别对应厌度2 级和灰度l 级 脉冲4 厂 脉冲3 厂 l 脉冲 一 i 脉冲2 厂 t 丁 脉冲 一 l 脉冲1 厂 图2 3 脉冲宽度调制方式的灰度实现原理 l 级灰度 2 级灰度 4 级灰度 最高 灰度级脉宽 行 描咏冲 这种调制方法不仅町以在一个像素七实现灰度调制 而且町以很容易地通 6 中山大学硕士研究生学位论文 过数字电路控制将灰度信息携带在列显示数据信号脉冲上 电路实现非常方便 2 3 2 抖动灰度控制方式 抖动算法 d i t h e r i n g a r i t h m e t i c 是利用显示系统所支持的较少的颜色的特 殊组合来模拟图像中的更多颜色显示 当显示器的分辨率足够高 人眼离显示器 有一段距离 显示器上邻近像素的颜色会被人眼混合成一种显示器本身并不支持 的颜色 因此人眼可以感觉到显示器上实际上并没有显示的颜色i s 抖动算法是图像处理中比较流行而有效的方法和技术 产生抖动矩阵的标 准图案算法最先由l i m b 于1 9 6 9 年提出1 9 l 1 9 7 6 年r w f l o y d 运用抖动矩阵推导 了一种自适应算法来增加空间灰度 抖动灰度控制法已经在l c d 显示上取得 实用化 并能明显改善l c d 面板图像的显示效果 大大增加了图像显示的灰 度 并实现了人眼几乎不能察觉的平滑的显示效果 抖动算法是一种通过组合多像素为一个单元 并控制每个像素的灰度绒来 增加欢度的方法 它的原理如图2 4 所示 假如驱动系统中只有两个灰度级别 黑 自 通过图2 4 的组合 便可得到5 个灰度级 所咀 用这种算法可增加2 比特狄度级 组合方式 产生的灰度 圈2 4 抖动算法产生的灰度级 这种抖动算法能在一帧中增加灰度级 但却减少了图像的分辨率 因为多 个像素代表一个像素点的信息 这样 使用基本抖动灰度扩展方法会使分辨率减 少一半 中山大学硕 i 研究生学位论文 v i d e o 第三章场发射视频显示控制系统方案 显示器完成信息图像的显示 首先要有图像信息的输入 图像信号的来源 称为信号源 视频信号的信号源称为视频源 能直接得到的视频源有多种形式 计算机显示卡输出的模拟视频图像信号 激光视盘机 v c d 电视机 t v 数码帽机等视频设备所输出的全电视复合信号 c o m p o s i t ev i d e ob r o a d c a s t i n g s i g n a l s 简称c v b s 以及通过各种网络传输的编码数字视频信号 这些信号 源的来源和传输途径千变力 化 最终都要连接到显示设备 d 能完成显示过程1 1 2 1 3 1 场发射视频显示控制系统方案 一般情况下 场发射视频显示控制系统由视频解码板 视频显示驱动器 功率匹配放大电路三部分构成 如图3 1 所示 视频解码板负责模拟视频信号解 码 产生行 场同步信号 视频显示驱动器包含时序控制电路 t i m i n gc o n t r o l l e r 列数据驱动电路 c o l u m n d a t a d r i v e r 行扫描驱动电路 r o ws c a n n i n g d r i v e r 其中时序控制电路完成图像尺寸缩小 控制时序转换功能 狄度扩展功能 列数 据驱动电路实现p w m 调制和列驱动信号控制 行扫描驱动电路实现行扫描功 能 功率匹配放大电路提高驱动电压和驱动能力 以适合于场发射显示阵列 f i e l d e m i s s i o n a r r a y 简称f e a 的驱动显示 视频解码板视频显示驱动器 视视 薯 列数据 u 功 时序控制电路l 驱动电路 一 窒 匹 jq v g a 一 灰度扩展 配 控制时序转 放 彩色阵列 频 理磊 换 l 行寻址 u大 数 i p 1 路 据 懈 码 驱动电路 一 曩 图3 1 场发射视频显示控制系统框图 中山大学硕士研究生学位论文 本文研究的内容集中于视频显示驱动器的研制 即图3 1 中灰色部分电路实 现 包括时序控制电路和行列驱动电路的实现 3 2 视频解码板简介 3 2 1 视频解码板 1 3 1 4 i 视频解码板直接采用市场上商用的液晶电视驱动板 图3 2 为该视频解码板 的结构框图 该视频解码板接收模拟视频信号 经过1 1 公司的t v p 5 1 4 6 视频解 码后输出隔行扫描的视频信号 再经r 1 d 2 0 1 l 的去隔行处理和视频缩放处理后 输出适合于v g a 6 4 0 x 4 8 0 分辨率标准的f r r l 数字视频信号 而用户可以通 过微控制器s m 5 9 6 4 控制r t d 2 0 1 1 的屏幕菜单显示 o ns c r e e nd i s p l a y 简称 o s d 对显示屏的亮度 对比度 显示制式等进行控制 其中r t d 2 0 1 1 为台湾r e a l t e k 公司研制的液晶驱动芯片 该芯片兼容性和 稳定性及色彩的还原性等都超过了同等液晶驱动芯片的性能 而且该芯片还支持 t t l l v d s r s d s 等信号接口 圈3 2 视频解码板绪构框图 9 中山大学硕l 研究生学位论文 参数 如图3 3 为视频解码板的电路板外形图 下面列出该视频解码板的t 要性能 视频输入 c v b s 输入 a v 端f v g a 模拟信号输入 输出接口 标准数字信号 3 2 p i n f p c 接口 详细规范见3 2 2 节 显示颜色 r g b 6 6 6 即2 6 万色 显示模式 6 4 0 x 4 8 0 6 0h z 调节功能 亮度 对比度 水平位置 垂直位置 o s d 菜单 颜色调节 工作电压 d c l 2 v 图3 3 视频解码电路板 3 2 2 接口规范说明 视频解码板的输出接口主要有 i 种形式 标准数字信号 低压差分信号 l 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 简称l v d s 接口 小幅度摆动差分信号 r e d u c e d s w i n gd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g 简称r s d s 接口 图3 3 的视频解码板采用标准数 字信号接口 标准数字信号接口 在q v g a v g a 分辨率的应用中 视频解码板的输出接口大多采用标准数 字信号接口 因为该接口采用5v t t l 电平标准 易f 同其他设备连接 它的输 o 中山大学硕士研究生学位论文 出信号主要有6 比特数据信号 r 0 r 5 g 0 g 5 b 0 b 5 数据使能信号和行场 同步信号 d e h s y n c v s y n e 点时钟信号 d c l k 电源 v c c 和地 f i n d 其接口时序如图3 4 所示 i l f f n c d e h s y b c d e 厂 h 几r l h 一厂 厂 厂 l 0m 冈厂 k g b 1 5 0 鹄i i 一9 i j 他 twde i i 鹄 lj i i iii i i i i j t 枷 i i2345 i 一 iiii n n 1 n n n n i 叽 1 n 1 1 n 1 删 n 叫n 1 f 1 删1 哪 1 f l o n n n 1 n 1 图3 4 视频解码板接口时序 在帧刷新频率6 0h z 情况下 点时钟d c l k 的周期为1 0 6 6 0 6 4 0 4 8 0 5 4 惦 对于不同厂家的l c dp a n e l 对应的时间问隔规范有差异 但相差不大 下 面以v e r t e xl c dc o m p a n y 提供的v g a t f t l c dl v m l 0 4 v dd a t a s h e e t 4 1 为例 给出一个时 自j 间隔规范参考 如表3 1 所示 中山大学硕士研究生学位论文 表3 1 视频解码板接口时序的时间间隔规范1 1 5 1 参数符号 m i n t y p m u n i t 点时钟周期 1 t o2 1 o2 5 1 7 52 9 0m h z 帧周期 t v 5 1 5 t h5 2 5 t h 5 6 0 x t h v s y n c 脉冲宽度 t v w 1 t h 2 t h 可毒直前沿 t v f d l t h1 2 t h 垂直后沿 t v b p 4 x t h 3 1 x t h 水平周期 t h 7 7 0 t c8 0 0 x t c9 0 0 t c h s y n c 脉冲宽度 t h w 1 0 x t c9 6 x t c 水平前沿t h f p 2 x t c1 6 t e 垂直后沿t h b p 4 t c4 8 x t c d e 脉冲宽度 l a v d e 6 4 0 x t c6 4 0 t e 6 4 0 t c 低压差分信号 l v d s 接口l l 州 随着显示屏分辨率的提高 从v g a 到x g a 驱动电路的工作频率也相应 提高 这将增大从驱动电路中滋生的寄 电波 s p u r i o u s 产生较为严重的电磁 干扰 e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 简称e m i 噪声 为了降低e m i 噪声的发 生 现在通常使用l v d s 技术 该技术的特点是 工作电压低 在保证功耗和电 磁干扰最小的同时又能做到高速数据传递 并且由于发送的是差分信号 比起普 通信号来 它产 的噪音最小 另外 它也大大减少了接口信号线 小幅度摆动差分信号 r s d s 接 1 1 7 j r s d s 接口是美国n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司推出的接f 标准 它适合于 分辨率在v g a 与u x g a 之间或者更高分辨率的显示屏 与l v d s 一样 r s d s 也是低压差分信号 只是r s d s 有更小的信号摆幅和更低的功耗 3 3 功率匹配放大电路 f e d 显示器驱动电路的信号处理部分至要采用数字集成电路构成 而数字 集成电路的 t 作电压一般为5v 左右 这样的电瓜幅值与f e d 显示屏的工作电 中山大学硕士研究生学位论文 压相距甚远 因此在前级数字电路与显示屏之间需要有能起信号幅值放大和阻抗 匹配的功率匹配放大电路 这与等离子显示器p d p 和电致发光显示器e l d 类似 它们的后级驱动电压也需要高达几百伏 1 8 1 9 1 目前本课题组在研的二极结构f e d 显示屏的工作电压在5 0 0 v 8 0 0 v 之间 而三极结构的显示屏工作电压在2 0 0v 3 0 0v 之间 对于工作电压在5 0 0v 一8 0 0 v 之间的f e d 显示屏 需采用分立器件搭建功率匹配放大电路 而工作电压在 2 0 0 v 3 0 0 v 之间的f e d 显示屏 采用集成高压驱动芯片作为功率匹配放大电路 3 3 1 分立器件构建的功率匹配放大电路 根据f e d 显示屏 工作电压在5 0 0v 8 0 0v 之间 的电学参数和扫描频率 特性 对后级功率匹配放大电路的基本要求如下 l 能提供的电压范围为5 0 0v 1 2 0 0v 2 扫描显示模式下对功率匹配放大电路的频率要求 假如以6 0h z 刷新频率驱动一个3 2 0 x 2 4 0 像素 q v g a 分辨率 的平板阵 列 则驱动电路的行扫描频率为2 4 0 6 0 1 4 4k h z 每行的选通时间为 1 0 6 1 4 4 0 0 6 9l t t s 除去行消隐和场同步时间 实际工作时 每行的选通时 白j 大概 为6 5 雌 依照这一要求 功率匹配放大电路的工作频率不得低于1 5k h z 如图3 5 所示是行功率匹配放大电路的原理图 行功率匹配放大电路用来驱 动f e d 显示屏的栅极或者阳极 从图中可以看出 前级输出的行扫描脉冲信号 经过光耦隔离 开关功率晶体管放大后 并与1 0 0 0v 的直流高压叠加后输出 由于n p n 管的耐压特性较好 故开关功率晶体管采用n p n 管 图3 5 电路中 开关功率晶体管是核心器件 它自身的性能参数将决定着整 个功率匹配放大电路的性能和质量指标 2 0 l 由于功率匹配放大电路对开关频率的 要求相 高 所以需要选择集电极输出电容小的开关功率晶体管 s a n y o 半导 体公司提供的开关晶体管2 s c 4 6 3 6 适合本电路设计要求 6 除了选择晶体管参数外 优化的开关电路结构盯获得更高的工作速度 例 如 1 选择合适阻值的基极限流电阻r 3 改善开关晶体管的开通 截止特性 2 增加基极加速电容c l 在基极电阻上并联一个电容 适当选取参数使得发射 结等效电路与基极电路时间参数相等 可以改善晶体管开关电路的脉冲响应特性 中山人学硕十研究生学位论文 z q 3 采用双管推挽电路 通过两个晶体管轮流导通 分别控制丌关电路的上 升 下降时 日j 同时改善丌通 截止特性 鉴f 第 3 点会大大地增加电路体 积 不利于实现 故后级功率匹配放大电路只采用前两点改善电路开关性能 列功率匹配放大电路的原理图如图3 6 所示 它用于驱动f e d 显示屏的阴 极 它的结构与行功率匹配放大电路很相似 只是少了高压叠加电路 5 v t 8 0 0 v 1 0 0 0 v 几厂 n 厂 i 遵 o c 图3 5 行功率匹配放大电路 遵 o c 图3 6 列功率匹配放大电路 3 3 2 高压驱动集成芯片构建的功率匹配放大电路 随着等离子平板显示器进入市场 一螳芯片厂商经过多年的研究丌发 市 场上已经有多种高压驱动集成芯片出售 典型的有同本n e c 公司的i t p d l 6 3 3 7 和l a p d l 6 3 0 5 美国德州仪器公司的s n 7 5 5 8 3 1 和s n 7 5 5 8 3 4 s u p e r t e x 公司的 h v 7 6 2 0 和h v 5 3 0 8 s t 公司的s t v 7 6 9 7 b 等 这类芯片的输出电压范围在o 4 中山大学硕士研究生学位论文 2 5 0v 之间 输出源和漏电流在几十毫安到几百毫安之间圈 这类高压驱动集成芯片都有相似的内部结构 如图3 7 所示 它们的设计原 理大致相同 主要由低压移位寄存器和高压输出电路两部分组成 芯片的输入端 可以接收t t l 标准的输入信号 经过低压电路的快速移位和存储处理 形成数 据信号 控制芯片输出端的高压推挽电路的开关 最终输出显示屏需要的高压脉 冲1 2 3 j a 仃拉信 瓴存起 a 量嚣 出剿 鼻压电一 班 图3 7 高压驱动集成芯片构架吲 采用这类高压驱动集成芯片组建驱动电路 比较易于实现寻址与显示分离 的子场驱动显示 2 5 1 这符合等离子显示的驱动要求 但要采用这类芯片实现如 2 3 1 节描述的脉冲宽度调制却有点难度 这需要在前端的控制电路上做一些改 进 本课题组在研的三极结构的f e d 显示屏工作电压在2 0 0v 3 0 0v 之间 可 以采用这类高压驱动集成电路组建功率匹配放大电路 美国s u p e r t e x 公司推出的h v 6 3 2 p g 芯片是专用于场致发射显示器 聚合体 液晶 真空荧光管和电致发光显示器的图像数据驱动芯片 它采用脉冲宽度调制 方式实现灰度显示 具有2 5 6 级灰度控制功能 2 6 1 但h v 6 3 2 p g 的最高输出电压 只能达到8 0v 尚不能用在本课题组目前在研的f e d 显示屏 中山大学硕十研究生学位论文 3 4 视频显示驱动器 视频显示驱动器的设计是本论文的主体 从图3 1 中町以看出 视频显示驱 动器实现的功能与t f t l c d 模块基本相同 它们都可以接收视频解码板输出的 标准行场同步信号和显示数据 并把串行的显示数据调制成具有灰度信息的列数 据信号驱动平板显示屏工作 图3 8 示出t f t l c d 显示模块的一般结构 根据不同的模块 输入接口可 以接收视频解码板输出的三种形式的接口标准 详见3 2 2 节 输入的图像显示 信号经过时序控制电路 扫描驱动芯片和数据驱动芯片的处理后输出到t f t l c d 显示面板上 图3 8t f t l c d 显示驱动器结构1 2 7 i 为了与现行接口标准兼容 本文设计的视频显示驱动器也采用类似于如图 3 8 的结构 如图3 9 所示 由时序控制电路 行列驱动电路组成 时序控制电 路接收视频解码电路板送过来的标准数字视频信号 把6 4 0 4 8 0 分辨率的视频 图像缩小到适合于3 2 0 2 4 0 1 6 0 1 2 0 或者更低分辨率的目杯显示屏 在列数 据驱动电路支持4 比特灰度数据的基础上 采用抖动方式扩展了2 比特狄度显示 并产q 三行列驱动电路的控制信号 列驱动电路由叮扩展列数据驱动电路阵列和列 功率匹配放大电路组成 可扩展列数据驱动电路实现p w m 灰度调制和列驱动信 号控制 其输出的信号送至列功率匹配放大电路抬升电压以及电流匹配 最后产 生适合于f e d 显示阵列的列数据驱动信号 行驱动电路由行扫描驱动电路和行 6 中山大学硕士研究生学位论文 功率匹配放大电路组成 行扫描驱动电路实现行扫描功能 行功率匹配放大电路 提高驱动电压和实现电流匹配 图3 9 视频显示驱动器结构框图 下面分两章分别介绍时序控制电路和行 列驱动电路的设计 中山大学硕一 二研究生学位论文 第四章时序控制电路的设计和实现 平板显示器属于数字显示设备 不能像c r t 显示器那样支持多个分辨率的 显示模式 只有在显示圃面的分辨率跟平板显示器的分辨率一致时才能达到最佳 视觉效果 当显示小于最佳分辨率的画面时 采用两种方式来显示 一是居中显 示 另外则是扩大方式显示 但是这两种显示方式都未能使显示屏达到最佳的显 示效果 因此 为了解决信号输入和显示屏分辨率不匹配的问题 并在显示屏上 得到最佳的视觉效果 需要在平板显示器中集成缩放引擎1 2 s l 视频缩放逻辑模块 就是这样的图像缩放引擎 它将输入的不同分辨率图像缩放后以固定的分辨率输 出到平板显示器上 另外 由于列数据驱动电路采用p w m 方式进行狄度调制 在实现高级别 灰度显示时 会出现窄脉冲 这不利于后级功率匹配放大电路的实现 也会对 f e d 显示屏的频率响应提出苛刻的要求 所以需要在时序控制电路中增加抖动 灰度扩展方法 配合p w m 调制方式以实现高级别灰度显示 4 1 模块结构 时序控制电路的输入接口与视频解码板的输出接口兼容 都为标准的数字 信号接口 其详细的时序规范请参看3 2 2 节 时序控制电路的内部结构如图4 1 所示 微控制器根据目标显示屏的分辨 率 通过1 2 c 接口配置好行 列缩放寄存器 可配置视频缩放逻辑模块町以根据 用户要求把6 4 0 4 8 0 分辨率的视频图像缩小到适合于3 2 0 2 4 0 1 6 0 x1 2 0 或者 更低分辨率的目标显示屏 而抖动灰度扩展逻辑模块在列数据驱动电路支持4 比 特狄度数据的基础上 扩展了2 比特厌度数据 使整个视频显示驱动器町以支持 6 比特的狄度数据 即可支持6 4 级灰度显示 行扩展电路板控制信号发生器产 生行扫描启动脉冲s t p o u t 和移位时钟信号r o w r c k 行扫描启动咏冲s t p o u t 作 为一帧图像行扫描的丌始脉冲 启动行扩展电路板工作 移位时钟信号r o w r c k 为行扩展电路板的移位寄存器阵列的移位时钟 详见6 1 3 节 中山大学硕士研究生学位论文 图4 1 时序控制电路内部结构 4 2 可配置的视频缩放逻辑模块 视频解码板提供标准的v g a 分辨率的视频信号 而目前暂时不能提供如此 商分辨率的f e d 显示屏 故需要对视频信号进行相应的尺寸缩放处理 以适合 f e d 显示屏应用 为了使时序控制电路能兼容3 2 0 x 2 4 0 分辨率 1 6 0 x1 2 0 分辨 率或者分辨率更低的应用领域 需要设计可配置的视频缩放逻辑模块 4 2 1 几种视频尺寸缩放处理算法 视频缩放的算法有很多种口9 1 复杂的结构和算法虽然可以带来良好的显示 效果 但也使得设计周期增长 硬件实现难度增大 占用更多的电路逻辑资源 增加成本 且系统内在不稳定因素增多 虽然简单的算法容易实现 但处理后的 视频显示质量会大打折扣 所以 在选择视频缩放处理算法时 需要根据应用场 合和现行硬件条件等因素综合考虑 选择合适的算法 下面对常用的几种视频缩放算法进行介绍 4 2 1 1 最近邻域内插算法1 3 0 把图像缩小最直接的方式是每隔一行 或一列 删除一行 或一列 这种 缩放算法称为最近邻域内插算法 这种算法无论用软件还是硬件实现 都比较简 1 9 中山夫学硕i 一研究生学位论支 单 而且在缩放比例较小 行列等比例缩放的情况f 是完全町以接受的 但对于 高清数字电视和一些对显示质量要求很高或者不是等比例缩放的应用领域 不大 合适采用最近邻域内插算法 软件上实现最近邻内插算法很简单 对于一个目的图像像素g i j 根据缩 放的比例u 和v u 为列缩放比例 v 为行缩放比例 如行列都缩小一倍 则u v 都取值为0 5 通过计算得到源图像的浮点座标i i u j7 j v 对其进行简单 的取整 得到一个整数型坐标 这个整数型坐标对应的像素值就是目的图像的像 素值 即取如式4 1 所示 g i j f i7 j7 4 1 可见 最邻近插值简单且直观 但得到的图像质量不高 4 2 1 2 双线性插值算法 3 1 1 最近邻域内插算法是在源图像七寻找最靠近的像素并把它的灰度值赋给目 的图像的新像素 由于没有考虑源图像对应像素点近邻像素的影响 得到的图像 质量不高 而双线性插值算法考虑了源图像对应像素点近邻像素的影响 可以有 效地 平滑掉目的图像输出像素问的锯齿 2 8 软件上实现双线性插值算法与最近邻内插算法相似 都是通过计算后得到 目的像素对应的源图像的浮点座标 再进行取整 只是在对目的图像赋像索值时 考虑了源图像近邻像素的影响 目的图像的像素值豇i j 出源图像中坐标为 i 7 j7 i 1 j i j7 1 i 1 j 1 所对应的周围四个像素的值决定 如式 4 2 所示 g i j 1 u 1 v f i j 1 u v f i j7 1 u 1 v f i 1 j u v f i 1 j 1 4 2 其中f i j 表示源图像 i j 处的像素值 以此类推 双线性内插值法计算量大 但缩放后图像质量高 不会出现像素值不连续 的的情况 由于双线性插值具有低通滤波器的性质 使高频分量受损 所以町能 会使图像轮廓在一定程度上变得模糊 中山大学硕士研究生学位论文 4 2 1 3 边缘自适应图像缩放算法 3 2 1 经典的插值方法 如最近邻域内插 双线性插值 三次样条插值等插值后 的图像在物体的边沿会出现模糊或锯齿等现象 这是因为这些传统的图像缩放方 法的缩放过程使用了统一的数学模型 对于图像中物体的边缘部分高频信息有所 损失 研究表明 人眼对图像的边缘部分特别敏感 缩放后图像边缘的视觉效果 对一幅图像的质量有十分重要的影响 为使插值后图像的边缘保持良好的特性