（微電子學與固體電子學專業(yè)論文）qvga場發(fā)射視頻顯示驅(qū)動器的研制.pdf

o v g a 場發(fā)射視頻顯示驅(qū)動器的研制 專業(yè) 微電子學與固體電子學 學位申請人 彭洪偉 導(dǎo)師 鄧少芝教授 摘要 平板顯示技術(shù)是目前的主流顯示技術(shù) 是顯示領(lǐng)域國際競爭熱點課題 顯 示驅(qū)動電路技術(shù)是平板顯示技術(shù)的核心技術(shù)之一 在技術(shù)實現(xiàn)上各研究機構(gòu)都采 取知識產(chǎn)權(quán)保護措施 本論文以在研的場發(fā)射平板顯示器件為對象 研究場發(fā)射 平板顯示器周邊驅(qū)動電路的相關(guān)技術(shù) 采用現(xiàn)場可編程邏輯器件 f i e l d p r o 鏟a m m a b l eg a t ea r r a y 簡稱f p g a 設(shè)計實現(xiàn)基于q v g a 3 2 0 2 4 0 分辨 率的場發(fā)射平板視頻顯示驅(qū)動器電路 并在1 6 0 x 1 2 0 像素的場發(fā)射平板顯示器件 上獲得了功能驗證 所設(shè)計的視頻顯示驅(qū)動器電路由兩部分組成 即時序控制電路和行列驅(qū)動 電路 時序控制電路采用最近鄰域內(nèi)插算法對視頻信號分辨率進行裁減 并采用 抖動灰度擴展方式 在列數(shù)據(jù)驅(qū)動電路使用的脈沖寬度調(diào)節(jié)方式的基礎(chǔ)上擴展了 2 比特的灰度顯示 使整個系統(tǒng)可以支持r g b 6 6 6 的視頻數(shù)據(jù)格式 列數(shù)據(jù)驅(qū)動 電路完成顯示屏的灰度調(diào)節(jié)功能及行列掃描功能 根據(jù)不同架構(gòu)的功率匹配放大 電路 列數(shù)據(jù)驅(qū)動電路采用兩種不同的輸出接口方式 并行輸出和準并行輸出 另外 為了使顯示驅(qū)動器具備參數(shù)可調(diào)節(jié)功能 在系統(tǒng)方案中增加1 2 c 接口自定 義目標顯示屏的分辨率和對f e d 顯示屏進行p w m 灰度校正 關(guān)鍵詞 f e d q v g a 視頻顯示驅(qū)動器 功率匹配放大電路 脈沖寬度調(diào)節(jié) 抖動灰 度擴展 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 中山大學頑士研究生學位論文 1 1引言 第一章緒論 平板顯示器件 f l a t p a n e ld e v i c e 簡稱f p d 具有薄型 輕質(zhì) 微功耗等 優(yōu)點 因此近年來受到廣泛關(guān)注 發(fā)展異常迅速 已可與陰極射線管顯示器 c a t h o d e r a yt u b e 簡稱c r t 相抗衡 成為2 l 世紀的主流顯示技術(shù) 場致發(fā)射顯示器件 f i e l de m i s s i o nd i s p l a y 簡稱f e d 是新一代真空平板 顯示器件 它由陰極板 熒光屏和驅(qū)動電路等組成 當在陰極板上的陰極和柵極 之間加上驅(qū)動電壓時 產(chǎn)生強電場 此時陰極發(fā)射電子并轟擊陽極熒光屏上的熒 光粉而發(fā)光 通過掃描陰極和柵極可以使得陽極熒光屏上的熒光粉按一定的規(guī)律 自上而下逐行發(fā)光 由此顯示出豐富多彩的圖像 這種顯示器件具有彩色 自然 逼真 響應(yīng)速度快 分辨率高 功耗低等優(yōu)點 可以廣泛地應(yīng)用于家電電視枧和 電腦顯示器中 i 在整個平板顯示系統(tǒng)中 驅(qū)動電路無論是在技術(shù)含量還是在價格比例上 所 占的份額均很大 所以研究和發(fā)展驅(qū)動技術(shù)對于平板顯示器的實現(xiàn)具有非常重要 的意義 f e d 是在研的新型平扳顯示技術(shù)之一 其顯示驅(qū)動技術(shù)及其電路尚處 于研究階段 存在很多技術(shù)難題需要解決 同時它也是本研究方向發(fā)展自主知識 產(chǎn)權(quán)和技術(shù)的源頭之一 1 2f e d 顯示屏及其驅(qū)動電路的發(fā)展和現(xiàn)狀 1 2 1 場發(fā)射平板顯示器概況 f e d 顯示器件是一種新型平板顯示器件 1 9 9 8 年美國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 顯示器面市 目前國外各大顯示器件公司又開始掀起 第二代f e d 研發(fā)熱潮 日本伊勢 佳能 東芝 雙葉 日立 n h k f u c u b a n e c 韓國s a m s u n g o r i o n 英國p f e 等投入巨資研發(fā)大尺寸f e d 各大廠商 大多直接開發(fā)大尺寸 7 6e m 以上 f e d 在眾多場致發(fā)射陰極方案中 碳納米 中山人學徹 卅 生學k 論止 管場發(fā)射陰極是最吸引人的方案 在碳納米管冷陰極f e d 研究方面 韓國的三 星公司投入最多人力物力 三星公司的 先進技術(shù)研究機構(gòu) 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 簡稱s a i t 1 9 9 9 年推出了全世界第一個2 3c m 的彩色碳 納米管f e d 樣屏并發(fā)表了其規(guī)格 在最近義報道了采用碳納米管陰極的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 年公丌發(fā)布1 2 8 0 9 6 0 分辨率的f e d 樣 機 如圖卜l 所示 這些樣機還有許多町以改進的地方 例如 碳納米管場致發(fā) 射陰極存在均勻性和穩(wěn)定性問題 使顯示屏相鄰像素亮度的不均勻性 3 目 前f e d 顯示器尚未進入量產(chǎn)階段i 引 圖i 1 日本s o n y 公司研制的 1 9 2 i n c hf e d 樣機塒 圖1 2 福州大學2 5 英寸彩色 f e d 的視頻顯示照片 4 l 在中國 從事f e d 研發(fā)隊伍中比較有代表性的研究單位主要有 中山大學 西安交通大學 清華大學 長春光機所 東南大學 華東師范大學 鄭州大學和 福州大學等 其中福州大學f e d 研究組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 場致發(fā)射顯示器樣機 如圖1 2 所示 中山大學從1 9 9 6 年在場致發(fā)射 材料研制 相關(guān)物理理論和實驗研究 場發(fā)射顯示器件研制等方面都取得了很大 的進展 研制成功冷陰極像素管和3 2 x 3 2 6 4 x 6 4 1 6 0 1 2 0 像素的平板顯示 結(jié)構(gòu) 1 2 2 場發(fā)射平板顯示器驅(qū)動電路概況 目前 l c d 顯示器 等離f 顯示器 有機電致發(fā)光顯示器 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 簡稱o l e d 等的驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)相當成熟 市場上有相應(yīng)的驅(qū) 動芯片和完整的解決方案 然而由于f e d 的電特性和顯示掃描特性與上述的幾 中山大學碩士研究生學位論文 種顯示器不同 其驅(qū)動電路技術(shù)需要解決 雖然f e d 有樣機展示 但是關(guān)于這 些新型器件的驅(qū)動技術(shù)的報道較少 同時它也是各研究機構(gòu)自主技術(shù)的內(nèi)容 在研的f e d 顯示器的電性能差異很大 根據(jù)不同工作電壓的f e d 通?？?以采用兩種方式構(gòu)建驅(qū)動電路系統(tǒng) 對于較低工作電壓 2 0 0v 的f e d 可 以利用驅(qū)動芯片或者專用高壓驅(qū)動芯片開發(fā)f e d 驅(qū)動電路系統(tǒng) 例如國內(nèi)福州 大學f e d 研究組成功應(yīng)用s u p e r t e x 公司提供的h v 6 3 2 p g 2 5 6 級p w m 灰度調(diào) 制 和s t 公司的s t 7 6 9 7 芯片 4 實現(xiàn)了彩色動態(tài)視頻顯示 對于較高工作電壓 高 于3 0 0 v 的f e d 由于現(xiàn)有的高壓驅(qū)動芯片不能提供那么高的電壓 因此需要 發(fā)展相關(guān)的高壓驅(qū)動技術(shù)和電路 1 3本論文的研究內(nèi)容及意義 如上所述 f e d 現(xiàn)在還處于研究階段 沒有現(xiàn)成的驅(qū)動電路可以直接提供 使用 雖然在開展f e d 驅(qū)動技術(shù)和電路研究過程中 有一些成熟的平板顯示器 驅(qū)動技術(shù)可供借鑒 但由于在研階段的f e d 器件的電特性存在很大差異 同時 具有知識產(chǎn)權(quán)的保護 因此需要自主根據(jù)具體的f e d 器件研究驅(qū)動電路方案 事實上 任何一種新型平板顯示器件的出現(xiàn) 都會同時推出相關(guān)的驅(qū)動技術(shù)和電 路 本課題以在研的f e d 顯示屏為對象 開展 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 簡稱q v g a 分辨率的場發(fā)射視頻顯示驅(qū)動器的研制 由于現(xiàn)階段實驗室的f e d 顯示屏的工作電壓還比較高 后級功率匹配放大 電路采用分立器件技術(shù)路線方案 隨著工作電壓的降低 3 0 0v 以下 功率匹 配放大電路可以采用高壓驅(qū)動芯片的技術(shù)路線方案 這樣可以大大地縮小電路面 積并降低功耗 因此 本論文視頻顯示驅(qū)動器的設(shè)計 需要考慮兼容上述兩種功 率匹配放大電路的驅(qū)動 本課題還需要解決視頻數(shù)據(jù)源與像素點驅(qū)動功率放大級 之 自j 的數(shù)據(jù)信號 顯示控制時序的匹配問題 同時探索灰度顯示和亮度調(diào)節(jié)的數(shù) 據(jù)處理技術(shù) 實現(xiàn)每個基色的通道支持6 4 級灰度顯示的數(shù)據(jù)處理能力 中山夫?qū)W碩i 研究生學位論文 第二章場發(fā)射視頻驅(qū)動器的工作原理 2 1 場致發(fā)射原理及器件 目前 f e d 主要有兩種 s p i n d t f e d 微針尖 f e d 和c n t f e d 碳 納米管 f e d 本文提出的驅(qū)動電路主要是針對于c n t f e d 因此下面只就 c n t f e d 的顯示原理進行介紹 碳納米管 c a b o nn a n o t u b e 簡稱c n t 是目前被認為能夠在場發(fā)射平板 顯示器實現(xiàn)實際應(yīng)用的納米材料 也是被認為是具有良好性能的場發(fā)射材料 因 此國內(nèi)外研究機構(gòu)在c n t f e d 研究中競爭激烈 在研的c n t f e d 按結(jié)構(gòu)有二 極結(jié)構(gòu)和三極結(jié)構(gòu)兩種形式 與二極結(jié)構(gòu)相比 三極結(jié)構(gòu)由于二柵極與陰極之間距 離很小 因此所需調(diào)制電壓很低 在進行矩陣尋址時 可以用常規(guī)的驅(qū)動電路 而不必定制專用的驅(qū)動電路 從而大大降低了總體制作成本 圖2 1 示出三極結(jié) 構(gòu)的c n t f e d 的示意圖 圖2 1 三級結(jié)構(gòu)的c n t f e d j 以圖2 1 的f e d 器件結(jié)構(gòu)為例 f e d 顯示原理是通過在柵極和陰極 玻璃 基板上的c n t 加上驅(qū)動電壓 產(chǎn)生電場并作用fc n t 使c n t 表面一部分電 子通過隧道效應(yīng)進入真空 c n t 發(fā)射的電子在熒光屏高壓的加速作用下 以高 能轟擊熒光粉 便實現(xiàn)顯示功能 中山大學碩士研究生學位論文 2 2 平板顯示器的顯示驅(qū)動方式 陣列結(jié)構(gòu)是平板顯示器最基本的一個特點 平板顯示器最典型的模型如圖 2 2 所示 它是由矩陣排列的顯示單元組成 在c r t 顯示中 電子束按照行順序逐點掃描 平板顯示器的顯示也有采用 這樣的逐點掃描方式 但是大多數(shù)采用逐行掃描方式 即進行 一次一行 方式 的尋址 這種尋址方式是首先對y j 行上的所有顯示像素點 即 x l y i x 2 v j x i y i x m y j 單元 同時進行尋址 然后移動到y(tǒng) i 行的 顯示單元點進行尋址 本文所研究的基于q v g a 的視頻顯示驅(qū)動器采用逐行掃 描方式 p中哥哥p爭 p9 一 pp爭爭爭p爭鏟 l 一 一 l 瞄 一 一 一 pp p 鏟 p9 p pp p9pp 爭p 一 一 中9爭中 pppp p中 p p中pp中 圖2 2 典型的平板顯示器組織結(jié)構(gòu)m 2 3 場發(fā)射視頻顯示器的灰度實現(xiàn)原理 f e d 單個像素點的發(fā)光亮度可以通過控制柵極 陰極間的電位差大小實現(xiàn) 也可以通過加載一個占空比可控的高壓脈沖信號以改變像素點的總體發(fā)光時間 來控制其亮度 通過改變施加于柵極或陰極的電位大小柬控制發(fā)光亮度稱為脈沖 幅度調(diào)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 簡稱p a m 通過改變驅(qū)動?xùn)艠O或 陰極的脈沖電壓寬度來控制發(fā)光亮度稱為脈沖寬度調(diào)制方式 p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n 簡稱p w m 通過改變驅(qū)動?xùn)艠O或陰極的脈沖電壓在幾個圖像幀中 中山人學碩 研究生學位論支 所占比例來控制發(fā)光亮度稱為幀刷新率控制方式 f r a m er a t ec o n t r o l 簡稱 f r c 通過組合多像素為一個顯示單元 并控制每個像素的灰度級來增加灰度 級別稱為空間灰度調(diào)制方式 較常用的空 白j 灰度調(diào)制方式是抖動灰度控制法 在研階段的f e d 顯示屏需要較高的電壓驅(qū)動 如果采用p a m 方式 灰度 顯示控制電路實現(xiàn)上存在難度 截至目前 尚未見采用p a m 方式對f e d 顯示屏 進行厭度調(diào)節(jié)的報道 而采用p w m 方式控制灰度顯示顯得更加合理 而且也比 較容易實現(xiàn) 但因為f e d 器件和功率匹配放大電路不能響應(yīng)過窄的脈沖寬度 單純采用p w m 調(diào)制方式難以得到高級別灰度顯示 需要結(jié)合其他的從度控制方 式 因此 本文所研究的基于q v g a 視頻顯示驅(qū)動器結(jié)合p w m 調(diào)制和抖動灰 度擴展兩種灰度控制方式實現(xiàn)6 4 級狄度顯示 下面詳細介紹p w m 歡度調(diào)試方 式和抖動灰度控制方式 2 3 1 脈沖寬度調(diào)試方式 p w m 方法是在掃描脈沖對應(yīng)的數(shù)據(jù)脈寬中劃出一個狄度調(diào)制脈沖 這個脈 沖的寬度可以劃分為多個級別 不同寬度級別代表不同灰度信息 從而可以使被 選通的像素實現(xiàn)不同的灰度級別 實驗表明數(shù)據(jù)詠沖寬度與其對應(yīng)的平均亮度成 正比 脈沖寬度的等比例減小將實現(xiàn)亮度的等比例降低 7 j 下面以逐行掃描方式說明p w m 調(diào)制方式的原理 如圖2 3 所示 脈沖1 是 選通行的掃描脈沖 與脈沖1 寬度相同的數(shù)據(jù)脈寬 圖中詠沖2 將對應(yīng)最高的 亮度 一般定義為最高灰度級數(shù)掘脈寬 把最高灰度級數(shù)據(jù)脈寬4 等分 脈沖3 和脈沖4 將分別對應(yīng)厭度2 級和灰度l 級 脈沖4 廠 脈沖3 廠 l 脈沖 一 i 脈沖2 廠 t 丁 脈沖 一 l 脈沖1 廠 圖2 3 脈沖寬度調(diào)制方式的灰度實現(xiàn)原理 l 級灰度 2 級灰度 4 級灰度 最高 灰度級脈寬 行 描詠沖 這種調(diào)制方法不僅町以在一個像素七實現(xiàn)灰度調(diào)制 而且町以很容易地通 6 中山大學碩士研究生學位論文 過數(shù)字電路控制將灰度信息攜帶在列顯示數(shù)據(jù)信號脈沖上 電路實現(xiàn)非常方便 2 3 2 抖動灰度控制方式 抖動算法 d i t h e r i n g a r i t h m e t i c 是利用顯示系統(tǒng)所支持的較少的顏色的特 殊組合來模擬圖像中的更多顏色顯示 當顯示器的分辨率足夠高 人眼離顯示器 有一段距離 顯示器上鄰近像素的顏色會被人眼混合成一種顯示器本身并不支持 的顏色 因此人眼可以感覺到顯示器上實際上并沒有顯示的顏色i s 抖動算法是圖像處理中比較流行而有效的方法和技術(shù) 產(chǎn)生抖動矩陣的標 準圖案算法最先由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 運用抖動矩陣推導(dǎo) 了一種自適應(yīng)算法來增加空間灰度 抖動灰度控制法已經(jīng)在l c d 顯示上取得 實用化 并能明顯改善l c d 面板圖像的顯示效果 大大增加了圖像顯示的灰 度 并實現(xiàn)了人眼幾乎不能察覺的平滑的顯示效果 抖動算法是一種通過組合多像素為一個單元 并控制每個像素的灰度絨來 增加歡度的方法 它的原理如圖2 4 所示 假如驅(qū)動系統(tǒng)中只有兩個灰度級別 黑 自 通過圖2 4 的組合 便可得到5 個灰度級 所咀 用這種算法可增加2 比特狄度級 組合方式 產(chǎn)生的灰度 圈2 4 抖動算法產(chǎn)生的灰度級 這種抖動算法能在一幀中增加灰度級 但卻減少了圖像的分辨率 因為多 個像素代表一個像素點的信息 這樣 使用基本抖動灰度擴展方法會使分辨率減 少一半 中山大學碩 i 研究生學位論文 v i d e o 第三章場發(fā)射視頻顯示控制系統(tǒng)方案 顯示器完成信息圖像的顯示 首先要有圖像信息的輸入 圖像信號的來源 稱為信號源 視頻信號的信號源稱為視頻源 能直接得到的視頻源有多種形式 計算機顯示卡輸出的模擬視頻圖像信號 激光視盤機 v c d 電視機 t v 數(shù)碼帽機等視頻設(shè)備所輸出的全電視復(fù)合信號 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 簡稱c v b s 以及通過各種網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木幋a數(shù)字視頻信號 這些信號 源的來源和傳輸途徑千變力 化 最終都要連接到顯示設(shè)備 d 能完成顯示過程1 1 2 1 3 1 場發(fā)射視頻顯示控制系統(tǒng)方案 一般情況下 場發(fā)射視頻顯示控制系統(tǒng)由視頻解碼板 視頻顯示驅(qū)動器 功率匹配放大電路三部分構(gòu)成 如圖3 1 所示 視頻解碼板負責模擬視頻信號解 碼 產(chǎn)生行 場同步信號 視頻顯示驅(qū)動器包含時序控制電路 t i m i n gc o n t r o l l e r 列數(shù)據(jù)驅(qū)動電路 c o l u m n d a t a d r i v e r 行掃描驅(qū)動電路 r o ws c a n n i n g d r i v e r 其中時序控制電路完成圖像尺寸縮小 控制時序轉(zhuǎn)換功能 狄度擴展功能 列數(shù) 據(jù)驅(qū)動電路實現(xiàn)p w m 調(diào)制和列驅(qū)動信號控制 行掃描驅(qū)動電路實現(xiàn)行掃描功 能 功率匹配放大電路提高驅(qū)動電壓和驅(qū)動能力 以適合于場發(fā)射顯示陣列 f i e l d e m i s s i o n a r r a y 簡稱f e a 的驅(qū)動顯示 視頻解碼板視頻顯示驅(qū)動器 視視 薯 列數(shù)據(jù) u 功 時序控制電路l 驅(qū)動電路 一 窒 匹 jq v g a 一 灰度擴展 配 控制時序轉(zhuǎn) 放 彩色陣列 頻 理磊 換 l 行尋址 u大 數(shù) i p 1 路 據(jù) 懈 碼 驅(qū)動電路 一 曩 圖3 1 場發(fā)射視頻顯示控制系統(tǒng)框圖 中山大學碩士研究生學位論文 本文研究的內(nèi)容集中于視頻顯示驅(qū)動器的研制 即圖3 1 中灰色部分電路實 現(xiàn) 包括時序控制電路和行列驅(qū)動電路的實現(xiàn) 3 2 視頻解碼板簡介 3 2 1 視頻解碼板 1 3 1 4 i 視頻解碼板直接采用市場上商用的液晶電視驅(qū)動板 圖3 2 為該視頻解碼板 的結(jié)構(gòu)框圖 該視頻解碼板接收模擬視頻信號 經(jīng)過1 1 公司的t v p 5 1 4 6 視頻解 碼后輸出隔行掃描的視頻信號 再經(jīng)r 1 d 2 0 1 l 的去隔行處理和視頻縮放處理后 輸出適合于v g a 6 4 0 x 4 8 0 分辨率標準的f r r l 數(shù)字視頻信號 而用戶可以通 過微控制器s m 5 9 6 4 控制r t d 2 0 1 1 的屏幕菜單顯示 o ns c r e e nd i s p l a y 簡稱 o s d 對顯示屏的亮度 對比度 顯示制式等進行控制 其中r t d 2 0 1 1 為臺灣r e a l t e k 公司研制的液晶驅(qū)動芯片 該芯片兼容性和 穩(wěn)定性及色彩的還原性等都超過了同等液晶驅(qū)動芯片的性能 而且該芯片還支持 t t l l v d s r s d s 等信號接口 圈3 2 視頻解碼板緒構(gòu)框圖 9 中山大學碩l 研究生學位論文 參數(shù) 如圖3 3 為視頻解碼板的電路板外形圖 下面列出該視頻解碼板的t 要性能 視頻輸入 c v b s 輸入 a v 端f v g a 模擬信號輸入 輸出接口 標準數(shù)字信號 3 2 p i n f p c 接口 詳細規(guī)范見3 2 2 節(jié) 顯示顏色 r g b 6 6 6 即2 6 萬色 顯示模式 6 4 0 x 4 8 0 6 0h z 調(diào)節(jié)功能 亮度 對比度 水平位置 垂直位置 o s d 菜單 顏色調(diào)節(jié) 工作電壓 d c l 2 v 圖3 3 視頻解碼電路板 3 2 2 接口規(guī)范說明 視頻解碼板的輸出接口主要有 i 種形式 標準數(shù)字信號 低壓差分信號 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 簡稱l v d s 接口 小幅度擺動差分信號 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 簡稱r s d s 接口 圖3 3 的視頻解碼板采用標準數(shù) 字信號接口 標準數(shù)字信號接口 在q v g a v g a 分辨率的應(yīng)用中 視頻解碼板的輸出接口大多采用標準數(shù) 字信號接口 因為該接口采用5v t t l 電平標準 易f 同其他設(shè)備連接 它的輸 o 中山大學碩士研究生學位論文 出信號主要有6 比特數(shù)據(jù)信號 r 0 r 5 g 0 g 5 b 0 b 5 數(shù)據(jù)使能信號和行場 同步信號 d e h s y n c v s y n e 點時鐘信號 d c l k 電源 v c c 和地 f i n d 其接口時序如圖3 4 所示 i l f f n c d e h s y b c d e 廠 h 幾r l h 一廠 廠 廠 l 0m 岡廠 k g b 1 5 0 鵠i i 一9 i j 他 twde i i 鵠 lj i i iii i i i i j t 枷 i i2345 i 一 iiii n n 1 n n n n i 嘰 1 n 1 1 n 1 刪 n 叫n 1 f 1 刪1 哪 1 f l o n n n 1 n 1 圖3 4 視頻解碼板接口時序 在幀刷新頻率6 0h z 情況下 點時鐘d c l k 的周期為1 0 6 6 0 6 4 0 4 8 0 5 4 惦 對于不同廠家的l c dp a n e l 對應(yīng)的時間問隔規(guī)范有差異 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 為例 給出一個時 自j 間隔規(guī)范參考 如表3 1 所示 中山大學碩士研究生學位論文 表3 1 視頻解碼板接口時序的時間間隔規(guī)范1 1 5 1 參數(shù)符號 m i n t y p m u n i t 點時鐘周期 1 t o2 1 o2 5 1 7 52 9 0m h z 幀周期 t v 5 1 5 t h5 2 5 t h 5 6 0 x t h v s y n c 脈沖寬度 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 脈沖寬度 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 脈沖寬度 l a v d e 6 4 0 x t c6 4 0 t e 6 4 0 t c 低壓差分信號 l v d s 接口l l 州 隨著顯示屏分辨率的提高 從v g a 到x g a 驅(qū)動電路的工作頻率也相應(yīng) 提高 這將增大從驅(qū)動電路中滋生的寄 電波 s p u r i o u s 產(chǎn)生較為嚴重的電磁 干擾 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 簡稱e m i 噪聲 為了降低e m i 噪聲的發(fā) 生 現(xiàn)在通常使用l v d s 技術(shù) 該技術(shù)的特點是 工作電壓低 在保證功耗和電 磁干擾最小的同時又能做到高速數(shù)據(jù)傳遞 并且由于發(fā)送的是差分信號 比起普 通信號來 它產(chǎn) 的噪音最小 另外 它也大大減少了接口信號線 小幅度擺動差分信號 r s d s 接 1 1 7 j r s d s 接口是美國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 標準 它適合于 分辨率在v g a 與u x g a 之間或者更高分辨率的顯示屏 與l v d s 一樣 r s d s 也是低壓差分信號 只是r s d s 有更小的信號擺幅和更低的功耗 3 3 功率匹配放大電路 f e d 顯示器驅(qū)動電路的信號處理部分至要采用數(shù)字集成電路構(gòu)成 而數(shù)字 集成電路的 t 作電壓一般為5v 左右 這樣的電瓜幅值與f e d 顯示屏的工作電 中山大學碩士研究生學位論文 壓相距甚遠 因此在前級數(shù)字電路與顯示屏之間需要有能起信號幅值放大和阻抗 匹配的功率匹配放大電路 這與等離子顯示器p d p 和電致發(fā)光顯示器e l d 類似 它們的后級驅(qū)動電壓也需要高達幾百伏 1 8 1 9 1 目前本課題組在研的二極結(jié)構(gòu)f e d 顯示屏的工作電壓在5 0 0 v 8 0 0 v 之間 而三極結(jié)構(gòu)的顯示屏工作電壓在2 0 0v 3 0 0v 之間 對于工作電壓在5 0 0v 一8 0 0 v 之間的f e d 顯示屏 需采用分立器件搭建功率匹配放大電路 而工作電壓在 2 0 0 v 3 0 0 v 之間的f e d 顯示屏 采用集成高壓驅(qū)動芯片作為功率匹配放大電路 3 3 1 分立器件構(gòu)建的功率匹配放大電路 根據(jù)f e d 顯示屏 工作電壓在5 0 0v 8 0 0v 之間 的電學參數(shù)和掃描頻率 特性 對后級功率匹配放大電路的基本要求如下 l 能提供的電壓范圍為5 0 0v 1 2 0 0v 2 掃描顯示模式下對功率匹配放大電路的頻率要求 假如以6 0h z 刷新頻率驅(qū)動一個3 2 0 x 2 4 0 像素 q v g a 分辨率 的平板陣 列 則驅(qū)動電路的行掃描頻率為2 4 0 6 0 1 4 4k h z 每行的選通時間為 1 0 6 1 4 4 0 0 6 9l t t s 除去行消隱和場同步時間 實際工作時 每行的選通時 白j 大概 為6 5 雌 依照這一要求 功率匹配放大電路的工作頻率不得低于1 5k h z 如圖3 5 所示是行功率匹配放大電路的原理圖 行功率匹配放大電路用來驅(qū) 動f e d 顯示屏的柵極或者陽極 從圖中可以看出 前級輸出的行掃描脈沖信號 經(jīng)過光耦隔離 開關(guān)功率晶體管放大后 并與1 0 0 0v 的直流高壓疊加后輸出 由于n p n 管的耐壓特性較好 故開關(guān)功率晶體管采用n p n 管 圖3 5 電路中 開關(guān)功率晶體管是核心器件 它自身的性能參數(shù)將決定著整 個功率匹配放大電路的性能和質(zhì)量指標 2 0 l 由于功率匹配放大電路對開關(guān)頻率的 要求相 高 所以需要選擇集電極輸出電容小的開關(guān)功率晶體管 s a n y o 半導(dǎo) 體公司提供的開關(guān)晶體管2 s c 4 6 3 6 適合本電路設(shè)計要求 6 除了選擇晶體管參數(shù)外 優(yōu)化的開關(guān)電路結(jié)構(gòu)盯獲得更高的工作速度 例 如 1 選擇合適阻值的基極限流電阻r 3 改善開關(guān)晶體管的開通 截止特性 2 增加基極加速電容c l 在基極電阻上并聯(lián)一個電容 適當選取參數(shù)使得發(fā)射 結(jié)等效電路與基極電路時間參數(shù)相等 可以改善晶體管開關(guān)電路的脈沖響應(yīng)特性 中山人學碩十研究生學位論文 z q 3 采用雙管推挽電路 通過兩個晶體管輪流導(dǎo)通 分別控制丌關(guān)電路的上 升 下降時 日j 同時改善丌通 截止特性 鑒f 第 3 點會大大地增加電路體 積 不利于實現(xiàn) 故后級功率匹配放大電路只采用前兩點改善電路開關(guān)性能 列功率匹配放大電路的原理圖如圖3 6 所示 它用于驅(qū)動f e d 顯示屏的陰 極 它的結(jié)構(gòu)與行功率匹配放大電路很相似 只是少了高壓疊加電路 5 v t 8 0 0 v 1 0 0 0 v 幾廠 n 廠 i 遵 o c 圖3 5 行功率匹配放大電路 遵 o c 圖3 6 列功率匹配放大電路 3 3 2 高壓驅(qū)動集成芯片構(gòu)建的功率匹配放大電路 隨著等離子平板顯示器進入市場 一螳芯片廠商經(jīng)過多年的研究丌發(fā) 市 場上已經(jīng)有多種高壓驅(qū)動集成芯片出售 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 美國德州儀器公司的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 這類芯片的輸出電壓范圍在o 4 中山大學碩士研究生學位論文 2 5 0v 之間 輸出源和漏電流在幾十毫安到幾百毫安之間圈 這類高壓驅(qū)動集成芯片都有相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖3 7 所示 它們的設(shè)計原 理大致相同 主要由低壓移位寄存器和高壓輸出電路兩部分組成 芯片的輸入端 可以接收t t l 標準的輸入信號 經(jīng)過低壓電路的快速移位和存儲處理 形成數(shù) 據(jù)信號 控制芯片輸出端的高壓推挽電路的開關(guān) 最終輸出顯示屏需要的高壓脈 沖1 2 3 j a 仃拉信 瓴存起 a 量囂 出剿 鼻壓電一 班 圖3 7 高壓驅(qū)動集成芯片構(gòu)架吲 采用這類高壓驅(qū)動集成芯片組建驅(qū)動電路 比較易于實現(xiàn)尋址與顯示分離 的子場驅(qū)動顯示 2 5 1 這符合等離子顯示的驅(qū)動要求 但要采用這類芯片實現(xiàn)如 2 3 1 節(jié)描述的脈沖寬度調(diào)制卻有點難度 這需要在前端的控制電路上做一些改 進 本課題組在研的三極結(jié)構(gòu)的f e d 顯示屏工作電壓在2 0 0v 3 0 0v 之間 可 以采用這類高壓驅(qū)動集成電路組建功率匹配放大電路 美國s u p e r t e x 公司推出的h v 6 3 2 p g 芯片是專用于場致發(fā)射顯示器 聚合體 液晶 真空熒光管和電致發(fā)光顯示器的圖像數(shù)據(jù)驅(qū)動芯片 它采用脈沖寬度調(diào)制 方式實現(xiàn)灰度顯示 具有2 5 6 級灰度控制功能 2 6 1 但h v 6 3 2 p g 的最高輸出電壓 只能達到8 0v 尚不能用在本課題組目前在研的f e d 顯示屏 中山大學碩十研究生學位論文 3 4 視頻顯示驅(qū)動器 視頻顯示驅(qū)動器的設(shè)計是本論文的主體 從圖3 1 中町以看出 視頻顯示驅(qū) 動器實現(xiàn)的功能與t f t l c d 模塊基本相同 它們都可以接收視頻解碼板輸出的 標準行場同步信號和顯示數(shù)據(jù) 并把串行的顯示數(shù)據(jù)調(diào)制成具有灰度信息的列數(shù) 據(jù)信號驅(qū)動平板顯示屏工作 圖3 8 示出t f t l c d 顯示模塊的一般結(jié)構(gòu) 根據(jù)不同的模塊 輸入接口可 以接收視頻解碼板輸出的三種形式的接口標準 詳見3 2 2 節(jié) 輸入的圖像顯示 信號經(jīng)過時序控制電路 掃描驅(qū)動芯片和數(shù)據(jù)驅(qū)動芯片的處理后輸出到t f t l c d 顯示面板上 圖3 8t f t l c d 顯示驅(qū)動器結(jié)構(gòu)1 2 7 i 為了與現(xiàn)行接口標準兼容 本文設(shè)計的視頻顯示驅(qū)動器也采用類似于如圖 3 8 的結(jié)構(gòu) 如圖3 9 所示 由時序控制電路 行列驅(qū)動電路組成 時序控制電 路接收視頻解碼電路板送過來的標準數(shù)字視頻信號 把6 4 0 4 8 0 分辨率的視頻 圖像縮小到適合于3 2 0 2 4 0 1 6 0 1 2 0 或者更低分辨率的目杯顯示屏 在列數(shù) 據(jù)驅(qū)動電路支持4 比特灰度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上 采用抖動方式擴展了2 比特狄度顯示 并產(chǎn)q 三行列驅(qū)動電路的控制信號 列驅(qū)動電路由叮擴展列數(shù)據(jù)驅(qū)動電路陣列和列 功率匹配放大電路組成 可擴展列數(shù)據(jù)驅(qū)動電路實現(xiàn)p w m 灰度調(diào)制和列驅(qū)動信 號控制 其輸出的信號送至列功率匹配放大電路抬升電壓以及電流匹配 最后產(chǎn) 生適合于f e d 顯示陣列的列數(shù)據(jù)驅(qū)動信號 行驅(qū)動電路由行掃描驅(qū)動電路和行 6 中山大學碩士研究生學位論文 功率匹配放大電路組成 行掃描驅(qū)動電路實現(xiàn)行掃描功能 行功率匹配放大電路 提高驅(qū)動電壓和實現(xiàn)電流匹配 圖3 9 視頻顯示驅(qū)動器結(jié)構(gòu)框圖 下面分兩章分別介紹時序控制電路和行 列驅(qū)動電路的設(shè)計 中山大學碩一 二研究生學位論文 第四章時序控制電路的設(shè)計和實現(xiàn) 平板顯示器屬于數(shù)字顯示設(shè)備 不能像c r t 顯示器那樣支持多個分辨率的 顯示模式 只有在顯示圃面的分辨率跟平板顯示器的分辨率一致時才能達到最佳 視覺效果 當顯示小于最佳分辨率的畫面時 采用兩種方式來顯示 一是居中顯 示 另外則是擴大方式顯示 但是這兩種顯示方式都未能使顯示屏達到最佳的顯 示效果 因此 為了解決信號輸入和顯示屏分辨率不匹配的問題 并在顯示屏上 得到最佳的視覺效果 需要在平板顯示器中集成縮放引擎1 2 s l 視頻縮放邏輯模塊 就是這樣的圖像縮放引擎 它將輸入的不同分辨率圖像縮放后以固定的分辨率輸 出到平板顯示器上 另外 由于列數(shù)據(jù)驅(qū)動電路采用p w m 方式進行狄度調(diào)制 在實現(xiàn)高級別 灰度顯示時 會出現(xiàn)窄脈沖 這不利于后級功率匹配放大電路的實現(xiàn) 也會對 f e d 顯示屏的頻率響應(yīng)提出苛刻的要求 所以需要在時序控制電路中增加抖動 灰度擴展方法 配合p w m 調(diào)制方式以實現(xiàn)高級別灰度顯示 4 1 模塊結(jié)構(gòu) 時序控制電路的輸入接口與視頻解碼板的輸出接口兼容 都為標準的數(shù)字 信號接口 其詳細的時序規(guī)范請參看3 2 2 節(jié) 時序控制電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 1 所示 微控制器根據(jù)目標顯示屏的分辨 率 通過1 2 c 接口配置好行 列縮放寄存器 可配置視頻縮放邏輯模塊町以根據(jù) 用戶要求把6 4 0 4 8 0 分辨率的視頻圖像縮小到適合于3 2 0 2 4 0 1 6 0 x1 2 0 或者 更低分辨率的目標顯示屏 而抖動灰度擴展邏輯模塊在列數(shù)據(jù)驅(qū)動電路支持4 比 特狄度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上 擴展了2 比特厭度數(shù)據(jù) 使整個視頻顯示驅(qū)動器町以支持 6 比特的狄度數(shù)據(jù) 即可支持6 4 級灰度顯示 行擴展電路板控制信號發(fā)生器產(chǎn) 生行掃描啟動脈沖s t p o u t 和移位時鐘信號r o w r c k 行掃描啟動詠沖s t p o u t 作 為一幀圖像行掃描的丌始脈沖 啟動行擴展電路板工作 移位時鐘信號r o w r c k 為行擴展電路板的移位寄存器陣列的移位時鐘 詳見6 1 3 節(jié) 中山大學碩士研究生學位論文 圖4 1 時序控制電路內(nèi)部結(jié)構(gòu) 4 2 可配置的視頻縮放邏輯模塊 視頻解碼板提供標準的v g a 分辨率的視頻信號 而目前暫時不能提供如此 商分辨率的f e d 顯示屏 故需要對視頻信號進行相應(yīng)的尺寸縮放處理 以適合 f e d 顯示屏應(yīng)用 為了使時序控制電路能兼容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應(yīng)用領(lǐng)域 需要設(shè)計可配置的視頻縮放邏輯模塊 4 2 1 幾種視頻尺寸縮放處理算法 視頻縮放的算法有很多種口9 1 復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和算法雖然可以帶來良好的顯示 效果 但也使得設(shè)計周期增長 硬件實現(xiàn)難度增大 占用更多的電路邏輯資源 增加成本 且系統(tǒng)內(nèi)在不穩(wěn)定因素增多 雖然簡單的算法容易實現(xiàn) 但處理后的 視頻顯示質(zhì)量會大打折扣 所以 在選擇視頻縮放處理算法時 需要根據(jù)應(yīng)用場 合和現(xiàn)行硬件條件等因素綜合考慮 選擇合適的算法 下面對常用的幾種視頻縮放算法進行介紹 4 2 1 1 最近鄰域內(nèi)插算法1 3 0 把圖像縮小最直接的方式是每隔一行 或一列 刪除一行 或一列 這種 縮放算法稱為最近鄰域內(nèi)插算法 這種算法無論用軟件還是硬件實現(xiàn) 都比較簡 1 9 中山夫?qū)W碩i 一研究生學位論支 單 而且在縮放比例較小 行列等比例縮放的情況f 是完全町以接受的 但對于 高清數(shù)字電視和一些對顯示質(zhì)量要求很高或者不是等比例縮放的應(yīng)用領(lǐng)域 不大 合適采用最近鄰域內(nèi)插算法 軟件上實現(xiàn)最近鄰內(nèi)插算法很簡單 對于一個目的圖像像素g i j 根據(jù)縮 放的比例u 和v u 為列縮放比例 v 為行縮放比例 如行列都縮小一倍 則u v 都取值為0 5 通過計算得到源圖像的浮點座標i i u j7 j v 對其進行簡單 的取整 得到一個整數(shù)型坐標 這個整數(shù)型坐標對應(yīng)的像素值就是目的圖像的像 素值 即取如式4 1 所示 g i j f i7 j7 4 1 可見 最鄰近插值簡單且直觀 但得到的圖像質(zhì)量不高 4 2 1 2 雙線性插值算法 3 1 1 最近鄰域內(nèi)插算法是在源圖像七尋找最靠近的像素并把它的灰度值賦給目 的圖像的新像素 由于沒有考慮源圖像對應(yīng)像素點近鄰像素的影響 得到的圖像 質(zhì)量不高 而雙線性插值算法考慮了源圖像對應(yīng)像素點近鄰像素的影響 可以有 效地 平滑掉目的圖像輸出像素問的鋸齒 2 8 軟件上實現(xiàn)雙線性插值算法與最近鄰內(nèi)插算法相似 都是通過計算后得到 目的像素對應(yīng)的源圖像的浮點座標 再進行取整 只是在對目的圖像賦像索值時 考慮了源圖像近鄰像素的影響 目的圖像的像素值豇i j 出源圖像中坐標為 i 7 j7 i 1 j i j7 1 i 1 j 1 所對應(yīng)的周圍四個像素的值決定 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 表示源圖像 i j 處的像素值 以此類推 雙線性內(nèi)插值法計算量大 但縮放后圖像質(zhì)量高 不會出現(xiàn)像素值不連續(xù) 的的情況 由于雙線性插值具有低通濾波器的性質(zhì) 使高頻分量受損 所以町能 會使圖像輪廓在一定程度上變得模糊 中山大學碩士研究生學位論文 4 2 1 3 邊緣自適應(yīng)圖像縮放算法 3 2 1 經(jīng)典的插值方法 如最近鄰域內(nèi)插 雙線性插值 三次樣條插值等插值后 的圖像在物體的邊沿會出現(xiàn)模糊或鋸齒等現(xiàn)象 這是因為這些傳統(tǒng)的圖像縮放方 法的縮放過程使用了統(tǒng)一的數(shù)學模型 對于圖像中物體的邊緣部分高頻信息有所 損失 研究表明 人眼對圖像的邊緣部分特別敏感 縮放后圖像邊緣的視覺效果 對一幅圖像的質(zhì)量有十分重要的影響 為使插值后圖像的邊緣保持良好的特性