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改善液晶电视显示性能的技术和方案分析
关键字： LCD  液晶显示器  TFT  薄膜晶体管  CRT 
TFT-LCD模块在从传统的计算机显示器的应用转向到电视应用过程中，设计工程师面临解决响应速度慢、闪烁、背光等技术挑战。本文讨论了包括消除珈玛失配、改善明暗图像的对比度等解决这些挑战的新技术，并提供了相应的新型器件应用。
LCD显示器在过去5年得到快速普及。这种促进笔记本电脑市场发展的技术，如今在很多台式电脑应用中取代CRT，它能够清晰地再现文字，并以无需占用整个桌面的外形尺寸提供较大的显示面积。如今，随着PC与多媒体体验的融合，高性能视频再现正在成为对该技术的一个关键要求。过去LCD显示器的一些缺陷包括色彩再现效果差、运动图像拖尾现象以及无法再现细节，特别是在非常亮或者非常暗的图像区域里。
除了技术上的问题之外， LCD显示器的另一个由来已久的缺点就是成本高。如果不考虑空间占用问题的话，现在的CRT提供了一种非常具有成本效益的显示方案。LCD面板的价格下降很快，特别是在去年下半年，面板供过于求，这导致了很多厂商降低它们的价格，尽管也有一些厂商通过削减产量以使供需平衡。
本文将讨论能使TFT-LCD具有更好的视频再现的一些新技术，以及降低成本的压力如何与这些技术趋势相互抵触。
LCD模块组件
图1给出了LCD模块的典型电路。无论面板是设计用来做笔记本、台式电脑的显示器，还是应用在电视机上，所有这些功能都是必需的，但是每类产品的性能不一样。

图1：除了行和列驱动器，LCD显示器系统还依赖于珈玛校正和多电源
电压。
时序控制器是位于面板中心的一个数字IC，它负责控制将数据写入LCD显示器的扫描机制的时序。时序控制器对列和行驱动器进行复位，以便从显示器的最上面一行开始写入数据，每次扫描一行，直到显示器的最下面一行。行驱动器是功率驱动的，用来选择在一个指定的时间写入哪一行的数据。列驱动器将输入到显示器的数字视频数据转换成可存储在每一个像素单元里的模拟电压。
每个LCD面板显然都需要电源，面板上有4个主要的电压电源。主电源(AVDD)提供驱动LCD显示器中众多模拟IC(包括将图像内容驱动到显示器本身的列驱动器)所需的高电压。尽管很多人认为TFT-LCD是数字显示器，但每个像素的亮度实际上是由存储在像素单元中的模拟电压电平所决定的，并利用在像素之前的RGB滤波器来实现色彩再现。由于显示器的这种模拟特性，AVDD电源必须具备很好的负载调节能力，并且能提供足够的电流来对显示器中每个像素进行快速充放电。显示器内的其它电源包括数字IC所用的逻辑电源，以及为显示器中行驱动器供电的高电压Von和负电压VOFF。对于高性能视频显示器来说，使用高性能TFT-LCD调节器非常重要，它可以减少图像失真和拖尾效应。像EL7585(见图2)这样的器件在单个IC中包含所有这4个电源，另外还提供对避免损坏LCD显示器很重要的电源排序功能。
利用VCOM放大器为显示器中所有像素提供一个非常稳定的参考电压。这个电压通常约为AVDD值的一半，每个像素的亮度由列驱动器提供的电压与VCOM电压之差决定。
像素发出的光与施加到这个像素上的电压呈非线性关系，这个所谓的“珈玛曲线”(见图3)实际上是一个S曲线，它相对VCOM可以是正值，也可以是负值。事实上，大多数面板上的像素在两极之间交替切换，这样显示器上的平均电压值为0V，避免了与偏压相关的老化(burn-in)问题。由于每个面板都有不同的珈玛曲线响应，列驱动器需要一个参考曲线，这样它们能为每个像素提供合适的电压驱动，得到所需的亮度。一般采用珈玛缓冲器提供这种曲线，也可以用一串电阻模拟该曲线。
在LCD框图中，最后的器件是背光驱动器。由于LCD面板本身并不发光，因此需要背光，LCD实际上是打开或关闭来自其后面光源的光。现在几乎所有的LCD面板都使用CCFL(冷阴极荧光灯)背光，这些CCFL的驱动需要非常高的交流电压波形。一般笔记本和显示器的面板只需要一个CCFL控制器，然而大面板、TV类型的显示器要求更亮的背光，也即需要更多的CCFL，因而需要更多的驱动器。来自这些CCFL的光还必须匹配，否则显示屏的图像亮度将不均匀。
减少运动模糊
在LCD显示器上观看视频的一个最大问题就是运动模糊。这是由于显示器中液晶的响应速度慢而引起的，并导致运动图像后面出现拖尾的现象。当前的液晶技术能支持的响应时间在12到16毫秒之间，尽管这比两年前的20到30毫秒快了不少，但仍然不能完全消除这种拖尾现象。当然，这已经成为LCD开发的一个主要关注焦点，目前有很多技术可以用来解决这个问题。

图3：S形的“珈玛曲线”显示了像素发出的光
与施加在像素上的电压之间的非线性关系。
来自LCD面板阵线最有效的方案是加快液晶材料的响应速度。通过对每个像素采用过驱动可提高当前材料的响应速度，然而这还无法达到所需的响应速度。现在有些公司正在展示灰色到灰色的响应时间为5毫秒、灰色到黑色的响应时间为1毫秒的新材料。灰色到黑色的快速响应能够使黑色插入技术得到非常有效的利用。黑色插入技术在每个图像帧之间插入黑色帧，产生与CRT相似的快速脉冲调制效应。人脑可以滤除这种闪烁并自动产生中间图像。在最近的展览中对黑色插入技术的演示证明该技术是非常有效的。
如果没有响应速度快的液晶，这种效果也可以通过对背光进行脉冲调制来仿真。这种方法也已证明非常有效。通过从顶部到底部对背光进行扫描，可进一步消除运动图像的拖尾现象，这样可以得到非常清楚的运动图像。
减少画面闪烁
由于LCD面板存在偏压，所需的VCOM电压可能与AVDD电压值一半的理想值稍微不同，这会使显示器的画面闪烁。为了消除这种影响，通常要对每个面板的VCOM进行调节，直到消除闪烁。这种机械的方法现在被数字电位计代替，数字电位计可以自动调节这些偏移，消除了由于人为失误产生偏移电压的可能性。图4a显示的是用Intersil公司的ISL45041驱动该应用中的EL5111大功率VCOM放大器的示意图。
由于每根线都锁定到LCD面板，所以注入到VCOM平面的电荷也能引起导致画面闪烁的偏移电压。为解决这个问题，如今在新的面板中利用面板里实际VCOM值去关闭一个能将这些偏移电压最小化的控制环，这样可以减少画面闪烁。具体电路如图4b所示。
第三个方法是设法降低在每条线末端的切换电流，采用Von削减(Von-slice)电路在每条线末端释放Von电压，以减少注入到VCOM线的切换电荷。
消除珈玛失配
由于生产和工艺参数的变化，来自生产线的每个LCD表现出的珈玛响应稍有不同。通常情况下，所有的面板都采用同一个珈玛曲线，这意味着当多个面板并排放置在一起时，每个面板具有稍微不同的色彩响应。对于很多应用来说，这是不期望的。为克服这个问题，理论上珈玛曲线需要作为闭环系统的一部分逐一进行设置。可编程珈玛发生器能够通过微处理器控制珈玛曲线，因此珈玛曲线可作为生产工艺的一部分被重新编程。
改善明、暗图像的对比度
LCD显示器的另外一个问题是，它们在显示非常明亮或非常暗的图像时不擅长区分不同的对比度等级。可以采用动态珈玛克服这个问题，动态珈玛是根据显示图像内容逐帧调整珈玛曲线。这可以作为缩放处理的一部分用数字技术来实现，但这些器件的位深度限制带来很多不良的问题。为克服这些问题，新的系统将采用EL5325珈玛发生器来调节珈玛参考曲线。
提高色彩再现能力

图4a：为了消除闪烁，VCOM通常要针对每个面板进行调节，
Intersil ISL45041可驱动该应用中的大功率VCOM放大器。
图4b：新面板利用面板中实际VCOM值去关闭一个控制环。
采用CCFL技术作为背光源会严重影响能在LCD显示器上显示的色谱。典型的CCFL背光使LCD显示器只能再现不到50%的NTSC 信号所能传输的色彩。如今用新的大功率LED技术作为背光源，可以将对NTSC信号色谱的覆盖率提高到超过100%。另外，这些新LED背光没有CCFL背光所需的水银，非常适合绿色环保应用。
LED背光还具有很多其它优点。对于大面积面板，可采用分离的红色、绿色和蓝色LED，这使显示器的色温可以很容易进行调整。这些器件的快速响应特性还使它们非常适合于频闪背光(strobing backlight)应用。
成本考量
尽管很多厂商都在采用这些技术来改善显示器的图像性能，但他们还面临降低成本以赢得市场份额的巨大压力。如果成本不降低，市场增长将受到限制，这已经致使很多厂商不是在改善显示器的性能，而是去掉某些功能。如今，不采用珈玛缓冲器在主流显示器中很常见，它们通常用一串简单的电阻来产生珈玛曲线，性能下降是不可避免的。
随着桌面显示器市场竞争的加剧，为获得更好的视频性能而在显示器中采用这些新技术将十分有限。这些桌面显示器很多是应用在强调文本和图表显示的企业环境，但是对于快速增长的LCD-TV市场以及家庭PC多媒体设备，图像质量将成为一个非常重要的因素。Intersil具有针对这两个市场的产品。针对LCD-TV市场，Intersil能提供DC/DC、VCOM、DCP、珈玛和背光产品。对于桌面显示器市场来说，高度集成能降低成本，而EL76?2在一个封装里集成DC/DC、VCOM、珈玛和Von削减(Von-slicing)功能。