TV LCD面板的技术挑战和解决方案

1、TV LCD面板的技术挑战和解决方案从20世纪90年代初到21世纪初，对TFT LCD的需求迅速增加。但是随着液晶电视的 迅速普及，市场现在对其性能有了一系列新的要求，这给电流硅架构带来的挑战，并使之 达到其技术极限。这是因为LCD面板在电视市场的需求已经超过笔记本电脑和台式电脑 显示器的所要求性能范围。事实上，电视市场需要断裂型技术（Disruptive tech no logy）来解决对接口频率和距离的要 求、开发色彩多于10亿个的产品、改进高质量运动视频响应时间并使色彩更均匀化。当 前系统架构是一个在没有理想方案情况下可接受的过渡性方案，但行业寻求能够解决 LCD TV现在及今后问题的更

2、完善的技术和可选方案。最初， LCD 首先用于笔记本电脑。早期的要求是低功耗和便携性，面板尺英寸一般不超过 12英英寸，分辨率是为640 x480（VGA模式）或者800 x600 （SVGA模式），而色彩性能是 非必需的奢侈要求。从 20世纪90年代未开始， LCD 面板发展到台式电脑替代市场。薄 而轻的LCD是对传统CRT（阴极射线管）的大幅改进。市场需求也转移到了更高的产品， 从1024 x 768像素的XGA提高到1600 x 1200像素的UXGA，面板尺英寸也从14英寸 增长到15到19英寸。另外色彩成为必需，专用于笔记本和低端显示器一般需求为6b色 彩（256k个色彩）和高端显示

3、器一般需求为8b色彩（16.7万个色彩）。面板电气特性需求增长也包括低电磁干扰、更低功耗、更高的数据频率和更低的成本。这 些要求的改变，尽管使设计为适合计算机应用而改进了面板性能，但没能满足显示器行业 面临的一系列新的要求。当显示器的目标用途从电脑转向家庭影院时，传统的系统架构难以适应对其视频性能的要 求。 LCD 面板以前没有与标准电脑显示器发生性能上的竞争，但现在却与高端电视和等离 子显示器形成了竞争，后者宣称能够实现超过 10亿个真色彩、真实影院质量图像和大面 板尺英寸。现在，主流TV面板尺英寸为从27到32英寸，至少有四家公司展示了大于46 英寸的面板。在对现有系统架构突破瓶颈并实现可

4、能的改进之前，我们先回顾一下 LCD 面板的电气特 性。 LCD 面板可以被认为是一系列晶体管的组合，它可以调节通过液晶的电压来控制通过 面板透光量。彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色构成的滤片，它们有规律地被制作在一 块大玻璃基板上。晶体管开关用行矩阵驱动，并通过编程来控制行像素的 “开/关”。晶体管 依赖有源驱动来获得像素亮度的所需特定电压。所有这些都是通过一个时序控制器来控制的，它从主机获得显示数据并通过板载接口转移 到矩阵驱动器。行驱动接口具有相对的低速率，它使用TTL电平作为发射信号。矩阵接口 需要超过2Gbps的很大带宽以实现高清晰度显示，并使用低摆幅差分信号（RSDS）。典型 的液

5、晶显示器面板内接口如图 1 所示。iiming controllerRSDS 26liFiKj R.SDS bus门抽ncs)CDI CD2 CM CD4 D5 CDS S眄CDS CD91.rhe tradilieiitil jwncl imefffatc cctins uiLa 26-ivirc（ 1? difTenni ial）iiiulli -dTup tsus 山r ccli luitf uflhc poind关于面板尺英寸现在使用的差分总线体系对于 15到 19 英寸的短距离传输带宽要求具有很好的特性。但随 着面板尺英寸增加，信号的完整性就成了问题。图2显示了正常工作的30英寸LC

6、D TV面 板的信号眼图。虽然这个眼图是可接受的，但有效宽度会随数据频率和面板尺英寸的增加 而不断减少。改善眼图有三种可行的途径。一是提高PCB板材料的质量。大部分LCD面板用标准的 FR4材料作为PCB板的材料。将PCB板的材料换成在频率更高时可以更好保持信号完整 性的材料，当然会提高眼型的图案，但是板的成本也会大大增加。根据作者所知，没有人 愿意采用这一方案，而更愿意寻求其他解决方法。第二种途径涉及改变数据传输模式本身。一种选择是把从一个行驱动到下一个的数据层叠 起来（图3a）。使用此方式，每一个行驱动会有一个接收线路和一个发射线路产生数据并将 它传递给下一个驱动。th由臼白怙 讐 roi

7、； thpwi IIc-omlinu? to degra-de.因此，你将有一个无限的虚拟距离，因为数据通路从板长减少到两个行驱动之间的距离。 它也可以用一个时序控制芯片作为电流接口，但该方法行驱动造成了不利影响。为满足调 节发送和接收模块的需求，数据接口引脚的数量需要增加一倍，而且每个行驱动的耗电都 要增加（由于附加的发射器），复杂的行驱动线路整体耗电会也增加。第三种选择是去掉全部的数据传送总线结构，换成点到到架构（如图3b）。这里并不是通过 时序控制芯片在总线中发出数据，而是每个行驱动会有一个专用数据通路。这一方式有多 个优势，它很大程度上可改善驱动距离、减少接口所需线的总数量。大大减少行

8、驱动上的 数据接口引脚，并且使时序控制芯片控制独立定制发送给行驱动器的控制信息。这一方式 的主要缺点是它需要改变时序控制架构，包括额外的存储器，这样输入的显示数据可以重 新组合以与点到点架构相匹配。图3。关于色彩深度面板所要克服的第二个主要障碍是面板的色彩深度。如前所述，笔记本仅要求 256k 色彩 深度，高端显示器需要 16.7M 个色彩，电视的发展趋势是需要超过 10 亿个色彩。从数字 数据到驱动显示的电压的传统非线性转换，通常在行驱动器里利用 R-DAC 架构实现。该 架构由一个带有多个分接点的电阻和一个基于所输入数据选择适当分接点的解码逻辑组 成，如图 4 所示。解码逻辑需要重复输出信

9、息（一般为大约每个驱动器 400 次）。 6 位到 8位色彩深度在解码 逻辑中增加四倍，在行驱动中实际只增加 40%到 50%。色彩增加到 10 位将会在解码逻辑 中产生另外 4 倍的增长，将使行驱动器的尺寸非常大、成本非常昂贵。因此，现在有好几 个解决方案现在都在研究中。第一个解决方案是通过临时抖动技术空间方法来实现用 8 位 的行驱动获得 10位的色彩深度。为产生 8位行驱动不支持的灰度，时序控制器会基于帧 到帧或者基于局部空间，改变两个相近的 8 位之间的数据。该方法一般用于在低端 LCD 显示器中从 6位驱动中产生 8位色彩。这种方法很有效，因为人类的眼睛擅长在小面积和 短时帧内亮度均

10、匀时看东西。但对高性能应用来说，抖动有时可能会被看作是视觉假象。这些情况在观看整幅运动图像 时比传统计算机应用更常见。与抖动技术 10位系统相比，真彩色 10位色彩作为具有高品 质和高性能的产品也存在市场方面的劣势。尽管如此，几家公司还是在积极研究将抖动技 术用作一种扩展（8到 10位）产品色彩性能的方法。第二种解决关于 10 位色彩的大晶元尺 寸问题的方法，是从传统 R-DAC 架构改变过来的。还采用多种其它 DAC 架构在电子行 业中采用，几家公司已经开始研究将 R-DAC 以外的架构用于 10 位行驱动。oCotiimn riverOutpift amlrfierDecode logic

11、4_Th-e traditional column-d-river R-DAC architecture uses a resistor-string reference and a relativ-elylargdecsri rpspontic bys(?l(xt ciy 01 Tlie voh.aye pn the piKel Nh尹 the亡oilfasterOvertriw mortageLuminance respoiwNo RTC色彩质量在LCD电视应用中，面板电气特性的最终挑战是整体的色彩质量。主流LCD TV液晶技 术的红、绿、蓝像素与亮度-电压反应曲线图都有细微差别。传统技术

12、对所有这三种色彩 用同一个亮度-电压转换功能实现，这对计算机应用是可以接受的，但是对高端视频来说 还不够好。不同的功能使LCD的白色输出与CRT有细微色差。也许LCD包含了太多蓝 色，当图像经过不同的灰度由白转黑时，CRT和LCD的差别将有所改变，这样在更深的 灰度（接近黑色）时， LCD 看起来包含更多红色。解决这个问题需要用到时序控制芯片，它通过数据扩展和抖动技术处理输入的数字数据来 解决这个问题。有几家公司已经公开了使所有灰度的色彩保持一致的成功解决办法。该方 式的主要缺陷是仅能通过抖动技术来恢复灰度的净损失。如前所讨论的，抖动技术对于高 性能面板，只是过渡性解决方案，对于电视性能可能不被接受。然而，因为这是当前产品 的最佳解决方案，几家 LCD 面板公司开发了他们自己的算法来使色彩质量最优化和视频 抖动技术最小化。更好的解决方案是对每一个像素色彩都用一个独立的可编程电压 -亮度