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[導(dǎo)讀] 輕巧、省電的液晶顯示器廣泛應(yīng)用在各種可攜式電子機(jī)器與電視等領(lǐng)域,一般認(rèn)為液晶顯示器今后在平面電子顯示器產(chǎn)業(yè)占有重要地位。各種用途使用的液晶顯示器,除了低消費(fèi)電力化與提高影像質(zhì)量之外,還要求解決應(yīng)用上各

輕巧、省電的液晶顯示器廣泛應(yīng)用在各種可攜式電子機(jī)器與電視等領(lǐng)域,一般認(rèn)為液晶顯示器今后在平面電子顯示器產(chǎn)業(yè)占有重要地位。各種用途使用的液晶顯示器,除了低消費(fèi)電力化與提高影像質(zhì)量之外,還要求解決應(yīng)用上各式各樣的技術(shù)課題,尤其是LCD電路中的驅(qū)動(dòng)IC將扮演決定性角色。

大型LCD驅(qū)動(dòng)IC的發(fā)展趨勢(shì)

‧輸出多腳化


PC與電視用大型LCD的驅(qū)動(dòng)IC可以分成:
a.依照信號(hào)提供LCD灰階電壓的“source驅(qū)動(dòng)IC”
b.控制TFT開/關(guān)的“網(wǎng)關(guān)(gate)驅(qū)動(dòng)IC”

依照LCD分辨率不同,液晶顯示器通常會(huì)使用8~15個(gè)source驅(qū)動(dòng)IC,與3~5個(gè)網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)IC。上述兩種驅(qū)動(dòng)IC成為決定LCD功能,亦即所謂“關(guān)鍵性組件”。隨著LCD的高精細(xì)化、多色化,要求source驅(qū)動(dòng)IC改善功能與成本等兩大目標(biāo)。

圖1是大型液晶面板分辨率與驅(qū)動(dòng)IC腳架數(shù)年代別的發(fā)展趨勢(shì),由圖可知驅(qū)動(dòng)IC腳架數(shù)隨著LCD分辨率的增加,不斷朝多腳架化方向發(fā)展,主要原因是最近幾年針對(duì)LCD低成本化等要求,導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)IC的使用數(shù)量大幅遭到削減,IC單體具備功能相對(duì)增加所致,例如使用384ch輸出的驅(qū)動(dòng)IC,WXGA(1280×960) Full HD(1920×1080)的液晶面板,驅(qū)動(dòng)IC的使用數(shù)量分別是:8個(gè)source驅(qū)動(dòng)IC,與12個(gè)網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)IC,驅(qū)動(dòng)IC使用數(shù)量的削減除了達(dá)成低成本的目的之外,對(duì)實(shí)際封裝具有正面的幫助,不過驅(qū)動(dòng)IC的多腳架化后與液晶面板大尺寸化一樣,會(huì)引發(fā)驅(qū)動(dòng)IC發(fā)熱等問題,因此今后隨著高驅(qū)動(dòng)能力必需進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳釋?duì)策。
 
圖1 大型液晶面板分辨率與驅(qū)動(dòng)IC腳架數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

‧高速接口的適用性

隨著LCD的高分辨率化與多灰階化,時(shí)序控制器(timing controller) 與source驅(qū)動(dòng)IC之間的轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)量急遽增加,造成CMOS信號(hào)數(shù)據(jù)的信號(hào)線數(shù)量、消費(fèi)電力,與EMI噪訊的暴增等棘手問題,因此研究人針對(duì)員驅(qū)動(dòng)IC,提出差動(dòng)小振幅serial I/F,亦即RSDS與mini-LVDS改善方案。
圖2是驅(qū)動(dòng)IC的I/F發(fā)展趨勢(shì),如果參照?qǐng)D1 LCD分辨率的發(fā)展趨勢(shì)統(tǒng)計(jì),事實(shí)上差動(dòng)小振幅serial I/F的比率,每年都有呈現(xiàn)增加趨勢(shì),因此最近幾年各公司針對(duì)40吋以上超大型LCD與筆記型計(jì)算機(jī)用窄邊幅LCD,陸續(xù)提出新接口規(guī)格,隨著LCD高速化、低EMI化、低消費(fèi)電力化,可以支持各種應(yīng)用課題的接口因而備受期待。
 
圖2 source驅(qū)動(dòng)IC的I/F發(fā)展趨勢(shì)
 
‧LCD電視用驅(qū)動(dòng)IC的開發(fā)

a.驅(qū)動(dòng)IC的高耐壓化

平面電視正式子跨入成長(zhǎng)期,液晶電視除了需求擴(kuò)大之外,市場(chǎng)對(duì)液晶電視高畫質(zhì)化的要求則更加迫切,為實(shí)現(xiàn)可以媲美傳統(tǒng)CRT電視的宿愿,大視角、高對(duì)比、高反應(yīng)速度,以及灰階性的提升正積極展開中,可以支持上述液晶面板的驅(qū)動(dòng)IC,以具備高電壓驅(qū)動(dòng)能力的source驅(qū)動(dòng)IC的需求最受關(guān)注。

以往筆記型計(jì)算機(jī)與監(jiān)視器的TN面板驅(qū)動(dòng)電壓大約是10V左右,為了支持大視角的IPS、VA型液晶面板,要求驅(qū)動(dòng)IC以高電壓驅(qū)動(dòng),例如IPS液晶面板要求15~16V的驅(qū)動(dòng)電壓,VA型液晶面板要求13V左右的驅(qū)動(dòng)電壓。圖3是source驅(qū)動(dòng)IC的耐壓產(chǎn)品一覽。
 
圖3 source驅(qū)動(dòng)IC的耐壓產(chǎn)品一覽(NEC)
 
b.10bit驅(qū)動(dòng)IC的開發(fā)

目前液晶電視大多使用8bit的source驅(qū)動(dòng)IC,然而8bit的驅(qū)動(dòng)IC在低灰階領(lǐng)域,無法充份發(fā)揮灰階再現(xiàn)性,此外為支持液晶電視高畫質(zhì)化的需求,必需針對(duì)影像數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)IC的前段,進(jìn)行對(duì)比、調(diào)色、γ(輝對(duì)-灰階特性)等補(bǔ)償處理,此時(shí)基于防止灰階數(shù)減少等考慮,例如8bit的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行10bit的影像位擴(kuò)充處理,傳統(tǒng)8bit驅(qū)動(dòng)IC經(jīng)過補(bǔ)償處理變成10bit擴(kuò)充影像數(shù)據(jù),必需利用畫格率(frame rate)控制技術(shù)進(jìn)行時(shí)間軸變調(diào),或是利用面積灰階手段,將dither圖案再度轉(zhuǎn)換成8bit的影像數(shù)據(jù),此時(shí)會(huì)產(chǎn)生閃爍(flicker)、分辨率劣化、特異圖案等waving問題。

開發(fā)可以支持10bit的驅(qū)動(dòng)IC成為解決上述問題常用手段,不過0bit的驅(qū)動(dòng)IC會(huì)有輸入數(shù)據(jù)導(dǎo)線數(shù)、芯片尺寸增加等反效果,因此研究人員針對(duì)輸入I/F采用mini-LVDS設(shè)計(jì),試圖藉此抑制數(shù)據(jù)bus導(dǎo)線數(shù)的增加,同時(shí)還開發(fā)全新的D/A變頻器(converter)與輸出增幅器。圖4是驅(qū)動(dòng)IC的芯片尺寸發(fā)展趨勢(shì)一覽。
 
圖4 驅(qū)動(dòng)IC的芯片尺寸發(fā)展趨勢(shì)一覽
 
c.改善動(dòng)畫顯示技術(shù)

液晶顯示器顯示動(dòng)畫時(shí),影像質(zhì)量不如傳統(tǒng)CRT,實(shí)現(xiàn)無動(dòng)畫殘影的動(dòng)畫顯示技術(shù),對(duì)液晶電視而言是非常重要的課題。液晶顯示器發(fā)生動(dòng)畫殘影,主要原因是液晶材料的反應(yīng)速度遲緩,以及液晶顯示器采用hold方式顯示影像所致。有關(guān)液晶的反應(yīng)速度改善方案,例如開發(fā)OCB高速液晶材料,或是采用過驅(qū)動(dòng)(over drive)技術(shù)等等,至于hold型顯示方式造成動(dòng)畫殘影的改善方案,可以利用背光照明模塊的點(diǎn)滅,或是插入黑色影像的impulse驅(qū)動(dòng)方式獲得改善。

插入黑色影像的驅(qū)動(dòng)方式,對(duì)改善液晶顯示器的動(dòng)畫殘影具有極佳的效果,不過以傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)IC實(shí)現(xiàn)黑色影像的插入,除了需要將影像數(shù)據(jù)從TCON轉(zhuǎn)送到驅(qū)動(dòng)IC之外,還需要將黑色影像進(jìn)行轉(zhuǎn)送,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送速度增加卻成為引發(fā)消費(fèi)電力、EMI噪訊暴增的主要原因,因此研究人員開發(fā)可以強(qiáng)制使驅(qū)動(dòng)IC的輸出電壓對(duì)應(yīng)黑色影像,亦即對(duì)電壓具有reset功能的驅(qū)動(dòng)IC。

如圖5所示內(nèi)建動(dòng)畫對(duì)應(yīng)功能的驅(qū)動(dòng)IC,內(nèi)部設(shè)有黑色影像寫入用控制端子(BWSEL),BWSEL信號(hào)high期間會(huì)根據(jù)驅(qū)動(dòng)IC的黑色影像強(qiáng)制輸出電壓,利用該特殊功能可以在任意期間、任意場(chǎng)所輸出對(duì)應(yīng)電壓,卻不需要將黑色影像轉(zhuǎn)送到驅(qū)動(dòng)IC。
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圖5 利用內(nèi)建動(dòng)畫對(duì)應(yīng)功能的驅(qū)動(dòng)IC作impulse驅(qū)動(dòng)
 
可攜式機(jī)器用LCD驅(qū)動(dòng)IC的發(fā)展趨勢(shì)


可攜式機(jī)器用LCD驅(qū)動(dòng)IC,依照LCD系統(tǒng)廠商的應(yīng)用大致上可以分成:
‧內(nèi)建顯示RAM驅(qū)動(dòng)IC
‧內(nèi)部無顯示RAM的驅(qū)動(dòng)IC

內(nèi)建RAM的驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部設(shè)有顯示內(nèi)存(SRAM)、驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)序控制器,IC單體可以產(chǎn)生顯示上必要的所有時(shí)序。IC內(nèi)部?jī)?nèi)建RAM除了變更畫面顯示之外,CPU不需要將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至LCD模塊,因此無CPU與LCD驅(qū)動(dòng)IC之間的bus消費(fèi)電力,對(duì)液晶顯示器的低電力化具有很大的幫助。內(nèi)部無顯示RAM的驅(qū)動(dòng)IC必需利用外部CPU,進(jìn)行顯示控制以及影像數(shù)據(jù)、頻率(clock)轉(zhuǎn)送,它與內(nèi)建顯示RAM的驅(qū)動(dòng)IC比較,雖然消費(fèi)電力明顯增加,不過制作成本卻比較有利。

最近幾年類似PDA、GPS、行動(dòng)電話等可攜式電子機(jī)器,處理高精細(xì)彩色數(shù)據(jù)的情況越來越多,因此可攜式電子機(jī)器用液晶顯示器要求高精細(xì)、多色化等功能,然而高精細(xì)、多色化與有無RAM無關(guān),會(huì)引發(fā)驅(qū)動(dòng)IC的芯片尺寸、消費(fèi)電力,EMI噪訊增加等問題,尤其是可攜式電子機(jī)器的封裝面積限制非常多,即使是CPU與LCD驅(qū)動(dòng)IC之間的接口,也要求窄線寬的接口,因此接口的serial化成為必要手段,此外無內(nèi)建RAM的驅(qū)動(dòng)IC轉(zhuǎn)送影像數(shù)據(jù)時(shí),隨著LCD的高精細(xì)化、多色化,CPU與LCD驅(qū)動(dòng)IC之間的bus充放電力,與EMI噪訊增加成為重要的課題,因此研究人員提案采用圖6,由Mobile CMADS(Current Mode Advanced Differential Signaling)構(gòu)成的serial界面。

Mobile CMADS屬于電流差動(dòng)型接口方式,它除了可以削減CPU與LCD驅(qū)動(dòng)IC之間的接口數(shù)之外,還能夠?qū)崿F(xiàn)低消費(fèi)電力與低EMI噪訊等目的,此外轉(zhuǎn)換電路是由Nch open drain構(gòu)成,除了不需要使用不易維持穩(wěn)定動(dòng)作的模擬電路之外,它還可以輕易內(nèi)建在CPU內(nèi)部作簡(jiǎn)易的set設(shè)計(jì)。
 
圖6 Mobil CDMAS接口的基本結(jié)構(gòu)
 
圖7是傳統(tǒng)Mobil CDMAS與次世代Mobil CDMAS2000的規(guī)格比較,由圖可知Mobil CDMAS2000將時(shí)序信號(hào),亦即Vsync信號(hào)、Hsync,比照影像信號(hào)完全serial化,因此可以大幅削減導(dǎo)線數(shù)量,此外由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送的高速化,QVGA等級(jí)的面板可以利用數(shù)據(jù)信號(hào)1pair或是CLK 1pair驅(qū)動(dòng),Mobil CDMAS2000還將數(shù)據(jù)信號(hào)3pair,它可以支持VGA等級(jí)的面板。
 
圖7 次世代Mobil CDMAS的規(guī)格
 
有關(guān)內(nèi)建RAM的驅(qū)動(dòng)IC,LCD的高分辨率化與多色化,除了使顯示內(nèi)存容量增加之外,它同時(shí)也是芯片尺寸變大的主要原因,有效對(duì)策例如采取0.15μm制程,藉此縮小內(nèi)建RAM驅(qū)動(dòng)IC的尺寸,同時(shí)積極導(dǎo)入不會(huì)影響顯示畫質(zhì),還可以有效削減內(nèi)存容量的影像數(shù)據(jù)壓縮、擴(kuò)張電路SPC(Smart Pixel-data Codec)技術(shù)(圖8)。
 
圖8 內(nèi)建SPC的驅(qū)動(dòng)IC基本結(jié)構(gòu)
 
圖9是傳統(tǒng)顯示內(nèi)存容量削減技術(shù)亦即「dither方式」,與「SPC方式」以及經(jīng)過畫質(zhì)改善的「新SPC方式」三者的顯示影像比較,由圖可知新SPC方式的顯示影像不但無畫質(zhì)劣化現(xiàn)象,甚至可以媲美元影像。
 
圖9 影像比較
 
圖10是利用傳統(tǒng)顯示內(nèi)存容量削減技術(shù),亦即dither方式的顯示影像,與利用SPC處理的顯示影像,以及利用新SPC處理的顯示影像三者的比較結(jié)果,由圖可知利用SPC處理的PSNR值非常高,即使定量上畫質(zhì)也獲得改善。此外利用此新SPC電路可以削減25%左右的顯示內(nèi)存,這意味著內(nèi)存儲(chǔ)取電力與漏電電流可望獲得抑制,對(duì)消費(fèi)電力的削減具有正面幫助。
 
圖10 PSNR比較結(jié)果
 
結(jié)語(yǔ)

以移動(dòng)電話為主流的可攜式電子機(jī)器,使用的小尺寸液晶面板除了高畫質(zhì)化、低消費(fèi)電力化之外,未來勢(shì)力會(huì)朝多功能化方向發(fā)展。至于電視用大型液晶面板今后將持續(xù)維持成長(zhǎng)榮景,同時(shí)開拓計(jì)算機(jī)與監(jiān)視器常見的廣視角技晶面板應(yīng)用市場(chǎng)。 隨著顯示器得進(jìn)化驅(qū)動(dòng)IC的需求也逐漸多樣化,驅(qū)動(dòng)IC廠商與液晶面板廠商攜手合作,積極導(dǎo)入LSI制程技術(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)IC低消費(fèi)電力、低制作成本,則是今后有待努力的方向。

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