先進的LCD驅動器支持設計低成本、高性能的數據投影儀

作者：Ed Spence and Zoltan Frasch

近年來，基于液晶顯示器 （LCD） 技術的數據投影儀取得了長足的進步，更小、成本更低的設備可提供更高的亮度和更高的分辨率。因此，投影機已經從安裝的大型會議室顯示裝置發展成為工作組和銷售組織的日常工具，以及家庭娛樂系統的主要產品。這里討論的DecDriver IC是這些顯示器當前和未來改善視覺質量以及降低成本的主要因素。

如今，投影機顯示引擎中使用的主導技術包括三種（RGB-紅色、綠色、藍色）高溫多晶硅（HTPS）液晶顯示器（LCD）微型顯示器。三個彩色LCD微型顯示器具有單獨的顏色數據，它們的光輸出在通過鏡頭投影到屏幕上之前以光學方式相加。與基于旋轉色輪的現場順序單面板系統相比，該系統可以更好地控制色彩質量，提高亮度和效率，并且“顏色分解”的可能性要小得多。

最近，一種更新的LCD技術正在進入投影市場，基于低成本硅晶圓 - 硅上液晶（LCOS）?；贚COS的投影引擎有可能實現低成本家庭影院以及其他大型場所顯示器，如公共顯示器和大型背投監視器或工作站。LCOS微型顯示器為這些應用帶來的好處包括比目前使用HTPS LCD面板實現的更高的分辨率，以及尚未實現的低成本潛力。LCOS的其他優勢包括更高的像素密度，更小的面板尺寸和更高的孔徑比。在家庭娛樂中，投影機引擎的使用將包括前投影和背投，并且需要超過2萬全彩像素（10位伽馬校正）的分辨率。

LCOS和HTPS顯示技術都是基于LCD的;它們需要高性能的驅動電子設備來提供高質量、高分辨率的顯示器。有關像素、格式、分辨率和時鐘速率的簡要說明，請參閱下面的腳注。

微顯示器接口與今天的筆記本電腦顯示器不同，筆記本電腦顯示器現在通常是a-Si（非晶態，有源矩陣LCD顯示器）。這些筆記本電腦顯示器需要為每列像素配備一個單獨的驅動程序。這個接口很慢，而且IC器件往往在每個芯片上集成多達384個驅動器，而且長度不成比例。

另一方面，HTPS或LCOS微型顯示器集成了多路復用器（MUX）功能，以在像素列之間分配成像信號。物理像素本身在簡單的采樣保持電路中充當負載電容，在LCD材料響應時保持成像信號。多路復用器的輸入需要大大減少接口通道的數量，以更高的速度換取更簡單的電路。這減少了微顯示器的片上扇出，目前微顯示器沿對角線的測量距離僅為0.5英寸。此外，這種配置還降低了驅動電子設備的功耗、面積和成本。最重要的是，雖然高端筆記本電腦顯示器可能包括8位驅動器，但目前用于投影引擎的微型顯示器使用10位伽馬校正輸入。需要這種更高質量的圖像，因為投影圖像太大，顯示顯示偽影在10英寸筆記本電腦顯示器上不容易注意到。對更高質量圖像和更高速度的需求要求驅動電子設備提高性能。

這些模擬驅動器的關鍵品質因數現在包括良好的絕對輸出電壓精度、快速輸出電壓建立到容性負載、高數據速率、緊湊的占位面積和低功耗。針對家庭影院市場的界面設計應繼續依賴LCD微型顯示器的模擬輸入，以避免高速邏輯噪聲并提高應用于顯示器像素的信號質量。

在DecDriver芯片問世之前，用于微型顯示器的傳統驅動電子解決方案基于采樣保持拓撲，可及時抽取數字成像數據。需要抽取以使輸入的高速數據速率與LCD像素相對有限的帶寬相匹配。集成在HTPS面板上的多路復用功能將模擬圖像信號分布在像素列上，在每個時鐘周期加載一組有限的像素，一直持續到一行像素填滿?；诓蓸颖３值尿寗悠鞔嬖谝恍┫拗?，導致圖像質量差——PCB面積大、獲得大于XGA的分辨率的能力有限（見表1）以及高功耗。采樣保持功能中的誤差（由于基座、下垂和建立時間）限制了該架構的顯示質量，影響了顏色匹配并阻礙了更高分辨率所需的系統速度。無論控制器ASIC（負責定時、圖像信號處理等）是否包括高速視頻DAC，分立視頻放大器本質上都需要提供必要的動態電壓范圍和建立時間。它們反過來驅動抽取所需的采樣保持放大器。

此外，增加像素數，同時保持刷新率固定，需要更快的驅動電子設備。對于LCOS尤其如此，因為LCOS技術更快的響應時間和雙幀速率要求面板接口具有比HTPS所需的通道更少（但快得多）。

除了速度問題，家庭影院質量的LCOS顯示器與HTPS具有相同的需求。面板的模擬輸入必須具有良好的通道間精度、寬動態范圍和快速建立時間。

數字化抽取架構

AD8380 DecDriver（抽取驅動器）IC是一款單芯片芯片解決方案，可提供以高速、高精度將10位伽馬校正鏡像直接驅動到高分辨率HTPS和LCOS面板上所需的所有性能。它通過鎖存來自控制器的高速數字數據，然后傳輸給定信號上的所有通道，從而有效地取代了采樣/保持功能，從而通過將數據轉換為并行模擬成像信號來實現時間抽取。?

圖1.由兩個DecDriver IC驅動的XGA微型顯示面板的簡化視圖。

DecDriver旨在通過使用新的高密度26 V快速雙極性工藝在同一芯片上制造DAC和驅動放大器來優化建立時間和功耗。通過將高壓輸出驅動放大器與快速雙極性DAC集成，它們可以在工廠進行微調，以滿足所需的絕對精度規格。

這種完整的解決方案專為高輸出精度而設計，還允許完全控制成像信號，包括對比度、亮度、信號反轉和輸出VCOM電平，而不會犧牲精度。組合的速度、靈活的邏輯控制和激光調整的輸出精度允許在 XGA、SXGA 和更高分辨率系統中互換使用多個 DecDriver 器件進行模塊化設計。

前投影和背投系統需要彼此相反方向的掃描，因此提供了L/R控制來確定數據的鎖存方向，從而更容易設計前背投系統。E/O提供了鎖存交替時鐘邊沿的能力，簡化了雙高速數據路徑的解復用。

圖2.AD8380 十進制驅動器 IC 功能框圖快速 10 位輸入被鎖存，然后通過 DAC，以 XFR 脈沖輸出視頻放大器。輸出電壓電平由 VREF、INV 和 VMID 控制控制。

顯示性能

更高分辨率的顯示器需要更高的像素時鐘速率，因此需要更快的驅動電子設備。表 1 顯示了常見視頻（VESA 和 SMPTE）格式的像素時鐘和系統時鐘速率。

HTPS面板的最大指定頻率為7 MHz，LCOS面板的最大指定頻率為40 MHz。

表2列出了具有常見視頻格式的HTPS和LCOS面板的相應最大建立時間和所需輸入通道數。LCOS面板的輸入數據假設為幀加倍，因為像素密度太高，無法使用列或線反轉而不會發生串擾。

驅動器工作頻率不足會導致與某些視頻格式或面板類型不兼容。兼容驅動器必須能夠在系統CLK頻率下工作，并在所需的建立時間內準確提供所需的輸出通道。過長的建立時間或不匹配的輸出通道精度會導致重影或列間電壓電平不匹配，從而導致圖像上的垂直線。

準確性

給定像素的每個顏色分量的光強度取決于驅動器輸出電平，而驅動器輸出電平取決于數字編碼幅度。給定通道中以及通道與通道之間和顏色之間的D/A轉換和驅動器放大誤差會導致強度和色值誤差;系統錯誤通過產生惱人的視覺效果來降低顯示效果。驅動器輸出中的絕對誤差與每個驅動器輸出中的均方根誤差成正比。DecDriver的絕對誤差規格包括所有誤差：即DAC非線性、滿量程誤差、失調誤差、放大器失調和通道匹配誤差。

為了最好地關聯鏡像偽影和驅動器誤差，均方根或差分誤差電壓VDE（圖3）定義為：

VDE(n) = ?[VOUT(n) – VOUTP(n)] – [VFS × (1 – n/1023)]

哪里

VOUTN(n)是INV被驅動為高電平時的輸出電壓
VOUTP(n) 是 INV 被驅動為低電平時的輸出電壓
?[VOUTN(n) – VOUTP(n)] 是輸出的均方根值
(VFS × (1 – n/1023)) 是理想輸出
n 是 210 個輸入代碼值之一
VFS是滿量程輸出電壓

將傳遞函數從中點VMID移開的共模誤差（圖4）定義為：

VCME(n) = ?{ ? [VOUTN(n) +VOUTP(n)] – VMID}

其中

?(VOUTN(n) +VOUTP(n))

共模誤差會導致串擾隨著像素密度的增加（即間距減?。┒黾?。

圖3.V的典型案例德或差分誤差。從左到右，圖顯示了傳遞函數、代碼 0 處的時域均方根信號、像素看到的均方根電壓以及誤差與 DAC 代碼的關系。

圖4.V的典型例子芝商所或共模（偏移）錯誤。如圖3所示，AD8380傳遞函數、代碼0處的時域均方根信號、像素看到的均方根電壓和V芝商所誤差是DAC代碼的函數。

設備特性

AD8380是一款10位、6通道器件，是DecDriver架構的首款實現方案，目前已量產。其模擬控制可調整輸出參考電平和滿量程電平;其數字控制包括反相、右/左加載、偶數/奇數數據以及順序和尋址鎖存加載。

采用 550V 模擬和 15.3V 數字電源時的功耗為 3 mW，或每個模擬通道功耗低于 100 mW。

參考輸入和邏輯控制有助于采用通用輸入和控制的模塊化設計。SXGA和更高分辨率的投影系統是使用每個彩色面板使用多個設備構建的。在額定溫度范圍內工作，輸入數據時鐘速率高達150 MSPS。

最大 V德誤差小于±7.5 mV（或1.5灰度級別）。如上所述，這包括DAC非線性引起的所有誤差、失調和滿量程誤差以及放大器增益誤差。共?；騐CME誤差小于±3.5 mV（0.7灰度級別）。參見圖 5。

圖5.典型的VDE和VCME作為輸入代碼的功能。

輸出放大器建立時間（圖 6）通常為 35 ns 至 0.25%，適用于 5V 步進至 150 pF 負載。從表 2 中請注意，這足以驅動具有 HDTV 分辨率的 LCOS 面板。

圖6.典型十驅輸出建立時間。

總結

在使用HTPS面板的商用12通道XGA系統的投影圖像中，看不到垂直線或其他圖像偽影。在這種具有 1000 流明輸出的投影系統上可以觀察到出色的色彩匹配，這是對傳統系統的顯著改進。通過消除集成在CMOS控制器上的DAC、增益放大器和用于解復用的采樣保持之間的外部微調元件，電路尺寸得以減小。對輸入邏輯選項和輸出圖像信號電平的集成控制使DecDriver IC成為直接接口的完整驅動電子子系統。到CMOS控制器和LCD面板，進一步節省電路板面積。集成輸出驅動放大器具有出色的動態性能，加上快速邏輯輸入和輸出精度，意味著可以使用多個DecDriver IC為SXGA或UXGA投影儀實現更高分辨率的系統。SXGA LCOS面板也證明了類似的結果，使用DecDriver架構的更高分辨率系統正在評估中。

審核編輯：郭婷