先进的LCD驱动器支持设计低成本、高性能的数据投影仪

作者：Ed Spence and Zoltan Frasch

近年来，基于液晶显示器 （LCD） 技术的数据投影仪取得了长足的进步，更小、成本更低的设备可提供更高的亮度和更高的分辨率。因此，投影机已经从安装的大型会议室显示装置发展成为工作组和销售组织的日常工具，以及家庭娱乐系统的主要产品。这里讨论的DecDriver IC是这些显示器当前和未来改善视觉质量以及降低成本的主要因素。

如今，投影机显示引擎中使用的主导技术包括三种（RGB-红色、绿色、蓝色）高温多晶硅（HTPS）液晶显示器（LCD）微型显示器。三个彩色LCD微型显示器具有单独的颜色数据，它们的光输出在通过镜头投影到屏幕上之前以光学方式相加。与基于旋转色轮的现场顺序单面板系统相比，该系统可以更好地控制色彩质量，提高亮度和效率，并且“颜色分解”的可能性要小得多。

最近，一种更新的LCD技术正在进入投影市场，基于低成本硅晶圆 - 硅上液晶（LCOS）。基于LCOS的投影引擎有可能实现低成本家庭影院以及其他大型场所显示器，如公共显示器和大型背投监视器或工作站。LCOS微型显示器为这些应用带来的好处包括比目前使用HTPS LCD面板实现的更高的分辨率，以及尚未实现的低成本潜力。LCOS的其他优势包括更高的像素密度，更小的面板尺寸和更高的孔径比。在家庭娱乐中，投影机引擎的使用将包括前投影和背投，并且需要超过2万全彩像素（10位伽马校正）的分辨率。

LCOS和HTPS显示技术都是基于LCD的;它们需要高性能的驱动电子设备来提供高质量、高分辨率的显示器。有关像素、格式、分辨率和时钟速率的简要说明，请参阅下面的脚注。

微显示器接口与今天的笔记本电脑显示器不同，笔记本电脑显示器现在通常是a-Si（非晶态，有源矩阵LCD显示器）。这些笔记本电脑显示器需要为每列像素配备一个单独的驱动程序。这个接口很慢，而且IC器件往往在每个芯片上集成多达384个驱动器，而且长度不成比例。

另一方面，HTPS或LCOS微型显示器集成了多路复用器（MUX）功能，以在像素列之间分配成像信号。物理像素本身在简单的采样保持电路中充当负载电容，在LCD材料响应时保持成像信号。多路复用器的输入需要大大减少接口通道的数量，以更高的速度换取更简单的电路。这减少了微显示器的片上扇出，目前微显示器沿对角线的测量距离仅为0.5英寸。此外，这种配置还降低了驱动电子设备的功耗、面积和成本。最重要的是，虽然高端笔记本电脑显示器可能包括8位驱动器，但目前用于投影引擎的微型显示器使用10位伽马校正输入。需要这种更高质量的图像，因为投影图像太大，显示显示伪影在10英寸笔记本电脑显示器上不容易注意到。对更高质量图像和更高速度的需求要求驱动电子设备提高性能。

这些模拟驱动器的关键品质因数现在包括良好的绝对输出电压精度、快速输出电压建立到容性负载、高数据速率、紧凑的占位面积和低功耗。针对家庭影院市场的界面设计应继续依赖LCD微型显示器的模拟输入，以避免高速逻辑噪声并提高应用于显示器像素的信号质量。

在DecDriver芯片问世之前，用于微型显示器的传统驱动电子解决方案基于采样保持拓扑，可及时抽取数字成像数据。需要抽取以使输入的高速数据速率与LCD像素相对有限的带宽相匹配。集成在HTPS面板上的多路复用功能将模拟图像信号分布在像素列上，在每个时钟周期加载一组有限的像素，一直持续到一行像素填满。基于采样保持的驱动器存在一些限制，导致图像质量差——PCB面积大、获得大于XGA的分辨率的能力有限（见表1）以及高功耗。采样保持功能中的误差（由于基座、下垂和建立时间）限制了该架构的显示质量，影响了颜色匹配并阻碍了更高分辨率所需的系统速度。无论控制器ASIC（负责定时、图像信号处理等）是否包括高速视频DAC，分立视频放大器本质上都需要提供必要的动态电压范围和建立时间。它们反过来驱动抽取所需的采样保持放大器。

此外，增加像素数，同时保持刷新率固定，需要更快的驱动电子设备。对于LCOS尤其如此，因为LCOS技术更快的响应时间和双帧速率要求面板接口具有比HTPS所需的通道更少（但快得多）。

除了速度问题，家庭影院质量的LCOS显示器与HTPS具有相同的需求。面板的模拟输入必须具有良好的通道间精度、宽动态范围和快速建立时间。

数字化抽取架构

AD8380 DecDriver（抽取驱动器）IC是一款单芯片芯片解决方案，可提供以高速、高精度将10位伽马校正镜像直接驱动到高分辨率HTPS和LCOS面板上所需的所有性能。它通过锁存来自控制器的高速数字数据，然后传输给定信号上的所有通道，从而有效地取代了采样/保持功能，从而通过将数据转换为并行模拟成像信号来实现时间抽取。®

图1.由两个DecDriver IC驱动的XGA微型显示面板的简化视图。

DecDriver旨在通过使用新的高密度26 V快速双极性工艺在同一芯片上制造DAC和驱动放大器来优化建立时间和功耗。通过将高压输出驱动放大器与快速双极性DAC集成，它们可以在工厂进行微调，以满足所需的绝对精度规格。

这种完整的解决方案专为高输出精度而设计，还允许完全控制成像信号，包括对比度、亮度、信号反转和输出VCOM电平，而不会牺牲精度。组合的速度、灵活的逻辑控制和激光调整的输出精度允许在 XGA、SXGA 和更高分辨率系统中互换使用多个 DecDriver 器件进行模块化设计。

前投影和背投系统需要彼此相反方向的扫描，因此提供了L/R控制来确定数据的锁存方向，从而更容易设计前背投系统。E/O提供了锁存交替时钟边沿的能力，简化了双高速数据路径的解复用。

图2.AD8380 十进制驱动器 IC 功能框图快速 10 位输入被锁存，然后通过 DAC，以 XFR 脉冲输出视频放大器。输出电压电平由 VREF、INV 和 VMID 控制控制。

显示性能

更高分辨率的显示器需要更高的像素时钟速率，因此需要更快的驱动电子设备。表 1 显示了常见视频（VESA 和 SMPTE）格式的像素时钟和系统时钟速率。

HTPS面板的最大指定频率为7 MHz，LCOS面板的最大指定频率为40 MHz。

表2列出了具有常见视频格式的HTPS和LCOS面板的相应最大建立时间和所需输入通道数。LCOS面板的输入数据假设为帧加倍，因为像素密度太高，无法使用列或线反转而不会发生串扰。

驱动器工作频率不足会导致与某些视频格式或面板类型不兼容。兼容驱动器必须能够在系统CLK频率下工作，并在所需的建立时间内准确提供所需的输出通道。过长的建立时间或不匹配的输出通道精度会导致重影或列间电压电平不匹配，从而导致图像上的垂直线。

准确性

给定像素的每个颜色分量的光强度取决于驱动器输出电平，而驱动器输出电平取决于数字编码幅度。给定通道中以及通道与通道之间和颜色之间的D/A转换和驱动器放大误差会导致强度和色值误差;系统错误通过产生恼人的视觉效果来降低显示效果。驱动器输出中的绝对误差与每个驱动器输出中的均方根误差成正比。DecDriver的绝对误差规格包括所有误差：即DAC非线性、满量程误差、失调误差、放大器失调和通道匹配误差。

为了最好地关联镜像伪影和驱动器误差，均方根或差分误差电压VDE（图3）定义为：

VDE(n) = ½[VOUT(n) – VOUTP(n)] – [VFS × (1 – n/1023)]

哪里

VOUTN(n)是INV被驱动为高电平时的输出电压
VOUTP(n) 是 INV 被驱动为低电平时的输出电压
½[VOUTN(n) – VOUTP(n)] 是输出的均方根值
(VFS × (1 – n/1023)) 是理想输出
n 是 210 个输入代码值之一
VFS是满量程输出电压

将传递函数从中点VMID移开的共模误差（图4）定义为：

VCME(n) = ½{ ½ [VOUTN(n) +VOUTP(n)] – VMID}

其中

½(VOUTN(n) +VOUTP(n))

共模误差会导致串扰随着像素密度的增加（即间距减小）而增加。

图3.V的典型案例德或差分误差。从左到右，图显示了传递函数、代码 0 处的时域均方根信号、像素看到的均方根电压以及误差与 DAC 代码的关系。

图4.V的典型例子芝商所或共模（偏移）错误。如图3所示，AD8380传递函数、代码0处的时域均方根信号、像素看到的均方根电压和V芝商所误差是DAC代码的函数。

设备特性

AD8380是一款10位、6通道器件，是DecDriver架构的首款实现方案，目前已量产。其模拟控制可调整输出参考电平和满量程电平;其数字控制包括反相、右/左加载、偶数/奇数数据以及顺序和寻址锁存加载。

采用 550V 模拟和 15.3V 数字电源时的功耗为 3 mW，或每个模拟通道功耗低于 100 mW。

参考输入和逻辑控制有助于采用通用输入和控制的模块化设计。SXGA和更高分辨率的投影系统是使用每个彩色面板使用多个设备构建的。在额定温度范围内工作，输入数据时钟速率高达150 MSPS。

最大 V德误差小于±7.5 mV（或1.5灰度级别）。如上所述，这包括DAC非线性引起的所有误差、失调和满量程误差以及放大器增益误差。共模或VCME误差小于±3.5 mV（0.7灰度级别）。参见图 5。

图5.典型的VDE和VCME作为输入代码的功能。

输出放大器建立时间（图 6）通常为 35 ns 至 0.25%，适用于 5V 步进至 150 pF 负载。从表 2 中请注意，这足以驱动具有 HDTV 分辨率的 LCOS 面板。

图6.典型十驱输出建立时间。

总结

在使用HTPS面板的商用12通道XGA系统的投影图像中，看不到垂直线或其他图像伪影。在这种具有 1000 流明输出的投影系统上可以观察到出色的色彩匹配，这是对传统系统的显着改进。通过消除集成在CMOS控制器上的DAC、增益放大器和用于解复用的采样保持之间的外部微调元件，电路尺寸得以减小。对输入逻辑选项和输出图像信号电平的集成控制使DecDriver IC成为直接接口的完整驱动电子子系统。到CMOS控制器和LCD面板，进一步节省电路板面积。集成输出驱动放大器具有出色的动态性能，加上快速逻辑输入和输出精度，意味着可以使用多个DecDriver IC为SXGA或UXGA投影仪实现更高分辨率的系统。SXGA LCOS面板也证明了类似的结果，使用DecDriver架构的更高分辨率系统正在评估中。

审核编辑：郭婷