驅(qū)動(dòng)電平對(duì)于液晶光閥輸出圖像的影響

--淺談驅(qū)動(dòng)電平對(duì)于液晶光閥輸出圖像的影響

在之前的文章中，給大家介紹過(guò)空間光調(diào)制器的電尋址驅(qū)動(dòng)方式，在這種驅(qū)動(dòng)方式下，液晶盒像素電極兩端的電荷量的改變產(chǎn)生的電壓差會(huì)使得液晶分子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響成像。那么，什么樣的驅(qū)動(dòng)電平變化會(huì)造成輸出圖像灰度的變化呢？

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為了解決這個(gè)問(wèn)題，讓我們先從電平標(biāo)準(zhǔn)的定義開始，逐步了解電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在空間光調(diào)制器使用過(guò)程中，調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換輸入及輸出電平的方式，進(jìn)而對(duì)驅(qū)動(dòng)像素的灰階電壓有一定的認(rèn)知：

01

1. 電平標(biāo)準(zhǔn)的定義

電平即為兩功率或電壓、有時(shí)也可指電流之比的對(duì)數(shù)，而邏輯電平則指的是可由地線與信號(hào)線之間的電位差體現(xiàn)的一種產(chǎn)生信號(hào)的狀態(tài)，本文要討論的就是液晶驅(qū)動(dòng)中的邏輯電平。在了解邏輯電平的過(guò)程，需要知道以下幾個(gè)概念：

a. 輸入高電平（Vih）:保證邏輯門的輸入為高電平時(shí)所允許的最小輸入高電平，當(dāng)輸入電平高于Vih時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為高電平；

b. 輸入低電平（Vil）:保證邏輯門的輸入為低電平時(shí)所允許的最大輸入低電平，當(dāng)輸入電平低于Vil時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為低電平；

c. 輸出高電平（Voh）:保證邏輯門的輸出為高電平時(shí)的輸出電平的最小值，邏輯門的輸出為高電平時(shí)的電平值都必須大于此Voh；

d. 輸出低電平（Vol）:保證邏輯門的輸出為低電平時(shí)的輸出電平的最大值，邏輯門的輸出為低電平時(shí)的電平值都必須小于此Vol；

目前常用的邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)有TTL、CMOS、LVTT、LVCMOS、RS232、RS485、ECL、PECL、LVPECL等，一些高速的電平有：LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等，其對(duì)應(yīng)的電平標(biāo)準(zhǔn)可參見(jiàn)下圖：

02

電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換

在啟動(dòng)空間光調(diào)制器并加載不同的信號(hào)時(shí)，由信號(hào)源輸出給到的空間光調(diào)制器電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)由于電平標(biāo)準(zhǔn)與液晶光閥所需的標(biāo)準(zhǔn)不一致，所以需要根據(jù)液晶光閥的設(shè)計(jì)需求轉(zhuǎn)換電平，這些工作均在電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電路板與液晶面板上由相關(guān)電平轉(zhuǎn)換電路完成。

如上圖中一款以HDMI作為視頻傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)字電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，信號(hào)和控制數(shù)據(jù)分別以TMDS及TTL的電平格式傳給HDMI接收芯片，HDMI接收芯片將信號(hào)解碼轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VTTL的格式發(fā)送給視頻處理專用芯片或者FPGA芯片，經(jīng)過(guò)信號(hào)的調(diào)制處理后再以LVDS的格式傳輸給液晶顯示器（LCD）面板上的驅(qū)動(dòng)和控制電路。

其中，在視頻信號(hào)輸出端分別采用LVDS是一種低擺幅的差分信號(hào)技術(shù)，它使得信號(hào)能在差分PCB線對(duì)或平衡電纜上以幾百M(fèi)bps的速率傳輸，同時(shí)，其低壓幅和低電流驅(qū)動(dòng)輸出的輸出方式也可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低噪聲和低功耗，對(duì)于空間光調(diào)制器的圖像傳輸有著良好的表現(xiàn)。

03

液晶驅(qū)動(dòng)的灰階電壓

在空間光調(diào)制器系統(tǒng)輸入端接收了一定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電平并由電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，輸出給到液晶面板中的掃描驅(qū)動(dòng)集成電路，由此電路輸出邏輯控制電平通過(guò)掃描線(如上圖中標(biāo)紅位置所示)將電壓差作用給諸如TFT開關(guān)器件的漏極，當(dāng)邏輯電平為“1”，即高電平時(shí)，TFT打開，同時(shí)信號(hào)線VID1~24可將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)集成電路輸出的灰階電壓作用在液晶像素電極上，與公共極之間的電壓差所產(chǎn)生的電場(chǎng)可以驅(qū)動(dòng)液晶產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)效果，從而形成不同的灰階顯示，如下圖a,b所示，其中圖a是公共極（COM）電壓固定的驅(qū)動(dòng)方式，圖b是公共極（COM）電壓變化的驅(qū)動(dòng)方式，產(chǎn)生的256灰階（8bits）的信號(hào)電壓波形變化，對(duì)應(yīng)每個(gè)灰階的信號(hào)電壓分別是V0~V255。

圖a COM電壓固定驅(qū)動(dòng)

作為像素電壓的基準(zhǔn)電壓，公共極的電壓VCOM在固定的情況下，信號(hào)電壓根據(jù)灰階的不同，在固定的COM電極電壓上下不停變動(dòng)，每個(gè)灰階對(duì)應(yīng)的電壓的絕對(duì)值在前后兩幀呈小于VCOM 和大于VCOM依次變化，小于VCOM時(shí)呈負(fù)極性，大于VCOM時(shí)呈正極性，前后兩幀灰階電壓與VCOM的電壓差的絕對(duì)值相等，從而保證畫面顯示的灰階不變。

圖b COM電壓變化驅(qū)動(dòng)

公共極電壓VCOM交流變化的情況下，在每一幀的時(shí)間內(nèi)值是固定，當(dāng)同一灰階對(duì)應(yīng)的像素需要呈正極性狀態(tài)時(shí)，VCOM電壓輸出極小值，所有的灰階電壓都比這個(gè)極小值大，當(dāng)同一灰階對(duì)應(yīng)的像素需要呈負(fù)極性狀態(tài)時(shí)，VCOM電壓輸出極大值，所有灰階電壓均比這個(gè)極大值小。在前后兩幀周期內(nèi)，灰階電壓隨著VCOM電壓的反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn)。V0~ V127在VCOM電壓輸出極小值呈高電平狀態(tài)，在VCOM電壓輸出極大值時(shí)呈低電平狀態(tài)，而V128~ V255的高低電平反轉(zhuǎn)和V0~ V127相反，以此保證前后兩幀的灰階電壓和VCOM電壓之差的絕對(duì)值不變。

公共極電壓固定的驅(qū)動(dòng)方式中，最大的灰階驅(qū)動(dòng)電壓值相當(dāng)于在公共極電壓的基礎(chǔ)上加上本身的幅值大小，而在公共極電壓變化的驅(qū)動(dòng)方式中，最大的灰階驅(qū)動(dòng)電壓值不能超過(guò)公共極電壓的大小。這就意味著采用公共極電壓變化的驅(qū)動(dòng)方式，可以使得功耗和驅(qū)動(dòng)集成電路設(shè)計(jì)成本大大降低，不過(guò)也會(huì)由于公共極電壓反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的延遲造成橫向串?dāng)_的缺點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)：不同的驅(qū)動(dòng)電平會(huì)給以邏輯門開關(guān)為主的數(shù)字系統(tǒng)帶來(lái)不同的使用效果，在電子信息技術(shù)長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中，人們?cè)谑褂眉皟?yōu)化中制定并改進(jìn)了各種電平標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)換間更好的兼容性及擴(kuò)展性，同時(shí)電平標(biāo)準(zhǔn)也朝著低壓、低功耗的方向不斷發(fā)展，給各種電子產(chǎn)品的噪聲容限的改善、以及傳輸速度提升方面帶來(lái)契機(jī)，相信在不久的將來(lái)，隨著半導(dǎo)體和集成電路行業(yè)的發(fā)展，空間光調(diào)制器所使用驅(qū)動(dòng)電路的電平標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)后，產(chǎn)品的性能也會(huì)迎來(lái)質(zhì)的飛躍。

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