如何將液晶顯示器改為電視機

有源矩陣液晶顯示器 (AMLCD) 漸漸受到廣大的消費者歡迎。以一般家庭來說，家中客廳的大屏幕電視機很多都已改用液晶顯示的一種。電視機的畫面素質(zhì)要求極為嚴格，而且售價也要大眾化，因此要滿足消費者的要求并不容易。利用有源矩陣液晶顯示器生產(chǎn)平面顯示電視機的廠商必須設(shè)法提高畫面清晰度及色彩的亮麗程度，并降低其售價，才可望進一步擴大市場占有率。

廠商若想改造液晶顯示器的生產(chǎn)線，改為生產(chǎn)電視機，便要克服顯示技術(shù)上的幾個問題。首先，較大的屏幕及格式上的不同是必須解決的問題。大部分筆記本電腦都采用 14 英吋的 XGA 格式 (1024x768 像素)，而大部分臺式機液晶顯示監(jiān)視器都采用 17 英吋的 SXGA 格式 (1280x1024)。大屏幕液晶顯示電視機的入門級產(chǎn)品都不小于 30 英吋，而且都采用寬屏幕的 XGA Plus 格式 (1366x768)。40 英吋或以上的大屏幕液晶顯示電視機都采用真正的高畫質(zhì)電視 (HDTV) 格式 (1920x1080)，而且是市場上的高端產(chǎn)品。若以每一幀所需的數(shù)據(jù)為基準作比較，高畫質(zhì)電視格式所需的數(shù)據(jù)比寬屏幕的 XGA Plus 格式多 2.5 倍以上。

由于越來越多液晶顯示器采用 XGA 及 SXGA 的格式，因此廠商必須進一步降低產(chǎn)品的功耗及減少電磁干擾，差分信號傳輸技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸線路設(shè)計便成為這方面的主流解決方案。按照傳輸線路的理論，信號路徑應(yīng)視為電波導(dǎo)向，而非僅僅線路連系。這樣可確保信號在傳送時仍能保存其波形。新技術(shù)面世之后，數(shù)字像素數(shù)據(jù)便可直接傳送至每一列驅(qū)動器，而傳送速度極快，使所有像素數(shù)據(jù)可以在 1/60 秒的典型幀時間內(nèi)寫入列驅(qū)動器內(nèi)。

輸入電視機的信號必須具備高度的完整性，這個要求與筆記本系統(tǒng)顯示器及一般的監(jiān)視器無異。但大屏幕電視機對信號有更多新的要求，這是筆記本系統(tǒng)顯示器及普通監(jiān)視器的信號傳輸技術(shù)所無法一一滿足的。除了必須能夠支持大屏幕之外，新的信號傳輸技術(shù)還要滿足其他的要求。由于電視機的屏幕較大，視頻信號的傳輸距離也必然較長，因此由阻抗不匹配而產(chǎn)生的假像及差拍也會較多。此外，電視機列電路板的長度一般都與屏幕的寬度相同，但當電視機的屏幕達到 30 英吋左右，列電路板便必須一分為二，因為印刷電路板受生產(chǎn)工藝所限，大小有一定的極限，電路板一分為二會令信號路徑出現(xiàn)較多連接點，大大增加信號出現(xiàn)錯誤的機會，也令信號路徑設(shè)計變得更為復(fù)雜，原本希望盡量縮短電路以節(jié)省空間的愿望也就落空。但問題原來還不止此，照目前的發(fā)展趨勢估計，畫面的刷新頻率會逐漸提高至 90-120 赫茲 (Hertz)，以免有源矩陣液晶顯示器因為必須執(zhí)行掃描及保持功能而令動作畫面出現(xiàn)模糊化的現(xiàn)象。

高清晰度電視機除了對信號完整性有上述的嚴格要求外，每一像素的灰度級也比電腦監(jiān)視器多。液晶顯示電視機必須采用 30 位的像素 (紅綠藍三色各有 10 位的灰度)，而并非電腦監(jiān)視器普遍采用的 24 位像素。液晶顯示電視機必須采用 30 位的像素，才可確保在亮度梯度較淺的情況下，例如顯示黃昏的天空或茫茫的大海時，圖像不會出現(xiàn)輪廓邊線。我們?nèi)舭凑湛臻g梯度將亮度量化，便會產(chǎn)生一條明顯而突兀的線條。由于電視機一般都采用光暗對比較為強烈的設(shè)計，因此這種瑕疵在電視上便更為明顯。

增強灰度、色彩及光暗對比等效果固然有其必要，這是不言而喻的，但除此之外，圖像增強處理技術(shù)也可通過亮度調(diào)節(jié)功能，確保圖像的準確度高達 30 位。液晶顯示器無法充分顯示黑暗環(huán)境的光暗對比度，因為顯示器無法將每一像素內(nèi)的光閥全部關(guān)閉。換言之，光閥出現(xiàn)泄漏。目前這一代的高端液晶顯示電視機都采用先進的光暗對比技術(shù)，因此光暗對比度接近 1000:1，但傳統(tǒng)液晶顯示電視機的光暗對比度只有高端產(chǎn)品的一半左右。圖像處理技術(shù)出現(xiàn)之后，這個情況獲得大幅的改善。這種圖像處理技術(shù)可以逐格審視圖像幀，以及擴大主要的亮度范圍，使亮度范圍較小 (即光暗對比較小) 的圖像可以通過調(diào)節(jié)增加其灰度級，以增強灰度效果。

對于電視機來說，我們這一代消費者最重視的是電視機的色彩效果。若將不同品牌的電視機放在一起加以比較，大部分消費者都以色彩是否斑爛作為他們的選購指標。基于這個原因，業(yè)界一直在努力研究如何將圖像的不同顏色準確套入個別液晶顯示屏幕的彩色空間。色彩的套入通過圖像的映射完成，整個映射過程將圖像轉(zhuǎn)為適當?shù)牧髅骷吧瓤臻g，而在處理過程中圖像的某些顏色會被突出，其他顏色則會淡化。經(jīng)過這樣的處理之后，紅綠藍三色的精確度比原本圖像的色度更為精確，因此電視機必須采用 10 位灰度 (30 位像素)，才可恰當處理及改善圖像，以免出現(xiàn)一段段截斷的假像。

一般的消費者也許會感到有點意外，液晶顯示器的速度竟然無法跟得上視頻系統(tǒng)。他們不知道電腦監(jiān)視器等應(yīng)用可以容忍較慢的像素響應(yīng)時間。但電視廣播的要求則完全不同。每一幀 -- 若以隔行掃描為例來說，則每半個幀 -- 的數(shù)據(jù)必須在 1/60 秒或 1/50 秒之內(nèi)全部捕捉過來。以動作圖像來說，電視畫面比每一格影片更為細致。此外，播放電視圖像的幀速率比電影院播放每格膠片的速度快。電視的播放速度如此高，充分顯示電視機需要具備較快的響應(yīng)時間。對于高畫質(zhì)電視機來說，響應(yīng)時間尤其具有舉足輕重的作用。但對于其他視頻系統(tǒng)來說，響應(yīng)時間的快慢并不那么重要。

基于以上的原因，液晶顯示電視機必須加設(shè)響應(yīng)時間補償 (RTC) 過驅(qū)動電路模塊，以便為液晶顯示器的較慢光學響應(yīng)提供補償。這個響應(yīng)時間補償電路模塊設(shè)于定時控制器 (TCON) 之內(nèi)，負責截取數(shù)字視頻流，然后將每一像素的前一個灰度指令與最新的灰度指令加以比較，再從查閱表 (LUT) 挑選另一個已預(yù)設(shè)的灰度級。這個預(yù)先寫入查閱表的替用灰度值是通過實驗挑選出來的，以便在幀尾段將亮度提升至目標值。若新的灰度級比前一級更淺色，系統(tǒng)便會發(fā)出指令，要求先提供一個更淺色的灰度級。若新的灰度級較深色，系統(tǒng)便會先發(fā)出一個遠比這個灰度級深色的指令。

液晶顯示器及筆記本系統(tǒng)監(jiān)視器所采用的結(jié)構(gòu)及技術(shù)根本無法滿足液晶顯示電視機的嚴格要求 (參看圖1)。多站式差分總線結(jié)構(gòu)利用不同的傳輸線將數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳送至列驅(qū)動器，但這樣的結(jié)構(gòu)難以應(yīng)付液晶顯示電視機的繁重工作量。例如，傳送信號時，信號波形必須保持完美，以便電視機能夠以更高速度傳送數(shù)據(jù)。但由于信號的傳送線路較長，加上電視機的屏幕更大，采用的列驅(qū)動器站也就更多，因此數(shù)據(jù)傳輸速率便很難滿足要求。為了解決這些問題，有些公司正在研發(fā)級聯(lián)式結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是利用傳統(tǒng)的總線連接列驅(qū)動器的一端，數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖之后，再轉(zhuǎn)送到下一個列驅(qū)動器。傳統(tǒng)的總線只要采用這個結(jié)構(gòu)，便可支持點至點的傳送方式，其優(yōu)點是信號素質(zhì)有更高的保證，但缺點是要添加更多列驅(qū)動器輸入/輸出端及相關(guān)電路。利用級聯(lián)方式將總線結(jié)構(gòu)重新改造雖然可以改善信號完整性，但仍然無法滿足其他的要求，例如提供更精確的灰度，增強光暗對比度，改善色彩管理，以及添加其他更先進的功能。 


 

圖1：典型液晶顯示器模塊的主要功能塊設(shè)有多站式差分總線，可以通過不同的傳輸線將數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳送至列驅(qū)動器。這樣的結(jié)構(gòu)只適用于一般的監(jiān)視器及筆記本系統(tǒng)顯示器，但難以應(yīng)付液晶顯示電視機的繁重工作量。


首先要指出的一點是，對于采用電阻串數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(RDAC) 及列驅(qū)動器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說，要在符合成本效益的基礎(chǔ)上提供每一顏色 10 位的灰度是一個很艱巨的挑戰(zhàn)。一直以來，只有筆記本系統(tǒng)顯示器及一般的監(jiān)視器才采用 RDAC結(jié)構(gòu)設(shè)計。這個結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，數(shù)字灰度級的數(shù)據(jù)會通過差分傳輸線總線傳送至列驅(qū)動器。列驅(qū)動器會通過映射將有關(guān)數(shù)值傳送至串行電阻串上的其中一個電壓節(jié)點。根據(jù)列驅(qū)動器的原有設(shè)計，每一節(jié)點的電壓都設(shè)定在某一指定的水平，并確保這一設(shè)定的電壓可以將液晶顯示器的亮度調(diào)節(jié)至可與某一灰度級相匹配的水平。換言之，R DAC不但負責執(zhí)行數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換功能，而且還負責執(zhí)行反伽瑪轉(zhuǎn)換功能，而后者可通過映射確保液晶顯示器所獲得的供電電壓能配合每一灰度級所要求的顯示器亮度。

R DAC可以在 64 灰度級 (6 位) 的環(huán)境下迅速執(zhí)行這兩個功能。但以 256 灰度級 (8 位) 的系統(tǒng)來說，由于增加了灰度級，因此列驅(qū)動器必須將 256 個電壓的兩個電極分別由芯片的一端傳送至另一端，加上每一輸出端都需要設(shè)有電路，以便進行譯碼以及從中挑選一個合適的電壓，因此列驅(qū)動器的裸片面積會占去整體裸片面積的大部分。若灰度級增至 1024 (10 位)，并假設(shè)其他條件不變，所占用的裸片面積實在太大，令整個設(shè)計無法發(fā)揮應(yīng)有的作用。

美國國家半導(dǎo)體的設(shè)計取向與采用 R DAC的傳統(tǒng)設(shè)計大不相同。我們成功開發(fā)一款采用線性循環(huán)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的列驅(qū)動器。由于這個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的裸片面積較小，每一輸出端都可裝設(shè)兩個相同的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，每一電極各有一個。當其中一個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器正在不停轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)以供下一條影線使用時，另一個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器已利用剛在上一條影線已轉(zhuǎn)變的電壓驅(qū)動目前這條影線。這個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的主要特點是能夠通過靈活調(diào)節(jié)功能提高位的準確度。若要提高分辨度，只需提高同一數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器電路的操作周期便可，而無需加大裸片面積。由于我們采用這種結(jié)構(gòu)，因此能夠在極具成本效益的基礎(chǔ)上利用較細小的裸片提供 10 位的灰度級。典型的 10 位點至點差分信號傳輸 (PPDS) 列驅(qū)動器的裸片體積不但比典型的 8 位 RDAC列驅(qū)動器小，而且小一半以上。

這個設(shè)計取向的另一優(yōu)點是數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換電路不再負責執(zhí)行反伽瑪功能。換言之，每一列驅(qū)動器輸出端都可將數(shù)字電壓值直接轉(zhuǎn)為模擬電壓值。設(shè)于上游的定時控制器 (TCON) 則負責將數(shù)字灰度級轉(zhuǎn)為數(shù)字電壓。換言之，定時控制器內(nèi)的查閱表負責執(zhí)行反伽瑪功能，這個設(shè)計具有較大的靈活性，使每一灰度級可以通過映射配合平面液晶顯示器的亮度。事實上，定時控制器可為每一顏色分別提供不同的查閱表，甚至可以實時更新有關(guān)圖表，以便能夠就不同圖像源、對比增強、顏色管理、以至溫度轉(zhuǎn)變作出相適應(yīng)的調(diào)節(jié)。

列驅(qū)動器結(jié)構(gòu)是整個點至點差分信號傳輸 (PPDS) (參看圖 2) 結(jié)構(gòu)的其中一部分。顧名思義，點至點差分信號傳輸并不是多站式總線，而是由多條獨立的點至點鏈路組成的線路系統(tǒng)，可為每一列驅(qū)動器提供一條通道。這條通道可以傳送列驅(qū)動器的控制數(shù)據(jù)及數(shù)字電壓數(shù)據(jù)，而列驅(qū)動器會將這些數(shù)字電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為模擬電壓數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)采用脈沖串模式將數(shù)據(jù)傳送到列驅(qū)動器，而且在同一時間內(nèi)只有一個列驅(qū)動器能夠接收數(shù)據(jù)，因為總線是共用的。若采用 PPDS 結(jié)構(gòu)，所有列驅(qū)動器都可同時接收數(shù)據(jù)。因此即使只有一條差分通道為每一列驅(qū)動器提供數(shù)據(jù)，但這條通道在整個時段內(nèi)都可使用。因此這兩個系統(tǒng)的時鐘頻率有很大差別。



 

圖2：全新點至點差分信號傳輸 (PPDS) 結(jié)構(gòu)是一個由多條獨立的點至點鏈路組成的線路系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的多站式總線完全不同。每一通道都可傳送列驅(qū)動器的控制數(shù)據(jù)及數(shù)字電壓數(shù)據(jù)，而列驅(qū)動器負責將這些數(shù)字電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為模擬電壓數(shù)據(jù)。


PPDS 系統(tǒng)的其中一個重要特點是，可以通過逐行送往每一列驅(qū)動器的打包標題分別控制每一列驅(qū)動器。這個結(jié)構(gòu)必須采用這種嵌入式的控制方式，因為只有這樣，列驅(qū)動器與定時控制器才可以無需互相傳送個別的專用信號，有助縮小系統(tǒng)體積及節(jié)省成本。由于系統(tǒng)可以靈活控制列驅(qū)動器，因此能夠執(zhí)行特別的波形控制功能。要驅(qū)動大屏幕電視機，便必須控制驅(qū)動平面顯示器的波形，以便達致最佳的信號傳播效果以及提高像素充電率。

由于定時控制器能夠分別提供各自獨立的紅綠藍伽瑪查閱表，因此可以準確校正每一灰度級的色溫。由于紅綠藍伽瑪查閱表都各自獨立，讓每一顏色都可獲得獨立的伽瑪校正，因此可為所有灰度級提供固定的色溫，而且更可將這種技術(shù)的應(yīng)用范圍擴大至高效能系統(tǒng)。由于定時控制器可以直接進入伽瑪查閱表進行存取，因此可以靈活因應(yīng)不同內(nèi)容實時調(diào)節(jié)伽瑪校正功能，調(diào)節(jié)的幅度大少則由定時控制器內(nèi)的圖像處理單元決定。新一代的配置相信可以在顯示器的不同窗口內(nèi)提供不同的伽瑪傳送功能 (參看圖3)。電腦操作系統(tǒng)可為定時控制器提供窗口邊界坐標，然后命令定時控制器根據(jù)要寫入的不同顯示區(qū)選擇不同的伽瑪查閱表。


 

圖3：由于 PPDS 結(jié)構(gòu)的伽瑪查閱表設(shè)于定時控制器之內(nèi)，因此畫中畫窗口可以進行不同的伽瑪映射，使每一圖像可以發(fā)揮獨特的色彩效果。


生產(chǎn)大屏幕電視機的廠商都希望能夠生產(chǎn)效果媲美影院的產(chǎn)品。若要確保畫面效果可以媲美影院，灰度級是否準確以及色彩管理是否完善都是成敗的關(guān)鍵。由輸入到輸出的整個顯示過程之中，PPDS 結(jié)構(gòu)都可支持 30 位的全彩色精確度。由于具有這樣的精確度，再加上獨立伽瑪查閱表所提供的多種功能，因此圖像處理的效果可以獲得大幅提升，使多姿多采的畫面可以呈現(xiàn)在觀眾的眼前。此外，由于圖像的色彩及光暗對比度獲得增強，因此圖像的灰度級更為準確。由于各自獨立的伽瑪查閱表各有自己的設(shè)定，因此可以直接控制圖像效果，無需利用色彩增強或其他方法達到每一像素要求的亮度。

對于監(jiān)視器及筆記本系統(tǒng)顯示器來說，液晶顯示器模塊只扮演一個極為低調(diào)的角色，例如接收灰度級指令，然后為平面顯示器提供控制信號，以便產(chǎn)生所要求的灰度級。電視機的要求則不同，平面顯示技術(shù)要兼顧畫面效果，例如增強彩色深度，改善色彩平衡，增強動態(tài)對比，提供響應(yīng)時間補償以及色溫控制。由于 PPDS 結(jié)構(gòu)可以支持這些創(chuàng)新的技術(shù)，因此液晶顯示電視機毫無疑問會成為消費者的至愛，液晶顯示技術(shù)的前景可說一片璀璨。