LCoS彩色時序控制器的ASIC設(shè)計

基于頭盔顯示器對便攜性的要求，要實現(xiàn)微型化和低功耗，將彩色時序控制器設(shè)計為單片的asic是較好的解決方案。本文正是針對應用lcos(liquid crystal on silicon)微型顯示器的hmd，進行其中彩色時序控制器的asic設(shè)計。
　　
彩色時序原理

彩色時序方法的原理是：首先把每場圖像中的紅綠藍信息分離出來，然后在每一場的時間內(nèi)分3個子場分別把紅綠藍圖像寫入顯示屏，在每個子場的掃描過程結(jié)束以及液晶反應之后依次點亮紅綠藍3色光源，從而在一場的時間內(nèi)依次顯示紅綠藍3幅圖像，利用人眼睛的特性合成彩色。

彩色時序法的優(yōu)點是不使用彩色濾色片，一個物理像素也就是實際的一個像素，有利于在同樣尺寸的顯示屏上實現(xiàn)更高的分辨率。與空間濾色器的方法相比，使用彩色時序的方法使分辨率提高為原來的３倍，即如果在相同的分辨率下，其顯示屏尺寸僅為原來的1/3。由于彩色時序是將每場的信息分3個子場在一場時間內(nèi)寫入顯示屏，這就使場頻提高為原來的3倍，相應的，點時鐘頻率也提高為原來的3倍。減小顯示屏的面積也需要提高頻率，這是基于單晶硅的高遷移性能而實現(xiàn)的。同時，場頻和點時鐘頻率的提高也給顯示器的視頻系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。
　　
lcos微型顯示技術(shù)

lcos微型液晶顯示技術(shù)是采用與超大規(guī)模集成電路兼容的設(shè)計和制造方法將硅基顯示矩陣和相關(guān)驅(qū)動電路集成在一起所構(gòu)成的微型顯示芯片。lcos屬于反射式微型液晶顯示技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在單晶硅襯底上，利用cmos工藝把顯示矩陣和驅(qū)動電路集成在一起， lcos的像素電極是用鋁制作的反射鏡面，在像素電極下面設(shè)置有金屬擋光層，可以防止像素驅(qū)動晶體管受強光照射。lcos的結(jié)構(gòu)示意圖如圖１所示，液晶層的一側(cè)是具有反射電極的lcos芯片基板，另一側(cè)是ito玻璃，中間的液晶層厚度一般為2~3mm。

lcos器件中光的傳播路線同樣如圖1所示：當光源發(fā)出的光到達pbs(polarization beam splitter，偏振分光鏡)時p極的光透過， s極光被反射到達鋁反射鏡，此時加在鋁反射鏡電極和ito電極之間的電壓將使s極光轉(zhuǎn)換為p極光，所以被鋁反射鏡反射的光為p極光，可以透過pbs投射到人的瞳孔(nte近眼顯示)或者大屏幕(投影顯示)。

lcos芯片不僅解決了顯示矩陣與驅(qū)動電路之間的連接問題，而且與穿透式lcd相比，具有更高的分辨率、光利用效率和更成熟的制造技術(shù)。

lcos彩色時序控制器的電路設(shè)計

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的lcos彩色時序控制器asic可以驅(qū)動分辨率最高為1280×1024的lcos微型顯示屏，其功能是：輸入24位的數(shù)據(jù)信號(r:g:b＝8:8:8)以及時序信號vs、hs、clk等，將數(shù)據(jù)信號r、g、b按照一定的數(shù)據(jù)變換格式分別寫入一組存儲器的3個區(qū)，而同時讀另一組存儲器，按順序?qū)、g、b三個子場的數(shù)據(jù)送入lcos屏實現(xiàn)彩色時序的顯示。另外，還要提供lcos屏所需要的同步信號以及點時鐘信號等。要完整地實現(xiàn)該過程，彩色時序控制器必須包括數(shù)據(jù)變換電路、時序信號產(chǎn)生電路和存儲控制電路等3部分。其總體電路框圖如圖2所示，下面將介紹各部分電路的具體功能和設(shè)計。

數(shù)據(jù)變換電路的設(shè)計

由于lcos屏的數(shù)據(jù)驅(qū)動電路采用了4組移位寄存器，2組從屏的上方寫入數(shù)據(jù)，另2組從屏的下方寫入數(shù)據(jù)，所以需要每次寫入4個各8位的像素數(shù)據(jù)。這種驅(qū)動方式使得lcos屏所需要的點時鐘頻率降為只采用1組移位寄存器作數(shù)據(jù)驅(qū)動時的1/4。但是由于寫入方式的改變，要求對原來每個像素24位(r:g:b=8:8:8)的數(shù)據(jù)格式進行變換，需要變換為4個像素各32位的r、g、b分別寫入lcos屏。8位移位寄存器的思路很好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從24位到32位的變換。

這種移位寄存器的方法實現(xiàn)了r、g、b從8位到32位的變換，還需要分別在每4個時鐘周期的第1、2、3個周期取第一、第二、第三組移位寄存器的數(shù)據(jù)，而在第4個周期不取數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)這種取數(shù)方式，本文設(shè)計了一個能夠產(chǎn)生3個標志信號的flag電路，通過3個標志信號來控制取走3組移位寄存器的數(shù)據(jù)。

時序信號產(chǎn)生電路的設(shè)計

時序信號產(chǎn)生電路的主要功能是產(chǎn)生lcos屏所需要的一些接口時序信號，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

在這里，通過兩個分頻電路對clock信號進行合適的分頻，分別產(chǎn)生子場行同步信號s_hs和子場場同步信號s_vs；時鐘屏蔽是為了產(chǎn)生點時鐘l_clock，使得在沒有數(shù)據(jù)寫入的時間里可以停止點時鐘l_clock，從而有效降低了lcos屏的功耗；點燈控制信號產(chǎn)生部分獲得三色led光源的點燈控制信號rled、gled和bled信號。

存儲器控制電路的設(shè)計

存儲器控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，該部分電路所實現(xiàn)的主要功能是產(chǎn)生21位地址信號、寫控制信號w、讀控制信號g，可以分為寫地址發(fā)生器、讀地址發(fā)生器和讀寫切換開關(guān)3部分。

寫地址發(fā)生器的核心是一個21位計數(shù)器和一個加法器，在彩色時序顯示存儲中，需要將每組存儲器分為3個區(qū)，分別存儲紅綠藍圖像數(shù)據(jù)，每一幀彩色圖像分解為3幀分別存儲。這樣每個區(qū)需要的存儲空間為1280×256＝327680，所以寫地址發(fā)生電路實際上可以使用一個21位的計數(shù)器來產(chǎn)生地址信號并分別與0、327680、655360相加而實現(xiàn)。這樣在一幀的時間之內(nèi)，分別存儲了各一幀的紅綠藍圖像。

讀地址發(fā)生器的功能實際上就是產(chǎn)生一個不斷遞增的地址信號，這可以通過計數(shù)器來實現(xiàn)：根據(jù)行同步信號開始產(chǎn)生地址，根據(jù)場同步信號開始讀取數(shù)據(jù)。

讀寫切換是實現(xiàn)實時視頻顯示的關(guān)鍵所在，在一幀的時間里，從一組存儲器向lcos顯示屏輸出圖像數(shù)據(jù)，同時通過數(shù)據(jù)變換模塊往另一組存儲器里寫圖像數(shù)據(jù)，在下一幀時間里將讀寫切換過來，這樣不斷交替進行，不斷向顯示屏輸出連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時顯示。

lcos彩色時序控制器的版圖設(shè)計

本文采取全定制設(shè)計技術(shù)進行該電路的版圖設(shè)計，首先根據(jù)0.35mm cmos工藝建立標準元件庫，使用tanner research 公司的l-edit進行版圖的生成和后仿真驗證，最終獲得了整個lcos彩色時序控制器asic的版圖。芯片核心部分大小約為0.4mm×0.5mm，最高工作頻率可達100mhz。