516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

10.6. Современные цифровые дисплейные интерфейсы для жидкокристаллических экранов

261

верами ЖКЭ. Данная шина разработана фирмой National Semiconductor. Для примера на рис. 10.48 приведена структура ЖКЭ TFT-типа, в которой используются столбцовые драйверы с интерфейсом RSDS. В качестве дисплейного контроллера TCON в дисплее применяется микросхема FPD87310, разработанная фирмой National Semiconductor. Структура шины RSDS соответствует топологии «звезда».

Малошумящая скоростная шина внутреннего дисплейного интерфей-

са Wisper Bus. Топология шины Wisper Bus «точка – точка»; аналогичная топологии, показанной на рис. 10.45 для шины LVDS. Прием информации производится одновременно всеми драйверами столбцов. Для мультиканальной топологии шины типа «звезда» прием данных осуществляется каждым драйвером по очереди, в течение своего короткого временнóго интервала. Для приема данных в каждом драйвере используются две отдельные шины данных и общая дифференциальная шина битовой синхронизации данных. Тактирование данных производится по каждому фронту сигнала синхронизации.

Реализация такой топологии потребовала введения в структуру дисплейного контроллера буфера данных на строку.

Структура и электрофизика данной шины позволила решить следующие задачи:

уменьшить уровень электромагнитного излучения, связанного с передачей высокочастотных сигналов данных по интерфейсной шине ЖКЭ;

уменьшить мощность потребления, связанную спередачей данных по шине;

уменьшить число проводников во внутреннем дисплейном интерфейсе;

уменьшить стоимость печатной платы за счет уменьшения числа слоев платы и площади, необходимой при трассировке шины;

уменьшить стоимость шины за счет уменьшения числа передатчиков и при-

емников.

При использовании дифференциального интерфейса LVDS выходной ток каждого передатчика шины составляет от 2,5 до 4,5 мА. Интерфейс ЖКЭ содержит до 16 высокоскоростных сигналов данных. Мощность, затрачиваемая на поддержку шины, будет в этом случае достаточно высокой для портативных воспроизводящих устройств с ограниченным ресурсом по мощности.

Немаловажным является и вопрос, связанный с числом приемников и передатчиков, а также числом проводников, обслуживающих прием и передачу сигналов шины. При использовании дифференциального интерфейса требуется 36 экранированных проводников. Использование дифференциальной шкалы связано с установкой согласующих резисторов со стороны приемника, что тоже увеличивает сложность и стоимость реализации. На согласующих резисторах рассеивается бóльшая часть мощности, затраченной на передачу сигналов.

Передача двоичных цифровых сигналов по шине Wisper Bus производится не уровнями напряжения, как в обычной дифференциальной схеме, а уровнями токов и к тому же по единственному проводу (рис. 10.49). Протекание тока для обоих токовых состояний происходит всегда в одном и том же направлении – от приемника к передатчику. В соответствии со входными двоичными сигналами передатчик подключает один или другой источник тока, как показано на рис. 10.49 [65].

262	10. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

10.6. Современные цифровые дисплейные интерфейсы для жидкокристаллических экранов

263

Рис. 10.49. Эквивалентная схема передатчика шины Wisper Bus

Рис. 10.50. Эквивалентные схемы приемников шины Wisper Bus и дифференциального интерфейса RSDS

Рис. 10.51. Структурная схема шины Wisper Bus

264	10. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Таким образом, получаем два токовых номинала: 50 и 150 мкА, которые соответствуют двоичным состояниям «0» и «1». Такая схема эквивалентна смещению тока на +50 мкА относительно постоянной токовой составляющей в 100 мкА. Амплитуда рабочих токов, используемая для передачи данных в шине Wisper Bus (100 мкА), на порядок меньше амплитуды токов, используемых в интерфейсе RSDS (до 2 мА) (рис. 10.48). Амплитуда напряжения в точке суммирования приемника составляет около 1 В, но абсолютное значение этого напряжения не играет особой роли в реализации данной шины и определяется порогами транзистора в приемнике.

Структурная схема шины Wisper Bus представлена на рис. 10.51 [65].

11. ПЛОСКОЭКРАННЫЕ ВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА, АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ЭКРАНАМ

11.1. Принципы работы и устройство плазменных панелей

11.1.1. Физические основы газового разряда

Основным физическим явлением, используемым в воспроизводящих устройствах плазменного типа, является газовый разряд. Газы становятся электропроводными в результате их ионизации. Различают несамостоятельные (ионизация за счет внешних воздействий) и самостоятельные (ионизация за счет собственного тока) разряды. Типичным прибором, в котором применяется самостоятельный разряд, являются газоразрядные лампы, например, лампы дневного света.

Самостоятельный газовый разряд возникает, когда между двумя электродами создан достаточно большой электрический потенциал. Когда он достигает некой критической величины Uпр, происходит пробой и зажигается газовый разряд (рис. 11.1). В этой фазе (на рис. 11.1 – участок аб) его называют нормальным тлеющим разрядом. Из рис. 11.1 видно, что нормальному тлеющему разряду соответствует спадающая вольт-амперная характеристика. При этом важно отметить, что потенциал, поддерживающий нормальный тлеющий разряд, меньше, чем его поджигающий. Нормальный тлеющий разряд и применяется в плазменных панелях, иногда с частичным заходом в область аномального разряда (см. рис. 11.1 – участок вг).

Рис. 11.1. Типичная вольт-амперная характеристика самостоятельного газового разряда:

Uпр – потенциал пробоя (поджига); участок аб – нормальный тлеющий разряд; участок вг – дуговой разряд

266	11. ПЛОСКОЭКРАННЫЕ ВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА, АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЖКЭКРАНАМ

Рис. 11.2. Спектр излучения газовой смеси криптон-ксенон (Kr-Xe)

Газовый разряд, возникающий между проводящими электродами, зависит от материала и формы электродов, создающих граничную конфигурацию электрического поля. Электроды являются как бы «истоком» и «стоком» заряженных частиц. Если повышать прикладываемое к электродам напряжение и давление газа в ячейке, то в разрядном промежутке происходит самопроизвольный переход объемной формы разряда в канальную, когда весь ток течет через один или несколько тонких высокопроводящих газовых каналов.

Таким образом, при пробое газа (поджиге) формируются каналы, то есть стримеры, или зона, содержащая ионизированный газ, – плазму, представляющую собой квазинейтральную газовую среду, содержащую положительно и отрицательно заряженные частицы практически одинаковой концентрации, составляющей приблизительно 1010 см–3. Поддержание концентрации зарядов (электронов, положительных и отрицательных ионов), необходимой для существования плазмы, обеспечивается взаимодействием нейтральных атомов со свободными электронами, ускоряющимися внешним электрическим полем.

Низкотемпературная газоразрядная плазма порождает электромагнитные волны, спектр которых определяется рекомбинацией ионов плазмы до нейтральных молекул при столкновении с электронами и состоит из широких полос в диапазоне волн 100…200 нм, расположенном на переходе от высокочастотной области видимого света к низкочастотной области ультрафиолетового излучения

(рис. 11.2).

Переходные процессы, связанные с пробоем и формированием плазмы, протекают достаточно быстро (10–7 с и менее). После этого тлеющий разряд становится равновесным, то есть процессы рекомбинации и ионизации в нем уравновешены. В фазе аномального разряда начинается стягивание его положительного столба. При этом столб отрывается от стенок сосуда, ограничивающего разряд. В точке г (см. рис. 11.1) разряд становится дуговым.

11.1.2. Устройство ячеек плазменных панелей

Электромагнитная энергия плазменного разряда, сосредоточенная в ультрафиолетовой части ее спектра, воздействует на облучаемое вещество и ионизирует его (происходит поглощение фотона излучения). При этом наблюдается фото-

11.1. Принципы работы и устройство плазменных панелей

267

эффект (испускание электронов, энергия которых соответствует видимой части спектра электромагнитных колебаний), который проявляется в ответном свечении вещества, называемом люминесценцией, то есть происходит преобразование энергии электрического возбуждения плазмы в световую энергию (рис. 11.3).

Уровень люминесценции веществ весьма различен. Вещества, способные к интенсивной люминесценции, называют люминофорами. Они обладают линейчатым спектром оптического излучения. В технике чаще всего применяют кристаллофосфоры и их смеси. Свечение люминофора обусловлено свойствами основного вещества и примесей, которые порождают в основном веществе центры люминесценции. Энергия активирующего облучения должна соответствовать спектру фотовозбуждения люминофора. Интенсивность свечения цветного люминофорного вещества зависит от энергетической эффективности облучающей плазмы, оптической отдачи люминофора и технологического качества тонкопленочных люминофорных покрытий. Длительность послесвечения различных люминофоров лежит в пределах от 10–9 с до нескольких часов. Для примера на рис. 11.4 представлена типовая временнáя зависимость интенсивности отклика люминофора, используемого в плазменных панелях, на короткий импульс ультрафиолетового излучения (12 нс) с длиной волны 193 нм.

Рис. 11.3. Структура спектра излучения цветных люминофоров, применяемых в плазменных панелях

Рис. 11.4. Временнáя зависимость оптического отклика люминофора на короткий ультрафиолетовый импульс облучения

268	11. ПЛОСКОЭКРАННЫЕ ВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА, АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЖКЭКРАНАМ

Таким образом, в основу работы плазменных панелей положено преобразование ультрафиолетового излучения плазмы в видимое с помощью люминофоров.

Плазменная панель любого типа разбита на ячейки прямоугольной формы, причем каждая ячейка соответствует одному пикселю. Общее число ячеек плазменной панели превышает 1 млн. Например, плазменная панель формата 16:9 обычно имеет по горизонтали 853 пикселя, в каждом из которых содержится по три RGB-ячейки. Таким образом, в горизонтальном направлении плазменной панели располагаются 2559 ячеек. Соответственно, в вертикальном направлении плазменной панели формируются 480 пикселей. В целом, такая панель содержит 1228320 ячеек. Конкретные размеры отдельной ячейки зависят от величины диагонали плазменной панели. Например, при диагонали 42 дюйма (107 см), шаг пикселей составит 1,1 мм. В этом случае на каждую ячейку с учетом толщины перегородки приходится всего 0,37 мм. При производстве допускается некоторое минимальное количество дефектных пикселей (не более 0,001%) даже у только что изготовленных панелей.

Любая элементарная ячейка плазменной панели представляет собой миниатюрный газоразрядный прибор (рис. 11.5). При этом сотовая структура ячеек размещена между двух близкорасположенных пластин. Практически пластины находятся друг от друга на расстоянии 100...200 мкм. Одна из которых является задней стенкой панели, а другая – передней, то есть выходной и поэтому должна быть прозрачной в видимой части спектра и иметь антибликовое покрытие. К пластинам прикреплены продольные перегородки, которые, собственно, и формируют боковые стенки камер ячеек. В целом, совокупность двух пластин и продольных перегородок образует достаточно жесткую конструкцию плазменной панели.

Устройство плазменной панели, разработанные фирмой Pioneer (Япония) (см. рис. 11.5) представляет собой «вафельную» структуру (технология Waffle или Deep Waffle) [72]. В этом случае каждая элементарная ячейка плазменной панели представляет собой «каверну» в подложке (рис. 11.6). Достоинство подобной конструкции заключается в полной изоляции отдельных «каверн».

Рис. 11.5. Устройство ячеек плазменной панели

11.1. Принципы работы и устройство плазменных панелей

269

Рис. 11.6. Базовая конструкция ячейки плазменной панели

На внутренние поверхности пластин, выполняющих функции передней и задней стенок плазменной панели, нанесены диэлектрические слои, изолирующие совокупность электродов плазменной панели. Причем диэлектрический слой, нанесенный на переднюю (прозрачную) пластину плазменной панели, дополнительно покрывается защитным слоем, изготовленным из оксида магния. Непосредственно на внутренних поверхностях пластин расположены горизонтальные и вертикальные электроды, образующие систему из двух взаимно ортогональных решеток (см. рис. 11.5). Нижние (в соответствии с рис. 11.5 вертикальные) металлические электроды расположены на задней непрозрачной пластине. Они называются адресными (address electrode) или электродами данных. Горизонтальные электроды изготавливаются из прозрачного токопроводящего материала. Они сгруппированы по два и расположены на внутренней поверхности передней прозрачной пластины, как правило, стеклянной. Данные электроды называются разрядными (display electrode – электроды отображения), а также питающими, сканирующими, инициирующими. Люминофор покрывает заднюю и частично боковые стенки камеры каждой ячейки. Естественно, в плазменной панели используются люминофоры трех разных составов, соответственно, излучающие световой поток трех основных цветов: R, G, B. Все ячейки заполнены инертным газом, это неон или ксенон, реже гелий. Используются также и смеси этих газов. Газы находятся в разряженном состоянии. Пониженное давление – это и пониженные потенциалы поджига и равновесного разряда.

В точке пересечения двух разрядных и адресного электродов формируется элементарная ячейка – субпиксель, которая может обеспечивать как R, G, так и В свечение. Три субпикселя R, G и В образуют пиксель. При появлении в субпикселе сильного электрического поля происходит газовый разряд. Образовавшаяся при разряде плазма испускает фотоны ультрафиолетового диапазона, которые, бомбардируя люминофор, заставляют его испускать свет уже видимого диапазона. Это излучение распространяется во все стороны. Значительная

270	11. ПЛОСКОЭКРАННЫЕ ВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА, АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЖКЭКРАНАМ

его часть направлена не к наблюдателю, а вглубь панели, к задней пластине. Для использования этой части излучения диэлектрический слой, нанесенный на заднюю пластину плазменной панели, дополнительно покрывается специальным отражающим световое излучение слоем. В принципе, передняя (выходная) пластина, изготовленная из стекла, в совокупности с нанесенными на нее диэлектрическим и защитным слоями, а также с прозрачными разрядными электродами не пропускают ультрафиолетовые лучи и потому препятствуют проникновению ультрафиолетового излучения «во внешний мир». Например, только выходная стеклянная пластина поглощает до 97% вредного для человека ультрафиолетового излучения.

Интенсивность излучения элементарных ячеек плазменной панели зависит от напряжения на разрядных электродах, и, что важно, может регулироваться лишь в очень небольших пределах. Нижнее значение напряжения на разрядных электродах ограничено напряжением удержания разряда, а верхнее значение – напряжением зажигания, при котором происходит образование плазмы в ячейке при отсутствии поджигающего импульса на адресном электроде. К тому же при большом значении интенсивности разряда происходит выгорание люминофора, что приводит к быстрому старению плазменной панели. Таким образом, изменяя интенсивность разряда, нельзя добиться регулировки яркости плазменной панели в широких пределах, управлять яркостью можно лишь путем изменения продолжительности свечения пикселей. Поэтому для этой цели используется метод ШИМ, суть которого заключается в изменении соотношения длительностей включенного («светится») и выключенного («не светится») состояния ячейки.

Плазменная панель обладает достаточно низким КПД. Например, каждая элементарная ячейка (субпиксель) размером в 0,37 мм потребляет ток порядка 1,5 мкА. Это достаточно значительный ток для одного субпикселя. Стандартная плазменная панель, содержащая один миллион или более элементарных газоразрядных ячеек потребляет ток, превышающий 1,5 А. При потенциале равновесного разряда 20 В плазменная панель размером 40 дюймов (101 см) потребляет приблизительно 300 Вт электрической мощности. Увеличение в 1,5 раза диагонали экрана с 40 до 60 дюймов, то есть с 101 см до 152 см, ведет к соответствующему увеличению размеров каждой ячейки и к квадратичному (в 2,25 раза) росту энергопотребления. Следовательно, общее энергопотребление должно возрасти с 300 до 675 Вт.

Сопоставление плазменной панели с воспроизводящим устройством на базе кинескопов показало, что при равных 32 дюймовых (81 см) экранах энергопотребление плазменной панели в три раза выше. Поэтому на практике с целью облегчения теплового режима плазменной панели необходимо решить проблему отвода тепла. Для этого плазменные панели оснащаются процессором, распределяющим мощность источника питания по всем пикселям пропорционально требуемой от них яркости в соответствии с сигналами из кадровой памяти, специально введенной в состав устройства отображения плазменного типа. Подобный процессор, выпускаемый фирмой NEC, носит название – Peak Luminance Enhancement (PLE).