Тема 3.5. Устройство lcd-монитора с активной матрицей
Рассмотрим структуру и принцип работы активной матрицы с технологией TFT (thin film transistor – на тонкопленочных транзисторах).
Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой многослойную структуру, показанную на рис. 3.5.1 и рис. 3.5.2.
Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет – красный, синий или зеленый – и слой жидких кристаллов. Кроме этого для освещения экрана изнутри используется лампа подсветки.
Рисунок 3.5.1.
При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллы находятся в аморфном состоянии. В этом состоянии жидкие кристаллы пропускают свет. Количеством света, проходящего через жидкие кристаллы, можно управлять с помощью электрических зарядов – при этом изменяется ориентация кристаллов.
Рисунок 3.5.2.
TFT-экран состоит из целой сетки таких пикселей, где работой каждого цветового участка каждого пикселя управляет отдельный транзистор. Для нормального обеспечения экранного разрешения 1024×768 (режим SVGA) монитор должен располагать именно таким количеством пикселей.
Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель формируется из трех участков – красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к повороту кристалла и изменению яркости проходящего светового потока).
За последние десять лет стали известны и внедрены в производство целый ряд новых технологий изготовления жидкокристаллических панелей. Так, компанией Hitachi еще в конце 1995 г. была разработана технология In-Plane Switching (IPS). Ее главное отличие от TN, STN и FSTN состоит в том, что жидкие кристаллы располагаются параллельно стеклянной подложке, а не закручиваются в спираль. Для управления ориентацией цепочек кристаллов, т. е. переключения состояния пикселей, используются электроды, размещенные только на внутренней подложке, а не по обеим сторонам цепочки. Благодаря параллельному плоскости экрана расположению жидких кристаллов углы обзора достигают 170° как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Время отклика у IPS-матриц невелико – порядка 25 мс, что обеспечивает частоту обновления картинки 40 Гц. Но, к сожалению, у этой технологии есть и свои минусы. На каждую ячейку в такой матрице приходятся два электрода, расположенных на одной из подложек. Из-за этого шаг между ячейками довольно велик и требуется более мощный источник подсветки, чтобы обеспечить хорошую яркость изображения. Следовательно, IPS-матрицы не подходят для мобильных устройств с питанием от батарей.
Компания Fujitsu в 1996 г. предложила технологию Multi-Domain Vertical Alignment (MVA), которая сегодня стала более распространенной, чем IPS. Суть заложенной в данную технологию идеи состоит в том, что каждый элемент матрицы объединяет несколько жидкокристаллических цепочек (доменов), а кристаллы в каждом домене выравниваются под углом, наиболее выгодным для обзора со своей стороны. Достигается это путем создания на внутренней подложке выступов-пирамидок, грани которых задают общий наклон доменам. При отсутствии напряжения кристаллы в цепочках вытягиваются в линию, почти перпендикулярную подложке. Свет при этом не проходит, т.е. пиксель погашен (черный). Подавая напряжение на электроды, размещенные на обеих подложках (как и в случае TN), можно поворачивать кристаллы относительно оси цепочек. Соответственно изменяется количество пропускаемого ячейкой света.
Пиксель формируется тремя ячейками матрицы – красного, зеленого и синего цветов. Каждая ячейка матрицы MVA состоит из четырех доменов, ориентированных под углами, благоприятными для наблюдения с разных сторон. Вследствие этого в технологии MVA получаются самые большие по площади пиксели, что обеспечивает высокую яркость и контрастность изображения при менее мощном, чем требует IPS, источнике подсветки. Жидкокристаллические панели с технологией MVA имеют увеличенные углы обзора по горизонтали и вертикали, а также значительно меньшее время отклика пикселя.
Основными преимуществами жидкокристаллических мониторов являются:
экономичность;
меньшие размеры и вес;
отсутствие вредных высокочастотных излучений;
отсутствие мерцания экрана;
большая по сравнению с ЭЛТ видимая часть экрана.
Недостатками существующих жидкокристаллических мониторов являются:
фиксированное оптимальное разрешение экрана, однозначно связанное с количеством элементов в матрицы;
ограниченные углы обзора по горизонтали и вертикали (углы обзора по горизонтали и вертикали определяются по падению контрастности изображения монитора 10:1; ряд производителей приводят данный параметр для случая падения контрастности 5:1, в этом случае заявленные углы обзора будут больше);
конечное (достаточно большое) время отклика ячейки матрицы, что имеет принципиальное значение при отображении на экране динамических объектов.
Ключевыми характеристиками жидкокристаллических мониторов являются контрастность, яркость, время отклика и интерфейс подключения.
Контрастность показывает, сколько уровней яркости могут создавать пиксели матрицы; она указывается двумя числами, например, 400:1. Сами по себе пиксели и лежащие в их основе жидкие кристаллы не вырабатывают свет, они лишь пропускают свет от подсветки. И темный экран вовсе не означает, что подсветка не работает, просто пиксели блокируют этот свет и не пропускают его сквозь экран.
Яркость жидкокристаллического монитора может быть выше яркости электронно-лучевой трубки. Значение данного параметра приводится в виде числа с единицами измерения кд/м2 (кандел на квадратный метр).
Время отклика показывает время (в миллисекундах), необходимое для переключения пикселя с черного цвета на белый и обратно. Производители указывают это время, поскольку отклик такого перехода минимален, что обусловлено принципом работы ячейки жидкокристаллической матрицы. На самом деле время отклика (обновления) пикселя зависит от его начального состояния и требуемого конечного состояния. Чем ближе исходный и конечный оттенок пикселя (например, черный цвет и наиболее темный серый оттенок), тем больше время отклика. Это связано с тем, что для такого перехода жидкие кристаллы пикселя должны быть повернуты на незначительный угол, что достигается малой величиной приложенного электрического поля, а малая величина электрического поля обусловливает малую скорость поворота жидких кристаллов.
Большинство современных мониторов используют интерфейс DVI (Digital Visual Interface), разработанный Digital Display Working Group. Переход на цифровой интерфейс избавляет от искажений картинки и позволяет заметно уменьшить стоимость монитора. Интерфейс DVI использует дифференциальную технологию передачи Transition Minimized Differential Signaling (TMDS) и имеет сдвоенную архитектуру (Dual Link), состоящую из 2×3 каналов. Дифференциальный способ передачи сигналов помогает избавиться от влияния большинства помех. При передаче данных по трем каналам (12 контактов на разъеме) обеспечиваются полоса пропускания 165 МГц и поддержка разрешений до 1920×1080 пикселей при частоте кадров 60 Гц или до 1280×1024 пикселей при 85 Гц. Использование всех шести каналов удваивает полосу пропускания и делает доступными режимы до 2048×1536 пикселей при 60 Гц или до 1920×1080 пикселей при 85 Гц. При этом задействованы все 24 контакта разъема.
Интерфейс DVI предусматривает возможность передачи, кроме цифровых данных и аналоговые сигналы для CRT-мониторов. Реализация только цифровой части стандарта обозначается DVI-D. Интерфейс, по которому передаются и аналоговые сигналы, получил название DVI-I. Разъемы кабелей DVI-D и DVI-I отличаются числом контактов (у DVI-I их на 4 больше), но одинаковы по форме, совместимы между собой и со всеми графическими картами, оснащенными DVI-коннектором.