液晶電視與顯示器的性能差異以及提高性能的方法

晶顯示器廠商若想改造他們的生產(chǎn)線以生產(chǎn)液晶電視，必須克服液晶電視相對與顯示器在包括顯示格式、灰度等級、對比度等多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，采用不同的電路結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案。本文分析了液晶顯示器和電視的顯示性能上的差異，并提出了滿足液晶電視性能的技術(shù)方法。

有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)漸漸受到廣大的消費者歡迎。電視機(jī)的畫面素質(zhì)要求極為嚴(yán)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(jī)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(jìn)一步擴(kuò)大市場占有率。

液晶電視與顯示器的差異

廠商若想改造液晶顯示器的生產(chǎn)線以生產(chǎn)電視機(jī)，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英寸的XGA格式(1024×768像素)，而大部分臺式機(jī)液晶顯示器都采用17英寸的SXGA格式(1280×1024)。大屏幕液晶電視機(jī)的入門級產(chǎn)品都不小于30英寸，而且都采用寬屏幕的XGA Plus格式(1366×768)。40英寸或以上的大屏幕液晶電視機(jī)都采用真正的高清晰電視(HDTV)格式(1920×1080)，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(zhǔn)作比較，高清晰電視格式所需的數(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(jìn)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)視為波導(dǎo)(wave guide)，而非僅僅是線路連接，這樣可確保信號在傳送時仍能保持其波形。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(jī)的信號必須具備高度的完整性，這個要求與筆記本顯示器及一般的顯示器無異。但大屏幕電視機(jī)對信號有更多新的要求，這是筆記本系統(tǒng)顯示器及普通顯示器的信號傳輸技術(shù)所無法滿足的。除了必須能夠支持大屏幕之外，新的信號傳輸技術(shù)還要滿足其它的要求。由于電視機(jī)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)生的一些瑕疵及交叉耦合干擾的可能性也會增加。此外，電視機(jī)列電路板的長度一般都與屏幕的寬度相同，但當(dāng)電視機(jī)的屏幕達(dá)到30英寸左右，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(jī)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。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，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運動畫面出現(xiàn)模糊化的現(xiàn)象。

高清電視機(jī)除了對信號完整性有上述的嚴(yán)格要求外，每一像素的灰度級也比電腦顯示器多。液晶電視機(jī)必須采用30位的像素(紅綠藍(lán)三色各有10位的灰度)，而并非電腦顯示器普遍采用的24位像素。液晶電視機(jī)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(jī)一般都采用光暗對比較為強(qiáng)烈的設(shè)計，因此這種瑕疵在電視上便更為明顯。

液晶顯示器無法充分顯示黑暗環(huán)境的對比度，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電視機(jī)都采用先進(jìn)的技術(shù)，對比度接近1000:1，但傳統(tǒng)液晶電視機(jī)的對比度只有高端產(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(kuò)大主要的亮度范圍，使亮度范圍較小(即低對比度)的圖像可以通過調(diào)節(jié)增加其灰度級，以增強(qiáng)灰度效果。

對于電視機(jī)來說，當(dāng)前消費者最重視的是電視機(jī)的色彩效果。若將不同品牌的電視機(jī)放在一起加以比較，大部分消費者都以色彩是否絢麗作為他們的選購指標(biāo)。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(zhǔn)確套入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(dāng)?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，其它顏色則會淡化。經(jīng)過這樣的處理之后，紅綠藍(lán)三色的精確度比原本圖像的色度更為精確，因此電視機(jī)必須采用10位灰度(30位像素)，才可恰當(dāng)處理及改善圖像，以免出現(xiàn)明顯的灰度階梯瑕疵。

圖1：這樣的結(jié)構(gòu)只適用于一般的顯示器及筆記本系統(tǒng)顯示器，但難以應(yīng)付液晶電視機(jī)的繁重工作量。

一般的消費者也許會感到有點意外，液晶顯示器的刷新速度竟然無法跟上視頻系統(tǒng)。他們不知道電腦顯示器等應(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。若以隔行掃描為例，則每半個幀的數(shù)據(jù)必須在1/60秒或1/50秒之內(nèi)全部捕獲。運動圖像的電視畫面比每幀影片更為細(xì)致。此外，播放電視圖像的幀速率比電影院播放膠片更快。電視的播放速度如此高，因此電視機(jī)需要具備較快的響應(yīng)時間。對于高清晰電視機(jī)來說，響應(yīng)時間尤其具有舉足輕重的作用。但對于其它視頻系統(tǒng)來說，響應(yīng)的快慢并不那么重要。

針對液晶電視的技術(shù)解決方案

基于以上的原因，液晶電視機(jī)必須采用響應(yīng)時間補(bǔ)償(RTC)過驅(qū)動電路模塊，以便為液晶顯示器的較慢光學(xué)響應(yīng)提供補(bǔ)償。這個響應(yīng)時間補(bǔ)償電路模塊設(shè)于定時控制器(TCON)之內(nèi)，負(fù)責(zé)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，再從查找表(LUT)挑選另一個已預(yù)設(shè)的灰度級。這個預(yù)先寫入查找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(biāo)值。若新的灰度級比前一個灰度級更淺，系統(tǒng)便會發(fā)出指令，要求先提供一個更淺的灰度級。若新的灰度級較深，系統(tǒng)便會先發(fā)出一個比這個灰度級深的指令。

液晶顯示器及筆記本系統(tǒng)顯示器所采用的結(jié)構(gòu)及技術(shù)根本無法滿足液晶電視機(jī)的嚴(yán)格要求(見圖1)。多分支(Multi-Drop)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)付液晶電視機(jī)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(jī)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(jī)的屏幕更大，采用的列驅(qū)動器分支也就更多，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)式解決方案。這種方案的優(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。這樣將傳統(tǒng)的總線轉(zhuǎn)變成點對點的傳送方式，其優(yōu)點是信號完整性更高，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，但仍然無法滿足其它的要求，例如更精確的灰度、增強(qiáng)光暗對比度、改善色彩管理，以及添加其它更先進(jìn)的功能。

首先最重要的是，對于采用電阻串?dāng)?shù)模轉(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)顯示器及一般的顯示器才采用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，RDAC不但負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，而且還負(fù)責(zé)執(zhí)行伽瑪逆轉(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。

RDAC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(jìn)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)其它條件不變，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RDAC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)模轉(zhuǎn)換器的列驅(qū)動器。由于這個數(shù)模轉(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)模轉(zhuǎn)換器，每一電極各有一個。當(dāng)其中一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器正在不停轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)以供下一條線使用時，另一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器已利用剛在上一條線已轉(zhuǎn)變的電壓驅(qū)動目前這條線。這個數(shù)模轉(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(zhǔn)確度。若要提高分辨度，只需提高同一數(shù)模轉(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(xì)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)動器小一半以上。

圖2：全新點至點差分信號傳輸結(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)。

該設(shè)計的另一優(yōu)點是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換電路不再負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)將數(shù)字灰度級轉(zhuǎn)為數(shù)字電壓。即，定時控制器內(nèi)的查找表負(fù)責(zé)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找表，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(qiáng)、顏色管理、以至溫度轉(zhuǎn)變做出相適應(yīng)的調(diào)節(jié)。

列驅(qū)動器結(jié)構(gòu)是整個PPDS(參看圖2)結(jié)構(gòu)的其中一部分。顧名思義，PPDS傳輸并不是多分支總線，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。

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)動器的數(shù)據(jù)包頭分別控制每一列驅(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(jī)，便必須控制驅(qū)動平板顯示器的波形，以便達(dá)致最佳的信號傳播效果以及提高像素充電率(pixel charging ratio)。

由于定時控制器能夠分別提供各自獨立的紅綠藍(lán)伽瑪查找表，因此可以準(zhǔn)確校正每一灰度級的色溫。由于紅綠藍(lán)伽瑪查找表都各自獨立，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(kuò)大至高效能系統(tǒng)。由于定時控制器可以直接進(jìn)入伽瑪查找表進(jìn)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)的幅度大小則由定時控制器內(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(biāo)，然后命令定時控制器根據(jù)要寫入的不同顯示區(qū)選擇不同的伽瑪查找表。

生產(chǎn)大屏幕電視機(jī)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(zhǔn)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，再加上獨立伽瑪查找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。此外，由于圖像的色彩及光暗對比度獲得增強(qiáng)，因此圖像的灰度級更為準(zhǔn)確。由于各自獨立的伽瑪查找表各有自己的設(shè)定，因此可以直接控制圖像效果，無需利用色彩增強(qiáng)或其它方法達(dá)到每一像素要求的亮度。

對于顯示器及筆記本系統(tǒng)顯示器來說，液晶顯示器模塊接收灰度級指令，然后為平板顯示器提供控制信號，以便產(chǎn)生所要求的灰度級。而電視機(jī)的要求則不同，電路要兼顧畫面效果，例如增強(qiáng)彩色深度、改善色彩平衡、增強(qiáng)動態(tài)對比、提供響應(yīng)時間補(bǔ)償以及色溫控制。