LCoS(硅基液晶)显示屏设计与应用
1 LCoS显示芯片--一类新型的SoC芯片
提到液晶显示器,人们就会联想到笔记本电脑用液晶显示器,或是大屏幕等离子显示器。新出现的令人振奋的LCoS是制作在单晶硅上的LCD显示技术。
LCoS显示器是一类新型的反射式显示器,是半导体VLSI技术和液晶显示技术巧妙结合高新技术产品,其显示芯片对角线尺寸为18mm。由于LCoS可利用常规的CMOS技术批量生产,并可随半导体工艺的发展进一步微型化,同时提高分辨率,LCoS显示器将具备低功耗、微型尺寸、超轻重量等特点,因此在个人便携显示应用方面非常有优势,特别是功耗远低于许多有源矩阵液晶显示器(AMLCD),而生产成本可望与阴极射线管(CRT)相比拟。
尽管LCoS显示屏通常只有指甲大小,相应的像素也就非常小,以至不利于肉眼直接分辨,但LCoS显示器都配备有各式各样的用于放大图像光学系统(Optical Engine):一种是直接投影到视网膜上形成放大的虚像,由此产生了个人用虚拟成像平显示技术;另一种是运用屏幕投影形成放大实像,如图1所示。LCoS显示技术导致了一类新型的大屏幕平板显示器件的诞生。
作为LCoS显示技术核心的关键部件的单晶硅背板(LCoS显示芯片),是一块多功能、多结构的片上系统(SoC),即整个显示系统集成在一起18mm左右的晶片上。然而,SoC类芯片的设计必须全盘考虑整个系统的各种情况。正是因为如此设计周全,与由分离IC组合的显示系统相比,SoC类芯片可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。可以预计,以系统芯片方式设计生产的新一代液晶显示器,其应用前景将非常广阔。
2 LCoS显示屏
LCoS显示屏通常分为两大类:透射型和反射型。虽然它们几何光学原理上截然迥异,但都能有选择地调制外光源光线而形成图像。透射型首先在晶片上完成驱动控制电路的设计制作,再用剥离(lift-off)技术或各向异性刻蚀(anisotropic etching)技术分离出管芯,粘附到透明衬底上制成微显芯片。如此巧妙设计一方面是利用单晶硅的优质电学性能,另一方面则是利用成熟的IC设计制造技术。反射型则是直接在晶片上制作驱动电路和显示矩阵电路,然后以此为基底封装液晶材料形成类似传统LCD(Liquid Crystal Display)结构的平板显示屏。所以常规IP技术可直接用于设计制作硅基液晶显示屏。
图2是笔者运用Cadence EDA工具,采用0.6μm的n-阱四层金属CMOS工艺规则设计的反射式LCoS(VGA分辨率,时序彩色化)电路结构图。其电路可划分为行扫描驱动器,列数据输入驱动器(包含DAC电路)和显示驱动矩阵(有源NMOS矩阵)。
在列数据输入驱动器中,串行输入的多位数字视频信号通过移位寄存器的作用,依次存入数字锁存器,然后在同一读出信号作用下,配合行扫描信号,同时输入到各列的数/模转换器(DAC),之后输出模拟电压信号作用到像素,因此一帧图像将被一次一行地传送到所有列。
在行扫描驱动器中,行扫描信号通过另一组移位寄存器作用,产生与数字视频信号同步的逐行扫描信号。
有源显示驱动矩阵的每一个像给包括像素开关(NMOS晶体管)、存储电容和在它们上面的铝反射电极。NMOS晶体管控制列数据线对液晶像素的充电,而存储电容中的充电电荷建立了相对于控制电极的电压差。由于液晶材料本身也有电容,并沿分子的取向充电,当一定量的电荷积聚在像素上时,液晶将按所施加的电场取向。液晶分子的再取向,导致液晶电容的变化,这就改变了加在像素的电压。为了解决这个问题,需要用较大的存储电容。
像素的截面如图3所示,采用了四层金属,分别用于扫描线、数据线、避光层和铝反射镜面电极。扫描线控制NMOS晶体管(像素开关)的栅极,当NMOS导通时数据线上的信号驱动到像素上。晶体管漏极,存储电容和反射镜面电极是电导通的。硅背板顶部制作1μm厚的液晶衬垫,用以确定液晶盒间隙。
整个硅背板都是在常规IC芯片生产线上完成的。在加工好的LCoS显示芯片上,覆盖取向层,涂上密封胶,粘合附着ITO电极的玻璃盖板,最后向这个液晶盒灌注液晶材料就形成了LCoS显示器。尽管LCoS显示芯片的面积比较大,但绝大部分是像素阵列,晶体管密度较低,故可得到高的成品率。采用现代IC制造技术生产LCoS显示器可谓驾轻就熟,也是制造高分辨率LCD显示器的一条降低成本途径。
3 芯片功耗分析
功率损耗是制允集成电路的一个重要因素,而CMOS电路的主要特点就是低功耗。由于LCoS芯片上的像素尺寸非常小(7~20μm),制作相应微滤色片(microfilter)的工艺复杂,且成本高。通常采用无微滤色片工艺,在单片LCoS芯片上使用时间混色模式(时序彩色化)实现彩色显示。表面上看时序彩色模式的LCoS芯片,要求其帧频为普通VGA显示的3倍以上来刷新屏幕,似乎功耗会增加许多倍 ,但实际并非如此。在图2所的实际电路结构中,我们设计了行锁存器。这样,就可以采用逐行写入方式,把每场的图像信号输入到像素显示矩阵中。纵向数据驱动器中视频串-行转换移位寄存器的工作频率约为25MHz,其它大部分电路的时钟频率不超过300kHz。LCoS芯片的功耗包括以下三部分:
(1)静态功耗Ps。由反向漏电流造成的直流功耗,CMOS电路一般可以忽略不计。
(2)动态功耗PD。主要指逐行写入图像信号时,每行像素(电容)充放电产生的交流功耗。
(3)场反转功耗PF。上盖板电极作周期性电场反转需要的功耗。
综合以上三项功耗,总的功耗为
P=Ps+PD+PF≈PD+PF(1)
可采用数字电路瞬态功耗估算公式得到:
P=CL fc VDD2 (2)
这里,每个象素的电容量CP约为0.2pF,
每行象素的电容量为:
Crow=640×CP=128pF (3)
每屏象素的电容量为:
Cpanel=480×Crow=61.44nF (4)
另外,已知逐行写放频率接近300kHz,场反转频率150Hz,VDD=5V,把这些值连同(2)、(3)、(4)式代入(1)式,得到LCoS芯片的功耗估计值:
P=Crow f行 VDD2+Cpanel f场 VDD 2≈1.2nW,可见,LCoS显示器的确属于低功耗器件。
我们利用0.6μmCMOS工艺设计制作的LCoS芯片,象素截跟为12μm;象素驱动矩阵的占有面积为(640×12)μm(480×12)μm=7.68mm×5.68mm×5.76mm。考虑到需要预留液晶盒的胶线封装区,最后整个LCoS显示芯片的尺寸为:11.0mm×9.4mm,对角线约为15mm。
- LCOS介绍(09-01)
- 四种新型高清显示技术优劣对比 (11-30)
- 各种平板显示技术简介 (下)(01-31)
- 只为高清 三大投影技术比拼1080p (01-31)
- LCoS显示技术应用于超大屏幕的优缺点(02-21)
- 什么是LCOS?(07-02)