LCoS彩色時(shí)序控制器的ASIC設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了LCoS彩色時(shí)序控制器的原理和實(shí)現(xiàn)方法，采用全定制設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了該控制器電路的ASIC芯片設(shè)計(jì)，該芯片功能正確，功耗較低，可靠性強(qiáng)。

引言

    基于頭盔顯示器對便攜性的要求，要實(shí)現(xiàn)微型化和低功耗，將彩色時(shí)序控制器設(shè)計(jì)為單片的ASIC是較好的解決方案。本文正是針對應(yīng)用LCoS(Liquid Crystal on Silicon)微型顯示器的HMD，進(jìn)行其中彩色時(shí)序控制器的ASIC設(shè)計(jì)。
　　
彩色時(shí)序原理

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

圖1  LCoS器件結(jié)構(gòu)截面圖和光路圖

    彩色時(shí)序法的優(yōu)點(diǎn)是不使用彩色濾色片，一個(gè)物理像素也就是實(shí)際的一個(gè)像素，有利于在同樣尺寸的顯示屏上實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。與空間濾色器的方法相比，使用彩色時(shí)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(shí)序是將每場的信息分3個(gè)子場在一場時(shí)間內(nèi)寫入顯示屏，這就使場頻提高為原來的3倍，相應(yīng)的，點(diǎn)時(shí)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(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，場頻和點(diǎn)時(shí)鐘頻率的提高也給顯示器的視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)和制造方法將硅基顯示矩陣和相關(guān)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)晶體管受強(qiáng)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(dāng)光源發(fā)出的光到達(dá)PBS(Polarization Beam Splitter，偏振分光鏡)時(shí)P極的光透過， S極光被反射到達(dá)鋁反射鏡，此時(shí)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)。

圖2  LCoS彩色時(shí)序控制器電路方案

圖3  時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生電路框圖

    LCoS芯片不僅解決了顯示矩陣與驅(qū)動(dòng)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(shí)序控制器的電路設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本文所設(shè)計(jì)的LCoS彩色時(shí)序控制器ASIC可以驅(qū)動(dòng)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(hào)(R:G:B＝8:8:8)以及時(shí)序信號(hào)VS、HS、CLK等，將數(shù)據(jù)信號(hào)R、G、B按照一定的數(shù)據(jù)變換格式分別寫入一組存儲(chǔ)器的3個(gè)區(qū)，而同時(shí)讀另一組存儲(chǔ)器，按順序?qū)、G、B三個(gè)子場的數(shù)據(jù)送入LCoS屏實(shí)現(xiàn)彩色時(shí)序的顯示。另外，還要提供LCoS屏所需要的同步信號(hào)以及點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)等。要完整地實(shí)現(xiàn)該過程，彩色時(shí)序控制器必須包括數(shù)據(jù)變換電路、時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生電路和存儲(chǔ)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(jì)。

數(shù)據(jù)變換電路的設(shè)計(jì)

    由于LCoS屏的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(gè)各8位的像素?cái)?shù)據(jù)。這種驅(qū)動(dòng)方式使得LCoS屏所需要的點(diǎn)時(shí)鐘頻率降為只采用1組移位寄存器作數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)時(shí)的1/4。但是由于寫入方式的改變，要求對原來每個(gè)像素24位(R:G:B=8:8:8)的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行變換，需要變換為4個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了R、G、B從8位到32位的變換，還需要分別在每4個(gè)時(shí)鐘周期的第1、2、3個(gè)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(gè)周期不取數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這種取數(shù)方式，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠產(chǎn)生3個(gè)標(biāo)志信號(hào)的flag電路，通過3個(gè)標(biāo)志信號(hào)來控制取走3組移位寄存器的數(shù)據(jù)。

時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

    時(shí)序信號(hào)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(shí)序信號(hào)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    在這里，通過兩個(gè)分頻電路對CLOCK信號(hào)進(jìn)行合適的分頻，分別產(chǎn)生子場行同步信號(hào)S_HS和子場場同步信號(hào)S_VS；時(shí)鐘屏蔽是為了產(chǎn)生點(diǎn)時(shí)鐘L_CLOCK，使得在沒有數(shù)據(jù)寫入的時(shí)間里可以停止點(diǎn)時(shí)鐘L_CLOCK，從而有效降低了LCoS屏的功耗；點(diǎn)燈控制信號(hào)產(chǎn)生部分獲得三色LED光源的點(diǎn)燈控制信號(hào)RLED、GLED和BLED信號(hào)。

存儲(chǔ)器控制電路的設(shè)計(jì)

    存儲(chǔ)器控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，該部分電路所實(shí)現(xiàn)的主要功能是產(chǎn)生21位地址信號(hào)、寫控制信號(hào)W、讀控制信號(hào)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(gè)21位計(jì)數(shù)器和一個(gè)加法器，在彩色時(shí)序顯示存儲(chǔ)中，需要將每組存儲(chǔ)器分為3個(gè)區(qū)，分別存儲(chǔ)紅綠藍(lán)圖像數(shù)據(jù)，每一幀彩色圖像分解為3幀分別存儲(chǔ)。這樣每個(gè)區(qū)需要的存儲(chǔ)空間為1280×256＝327680，所以寫地址發(fā)生電路實(shí)際上可以使用一個(gè)21位的計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生地址信號(hào)并分別與0、327680、655360相加而實(shí)現(xiàn)。這樣在一幀的時(shí)間之內(nèi)，分別存儲(chǔ)了各一幀的紅綠藍(lán)圖像。

圖4 SRAM控制電路結(jié)構(gòu)框圖

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

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

LCoS彩色時(shí)序控制器的版圖設(shè)計(jì)

    本文采取全定制設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行該電路的版圖設(shè)計(jì)，首先根據(jù)0.35mm CMOS工藝建立標(biāo)準(zhǔn)元件庫，使用Tanner Research 公司的L-EDIT進(jìn)行版圖的生成和后仿真驗(yàn)證，最終獲得了整個(gè)LCoS彩色時(shí)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(dá)100MHz。