空間光調制器驅動電平

--淺談驅動電平對于液晶光閥輸出圖像的影響

在之前的文章中，給大家介紹過空間光調制器的電尋址驅動方式，在這種驅動方式下，液晶盒像素電極兩端的電荷量的改變產生的電壓差會使得液晶分子產生偏轉，進而影響成像。那么，什么樣的驅動電平變化會造成輸出圖像灰度的變化呢？

為了解決這個問題，讓我們先從電平標準的定義開始，逐步了解電子驅動系統在空間光調制器使用過程中，調節和轉換輸入及輸出電平的方式，進而對驅動像素的灰階電壓有一定的認知：

01?電平標準的定義

電平即為兩功率或電壓、有時也可指電流之比的對數，而邏輯電平則指的是可由地線與信號線之間的電位差體現的一種產生信號的狀態，本文要討論的就是液晶驅動中的邏輯電平。在了解邏輯電平的過程，需要知道以下幾個概念：

a. 輸入高電平（Vih）:保證邏輯門的輸入為高電平時所允許的最小輸入高電平，當輸入電平高于Vih時，則認為輸入電平為高電平；

b. 輸入低電平（Vil）:保證邏輯門的輸入為低電平時所允許的最大輸入低電平，當輸入電平低于Vil時，則認為輸入電平為低電平；

c. 輸出高電平（Voh）:保證邏輯門的輸出為高電平時的輸出電平的最小值，邏輯門的輸出為高電平時的電平值都必須大于此Voh；

d. 輸出低電平（Vol）:保證邏輯門的輸出為低電平時的輸出電平的最大值，邏輯門的輸出為低電平時的電平值都必須小于此Vol；

目前常用的邏輯電平標準有TTL、CMOS、LVTT、LVCMOS、RS232、RS485、ECL、PECL、LVPECL等，一些高速的電平有：LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等，其對應的電平標準可參見下圖：

02?電子驅動系統的電平轉換

在啟動空間光調制器并加載不同的信號時，由信號源輸出給到的空間光調制器電子驅動系統的信號由于電平標準與液晶光閥所需的標準不一致，所以需要根據液晶光閥的設計需求轉換電平，這些工作均在電子驅動系統的電路板與液晶面板上由相關電平轉換電路完成。

如一款以HDMI作為視頻傳輸的數字電子驅動系統中，信號和控制數據分別以TMDS及TTL的電平格式傳給HDMI接收芯片，HDMI接收芯片將信號解碼轉換為LVTTL的格式發送給視頻處理專用芯片或者FPGA芯片，經過信號的調制處理后再以LVDS的格式傳輸給液晶顯示器（LCD）面板上的驅動和控制電路。

其中，在視頻信號輸出端分別采用LVDS是一種低擺幅的差分信號技術，它使得信號能在差分PCB線對或平衡電纜上以幾百Mbps的速率傳輸，同時，其低壓幅和低電流驅動輸出的輸出方式也可實現系統的低噪聲和低功耗，對于空間光調制器的圖像傳輸有著良好的表現。

在空間光調制器系統輸入端接收了一定標準的數據驅動電平并由電子驅動系統進行轉換后，輸出給到液晶面板中的掃描驅動集成電路，由此電路輸出邏輯控制電平通過掃描線(如上圖中標紅位置所示)將電壓差作用給諸如TFT開關器件的漏極，當邏輯電平為“1”，即高電平時，TFT打開，同時信號線VID1~24可將數據驅動集成電路輸出的灰階電壓作用在液晶像素電極上，與公共極之間的電壓差所產生的電場可以驅動液晶產生對應的偏轉效果，從而形成不同的灰階顯示，如下圖a,b所示，其中圖a是公共極（COM）電壓固定的驅動方式，圖b是公共極（COM）電壓變化的驅動方式，產生的256灰階（8bits）的信號電壓波形變化，對應每個灰階的信號電壓分別是V0~V255。

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作為像素電壓的基準電壓，公共極的電壓VCOM在固定的情況下，信號電壓根據灰階的不同，在固定的COM電極電壓上下不停變動，每個灰階對應的電壓的絕對值在前后兩幀呈小于VCOM 和大于VCOM依次變化，小于VCOM時呈負極性，大于VCOM時呈正極性，前后兩幀灰階電壓與VCOM的電壓差的絕對值相等，從而保證畫面顯示的灰階不變。

公共極電壓VCOM交流變化的情況下，在每一幀的時間內值是固定，當同一灰階對應的像素需要呈正極性狀態時，VCOM電壓輸出極小值，所有的灰階電壓都比這個極小值大，當同一灰階對應的像素需要呈負極性狀態時，VCOM電壓輸出極大值，所有灰階電壓均比這個極大值小。在前后兩幀周期內，灰階電壓隨著VCOM電壓的反轉而反轉。V0~ V127在VCOM電壓輸出極小值呈高電平狀態，在VCOM電壓輸出極大值時呈低電平狀態，而V128~ V255的高低電平反轉和V0~ V127相反，以此保證前后兩幀的灰階電壓和VCOM電壓之差的絕對值不變。

公共極電壓固定的驅動方式中，最大的灰階驅動電壓值相當于在公共極電壓的基礎上加上本身的幅值大小，而在公共極電壓變化的驅動方式中，最大的灰階驅動電壓值不能超過公共極電壓的大小。這就意味著采用公共極電壓變化的驅動方式，可以使得功耗和驅動集成電路設計成本大大降低，不過也會由于公共極電壓反轉產生的延遲造成橫向串擾的缺點。

結語：不同的驅動電平會給以邏輯門開關為主的數字系統帶來不同的使用效果，在電子信息技術長期的發展過程中，人們在使用及優化中制定并改進了各種電平標準，以此來實現信號傳輸和轉換間更好的兼容性及擴展性，同時電平標準也朝著低壓、低功耗的方向不斷發展，給各種電子產品的噪聲容限的改善、以及傳輸速度提升方面帶來契機，相信在不久的將來，隨著半導體和集成電路行業的發展，空間光調制器所使用驅動電路的電平標準改進后，產品的性能也會迎來質的飛躍。
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