LCD – мониторы

      Оптический эффект жидкокристаллических элементов, которые играют роль пикселов в LCD-мониторах, основан на изменении оптической поляризации отраженного или проходящего света под действием электрического поля. Панель представляет собой матрицу ячеек, каждая из которых находится на пересечении вертикальных и горизонтальных координатных проводников. Матрицы сканируются аналогично телевизионному растру, так что каждая ячейка управляется импульсно.

            Расположение транзисторов на матрице определяет два основных типа современных жидкокристаллических дисплеев:

            - двойного сканирования,

            - активно-матричные.

            Вообще существует три разновидности LCD-дисплеев: монохромный с пассивной матрицей, цветной с пассивной матрицей и цветной с активной матрицей. Конструкции с пассивной матрицей могут иметь одну и две стандартные развертки.

            У LCD-мониторов отсутствует  вредные излучения, а для CRT-мониторов регламентируется излучение до 0,5 микрорентген в час. Надежность LCD-мониторов, благодаря отсутствию в их схеме таких узлов, как строчная развертка, небольшая потребляемая мощность и отсутствие высоких напряжений,  гораздо выше, чем у CRT-мониторов. У  LCD-дисплея  -  безбликовый плоский экран и низкая потребляемая мощность (некоторые модели таких дисплеев потребляют 5 Вт, в то время как ЭЛТ-мониторы - порядка 100 Вт).

Рис. 1. Жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (содержит по транзистору для каждого пикселя на экране - такой дисплей ярче, так как пикселы сами генерируют свет)

            Дисплей на жидких кристаллах потребляет очень мало энергии, но для подсветки требуется значительная мощность(ресурс устройств подсветки около 20 000 часов). Эти дисплеи самые дешевые среди обширного семейства плоских панельных дисплеев. С их помощью можно получать высококонтрастные цветные изображения. При низкой температуре эти дисплеи замедляют работу. Если температура становится ниже определенного предела, они утрачивают работоспособность.

 Современные LCD-дисплеи используют так называемую активную матрицу. В активной матрице каждая ячейка управляется транзистором, которым, в свою очередь, управляют через координатные шины. В цветных ЖК-экранах, в свою очередь, на один пиксель приходится три ячейки, и, управляя их яркостью, можно добиться различного цвета изображения на экране. В цветном LCD-индикаторе есть светофильтр, который имеет три ячейки на каждый пиксель изображения -  по одной для отображения красной, зеленой и синей точек.  Световая волна проходит через жидкокристаллическую ячейку, причем каждый цвет имеет свою ячейку

            В LCD-экранах с активной матрицей каждая ячейка управляется своим транзисторным ключом. Например, дисплей с активной матрицей 800х600 содержит 480 000 транзисторов. Это обеспечивает более высокую яркость изображения, чем в LCD-экранах с пассивной матрицей, поскольку каждая ячейка оказывается под воздействием постоянного, а не импульсного электрического поля. При этом, естественно, активная матрица потребляет больше энергии. Кроме того, наличие отдельного транзисторного ключа для каждой ячейки усложняет производство таких приборов и делает их более дорогостоящими. Активные матрицы обеспечивают более высокую контрастность изображения. Цветные дисплеи имеют более сложные ячейки, состоящие из трех элементов для управления каждым из базисных цветов. По качеству цветопередачи LCD-дисплеи с активной матрицей и двойным сканированием в настоящее время превосходят большинство CRT-мониторов, но разрешающая способность у них ниже, а стоимость выше (у одной из моделей LCD-дисплеев фирмы NEC разрешение 1280x1024, а для реализации матрицы этой модели использовано около 4 млн. транзисторов). Однако разрешающая способность обычных LCD-экранов, как правило, более низкая, чем у типичных ЭЛТ, и стоят устройства намного дороже.

            Активно-матричные дисплеи (или дисплеи с активной матрицей), также известные как TFT-дисплеи (Thin Film Transistor  -  тонкопленочные транзисторы) содержат по транзистору для каждого пикселя на всем экране. Транзисторы установлены в решетке из проводящего материала, обеспечивающей их горизонтальное и вертикальное соединение (рис. 1). Расположенные по периметру решетки электроды подают дифференцированное напряжение, адресуя каждый пиксель индивидуально.

            В жидкокристаллическом дисплее с активной матрицей используется массив из тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistor -  TFT). Тонкопленочный транзистор - это метод упаковки от одного до четырех транзисторов на пиксель в эластичный материал, который имеет размер и форму дисплея.

            При производстве тонкопленочных транзисторов чаще всего используется либо гидрогенизированный аморфный силикон (a-Si), либо низкотемпературный полисиликон (p-Si). Их основное отличие -  стоимость. При производстве большинства тонкопленочных транзисторов используется a-Si, однако более низкий температурный режим делает применение p-Si более выгодным.

Рис.2. Виртуальный экран для просмотра большого изображения по частям

            Несмотря на то что в жидкокристаллическом дисплее используется большое количество транзисторов -  от 480 000 до 1 920 000 (при разрешении 800х600), подавать сигнал на каждый пиксель не нужно. Сигнал в активно-матричном дисплее подается на строку или столбец транзисторов, как и в дисплее двойного сканирования.

            Получая отдельное питание, каждый пиксель генерирует световое излучение нужного цвета, поэтому изображение на таком дисплее ярче и "живее", чем на дисплее двойного сканирования. Стало большим и поле зрения, так что у экрана могут устроиться сразу несколько человек. Изображение обновляется быстрее и четче, а дефекты изображения, присущие дисплеям двойного сканирования, вообще отсутствуют.

            Активно-матричный дисплей с 480 000 транзисторов вместо 1 400 (на экране с разрешением 800х600) потребляет больше энергии, чем дисплей двойного сканирования и стоит гораздо дороже.

            Неудивительно, что при таком количестве транзисторов чаще попадаются сбойные и, как результат, "мертвые" пиксели. Но в отличие от дисплеев двойного сканирования, в которых черная линия сразу бросается в глаза, здесь повреждение одного транзистора заметно гораздо меньше. Сейчас стало уже стандартом использовать в современных портативных системах активно-матричные дисплеи размером 12,1 дюйма с разрешением 800х600 или даже 1024х768. Системы верхнего уровня имеют активно-матричные дисплеи размером 15 дюймов и больше с разрешением до 1280х1024. Такие дисплеи уже недалеки от того, чтобы составить конкуренцию лучшим мониторам и видеоадаптерам настольных систем.

            В любом случае LCD-панели требуют подсветки - либо задней (Back Light), либо боковой (Side Light) от дополнительного (чаще люминесцентного) источника освещения. Иногда используют внешнее освещение, при этом за панелью располагается зеркальная поверхность.

Рис. 3. Пример структурной схема монитора LCD монитора

            Площадь изображения на экране размером 12,1 дюйма у жидкокристаллического монитоpа равна площади изображения на 14-дюймовом экране CRT-монитора. Площадь изображения на экране размером 13,8 дюйма у жидкокристаллического монитора равна видимой площади 15-дюймового CRT-экрана, а 15-дюймовый LCD-монитор  равен по площади изображения 17-дюймовому классическому монитору. Жидкокристаллические дисплеи большего размера (как, например, вышеупомянутый 17,3-дюймовый Silicon Graphics 1600) дают пользователю практически неограниченные возможности и по площади и разрешению сравнимы с 21-дюймовыми CRT-мониторами, что в условиях ограниченной по размерам настольной техники уже является пределом (табл. 1). Глубина цвета и для жидкокристаллических, и для обычных ЭЛТ-дисплеев определяется одинаково -  объемом видеопамяти. Если ее достаточно, то любой жидкокристаллический экран будет успешно работать ив 16-, и в 24-разрядном цветовом режиме.             LCD-дисплеи имеют и ряд недостатков, обусловленных их природой: низкую контрастность, зависимость качества изображения от угла наблюдения. Но все технические проблемы решаются и популярность LCD-мониторов растет.

            TFT-технологии бурно развиваются. К ним уже добавились разработки в области повышения контрастности черного стекла, увеличения угла зрения, понижения потребляемой мощности и сокращения времени отклика. Помимо самой матрицы в cocтав LCD-панели входят и схемы управления, основные функции которых - коммутация управляющих импульсов. Они содержат схемы кадровой и строчной развертки. Видеосигнал представлен последовательностью импульсов-отсчетов. Тактовая частота определяется стандартом воспроизводимого сигнала. LCD-панели могут быть и мультистандартными (как например монитор BLISS 1500A) и работать как с телевизионными, так и с компьютерными сигналами. Схема строчной развертки переключает с тактовой частотой импульсы-отсчеты видеосигнала с одного вертикального электрода на другой. Схема кадровой развертки в интервале строчного гасящего им пульса осуществляет перекоммутацию горизонтальных электродов.

            В современных схемах управления LCD-панелями используются самые разные ухищрения с тем, чтобы исправить недостатки или упростить систему управления. Уже упоминалось, что модуляционная характеристика прибора существенно нелинейная, из за чего заметно снижается число передаваемых градации. Элементы нелинейной обработки видеосигнала позволяют заметно ослабить влияние пелинейности модулятора на качество изображения. Применение сдвоенных схем строчной развертки, одна из которых управляет нечетными электродами, а другая - четными, позволяет снизить тактовые частоты строчной развертки. Современная интегральная техника предлагает самые замысловатые электронные схемы, размещенные в ограничен ном пространстве плоского монитора.            Энергопотребление экранов на жидких кристаллах незначительно. В них не используются дефицитные и особо дорогостоящие детали.  Тем не менее они в 3-4 раза дороже аналогичных экранов на  кинескопах. Это связано в первую очередь с небольшим выходом годных изделий и существенно сдерживает массовое применение таких экранов

            На рис. 3. показана типовая структурная схема LCD-мониторов (типа SyncMaster) Сразу видно, что она значительно отличается от структурных схем CRT-мониторов.            Мониторы имеют автоматическую развертку с цифровым управлением от микропроцессора. Восьмиразрядный микропроцессор ST72E75 контролирует параметры развертки и разрешения в соответствии с установками пользователя через OSD-меню,  записывает в память EEPROM информацию о частотах и настройках развертки,  контролирует настройку у-коррекции(цветовой баланс).

            Входной аналоговый RGB-сигнал с ПК может подаваться на 15-контактный разъем D-SUB (вход Video 1) или 21-контактный 1 3W3 (вход Video 2). Переключение входов Video 1 или Video 2 осуществляется коммутатором, который реализован на микросхеме BA7657F. Синхроимпульс Н-Sуnс выделяется из сигнала зеленого цвета микросхемой LM1881 и поступает через буфер 74F1 25 на схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) ICS1523. Схема ФАПЧ включает в себя фазовый детектор, фильтр нижних частот и управляемый напряжением генератор. В случае отклонения строчной частоты входного сигнала от частоты развертки подстройка управляемого напряжением генератора осуществляется сигналами CLK+, CLK-. Сигналы трех основных цветов поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) AD9483. На его выходе формируются восьмиразрядные цифровые сигналы основных цветов. LCD-контроллер на микросхеме MX88272FC выполняет функции масштабирования изображения и у-коррекции цвета. Его выходные сигналы используются схемой интерфейса SIL150, которая формирует цифровой код ТМОS для шинных дешифраторов. Дешифраторы управляют засветкой каждого пикселя и конструктивно расположены на стеклянной подложке LCD-панели. Две лампы подсветки (ЛП) питаются от инвертора напряжением 500 В, 48 кГц. Яркость ЛП регулируется изменением величины питающего напряжения в диапазоне 400...550 В. Вся схема монитора питается от DC/DC-конвертора, вырабатывающего 3 напряжения: 12 В, 5 В и 3,3 В, который, в свою очередь, питается от выносного AC/DC-адаптора.

Рис. 4. Блок-схема основной логической платы LCD-монитора LG 500LC

            LCD-мониторы - по сути полностью цифровые устройства, и  вследствие этого на компьютерном рынке сложилась парадоксальная ситуация: производители вынуждены обеспечивать совместимость LCD-панелей с ЭЛТ-мониторами, а в результате соединение цифрового монитора с компьютером осуществляется через аналогового "посредника". Первоначально цифровой сигнал преобразуется в аналоговый в видеокарте (первое, ЦАП-преобразование), а затем аналоговый сигнал трансформируется в цифровой электронным блоком самого LCD-монитора (второе, АЦП-преобразование). При этом возрастает риск различных искажений сигнала, значительно повышается стоимость как самой видеокарты, так и монитора. Получается, что пользователи платят дополнительные деньги за общее ухудшение качества.

            Специалисты в области ЖК-технологий уже давно работают над  созданием стандартного цифрового интерфейса для обмена данными между ЖК-мониторами и компьютерами. Для решения проблемы была создана Digital Flat Panel Group в которую входят 3D Labs, Acer, Apple, ATI, Compaq, Diamond, Fujitsu, Hewlet-Packard, LG, MAG Innovision, Matrox, Samsung, Toshiba, ViewSonic и другие компании из числа лидеров компьютерного рынка. Результатом работы группы стал единый цифровой стандарт для LCD-мониторов. В результате был создан 20-контактный графический интерфейс, получивший название PanelLink. Сейчас интерфейс PanelLink принят в качестве стандарта ведущими мировыми производителями ЖК-мониторов и, вероятно, будет почитаться так же, как DDC 1/2В у производителей ЭЛТ-моделей ( рис. 4).