книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

Совершенствование технологии производства жидкокристалличе­ ских ячеек и средств управления позволили производить цветные дисплеи, которые работают в режиме проходящего света. При этом три основных цвета (красный, зеленый и синий) получаются методом разложения белого цвета источника при пропускании его через три оптических фильтра. Ка­ ждый пиксель с линейным размером примерно 0,3 мм представляет собой комбинацию трех цветных ячеек. Основные цвета, прошедшие три ячейки, дают возможность воспроизвести любой цвет для каждого пикселя экрана. Вместе с числом ячеек для цветного экрана увеличивается втрое количест­ во транзисторов и повышается сложность схемы управления.

15.4. Плазменные элементы и панели

Использование интегральной технологии позволило на основе газо­ разрядных индикаторов создать ионно-плазменные экраны и панели, или Plasma Display Panels (PDP). Газоразрядный элемент - устройство, в кото­ ром используется излучение электрического разряда в замкнутом объеме, заполненным инертным газом. Принцип работы газоразрядного индикато­ ра аналогичен функционированию неоновой лампы и основан на иониза­ ции атомов газа движущимися под действием поля с катода на анод элек­ тронами.

Индикаторные плазменные панели (экраны) представляют собой две стеклянные пластины, объем между которыми заполнен инертным газом, например аргоном или неоном. На поверхности пластин помещены ма­ ленькие электроды, на которые подается управляющее напряжение. Разра­ ботаны и используются два вида управления индикаторными ячейками и соответствующие им типы индикаторных панелей: постоянного и пере­ менного тока. Индикаторная панель состоит из множества газоразрядных ячеек, которые размещены между двумя стеклянными пластинами с нане­ сенными на них плоскими прозрачными электродами (шинами). Системы параллельных проводящих шин на противоположных пластинах располо­ жены ортогонально, образуя матричную структуру, в узлах которой сформированы элементы индикации (рис. 15.11 ,а).

Изолированные области пространства между стеклянными пласти­ нами, заполненные инертным газом (Ne), совместно с проводящими элек­ тродами (анодом А и катодом К) составляют индикаторные ячейки и яв­ ляются отдельными элементами экрана (рис. 15.11,6).

Электроды имеют непосредственный контакт с газом, и поэтому эк­ вивалентную схему ячейки можно представить нелинейным резистором с типовой вольтамперной характеристикой электрического разряда в газе. Практически во всех видах индикаторных панелей используется участок, соответствующий режиму тлеющего разряда в области малых токов, кото-

Многослойную структуру ячейки можно отобразить эквивалентной схемой, которая наряду с нелинейным сопротивлением и емкостью Ся га­ зовой области, включает разделительные конденсатора Си емкость кото­ рых существенно превышает емкость ячейки (рис. 15.12,6). Управление осуществляется с помощью переменного (периодического) напряжения прямоугольной формы (рис. 15.12,6). Вначале на электроды подается на­ пряжение, превышающее уровень зажигания U3= 150 В. Это приводит к образованию разряда, ток которого создает на разделительных конденса­ торах напряжения, направленные навстречу входному. На следующем ин­ тервале входное напряжение уменьшается и изменяет направление на про­ тивоположное. При этом приобретенные на предшествующем интервале напряжения разделительных конденсаторов складываются с входным. Ес­ ли результирующее напряжение превышает уровень зажигания, то вновь возникает разряд. Далее процесс периодически повторяется, вызывая по­ следовательность световых импульсов. При достаточно высокой частоте следования импульсов вспышки воспринимаются как непрерывное осве­ щение, яркость которого определяется средним значением световых им­ пульсов.

Поддерживающее напряжение имеет меньшее по сравнению с на­ пряжением зажигания значение Un < U3благодаря дополнительному на­ пряжению на разделительных конденсаторах. Для выключения ячейки достаточно уменьшить амплитуду входных импульсов.

Преимущества плазменных дисплеев заключаются в большой ярко­ сти и контрастности изображения наряду с отсутствием дрожания кар­ тинки. К основным недостаткам следует отнести довольно высокую по­ требляемую мощность, возрастающую при увеличении диагонали экрана, и низкую разрешающую способность, обусловленную большим размером элемента изображения.

15.5. Типы и основные параметры систем отображения

Средства отображения - наиболее перспективный и быстро разви­ вающийся сектор электроники. Направления развития диктуются их ши­ роким использованием в измерительной технике, устройствах связи, ме­ дицинском и промышленном оборудовании, бытовых электронных прибо­ рах. Ускорение развития связано с существенным ростом числа разнооб­ разных приложений, требующих высококачественного отображения ин­ формации в графической и других формах представления.

В технике устройства, называемые и н д и к а т о р а м и , отображают ход процесса или состояние объекта наблюдения, его качественные либо количественные характеристики в форме, удобной для восприятия челове­ ком. Для указания точных числовых значений измеряемых или контроли-

руемых величин, таких как время, расстояние, скорость, расход, темпера тура, применяют стрелочные или цифровые индикаторы с проградуиро ванной шкалой. С целью повышения точности измерения, увеличения en. пределов и наглядности результатов стрелочные и цифровые индикаторы совмещают. Изобразительные (наглядные) индикаторы отображаю! положение объекта в пространстве, изменение характеристик в вил с графика или кривой на экране дисплея, служащего одним из основных средств информационной связи между машиной и человеком.

Совершенствование дисплеев побуждается их сегодняшними и пер спективными применениями в мобильных и настольных компьютерах, средствах отображения информации о функционировании производствен­ ных агрегатов и оборудования, мобильных телефонах, персональных ин­ формационных устройствах, электронных книгах, цифровых видеокаме­ рах и т.д. Основными направлениями совершенствования являются рас­ ширение шкалы размеров и форматов дисплеев, активное использование цвета, улучшение потребительских качеств - уменьшение массы, энерго­ потребления, обеспечение надежности, повышение удобства пользования. Идет активное использование различных физико-химических процессов, разработка эффективных технологий на основе новых явлений, примене­ ние оптимальных схемотехнических решений, создание новых структур на основе достижений системотехники и теории информации.

В технологическом плане наряду с рассмотренными дисплеями на ЭЛТ, ЖК и плазменными панелями разные производители создают и раз­ вивают множество других технологий, среди которых следует упомянуть технологию PALC (Plasma Addressed Liquid Crystal), которая должна со­ единить в себе преимущества плазменных и жидкокристаллических экра­ нов с активной матрицей. Одним из новых технологических направлений является создание дисплея FED (Field Emission Display), который совме­ щает в себе особенности ЭЛТ и экранов на ЖК. В FED дисплее использу­ ется множество маленьких источников электронов, расположенных за каж­ дым элементом экрана, и все они размещаются в пространстве, глубина ко­ торого меньше, чем требуется для ЭЛТ. Каждый источник имеет индивиду­ альное управление, как в экранах на ЖК, и каждый пиксель затем излучает свет благодаря воздействию электронов на люминофор аналогично ЭЛТ.

Есть и еще целый ряд разрабатываемых перспективных технологий, например панели LEP (Light Emission Plastics), называемые светящимся пластиком, на основе низкомолекулярных материалов для органических светодиодных дисплеев, панели на сегнетоэлектрических электролюминесцентных индикаторах и др.

Для разных целей можно использовать различные отображающие средства в зависимости от требований, условий эксплуатации и стоимо­ сти. Возможности и технические параметры дисплеев многочисленны и

различны. Очевидным эксплуатационным параметром любого дисплея являются его габаритные размеры, определяющие область пространства для его установки. По этому показателю преимущество следует отдать плоским приборам (например, толщина дисплеев на ЖК не превышает 5 ...6см, такой же порядок имеет толщина плазменных экранов). Важное значения имеют соответствие дисплея стандартам безопасности и под­ держка режимов энергосбережения.

Пользователя в первую очередь интересует размер экрана и качество изображения, о котором можно судить по разрешающей способности, от­ сутствии мелькания и возможности воспроизведения изменяющейся (дви­ жущейся) картинки. Последние два свойства связаны с параметром, назы­ ваемым ч а с т о т о й р е г е н е р а ц и и , или обновления экрана, и опре­ деляющим частоту замены изображения на экране. Очевидно, что чем выше частота регенерации, тем устойчивее представляется картинка.

Для традиционных дисплеев на ЭЛТ время свечения люминофора каждого элемента мало и обоснованной частотой кадров, при которой не воспринимается мерцание, считается 75 Гц. Значение частоты регенерации зависит от используемого разрешения и связано с электрическими пара­ метрами дисплея (частотой строчной развертки, полосой пропускания ви­ деоканала) и видеоконтроллера. В жидкокристаллических дисплеях время перехода ячеек (пикселей) в выключенное состояние превышает время обновления изображения, и оптимальной считается частота регенерации 60 Гц, обеспечивающая отсутствие мерцания.

Рассматриваемые параметры - размер экрана, разрешающая способ­ ность и частота регенерации - взаимосвязаны и должны соответствовать друг другу.

Разрешающая способность дисплея определяется количеством точек по ширине (горизонтали) и высоте (вертикали) изображения на экране. Например, разрешение дисплей 640x480 означает, что изображение состо­ ит из 640x480 = 307200 точек в прямоугольнике экрана с соотношением сторон 3:4. Выбор высокого разрешения зависит от множества факторов, связанных с параметрами дисплея, возможностями видеокарты и объемом доступной видеопамяти. Очевидно, что основные параметры дисплея су­ щественно зависят от системы управления и внешних устройств взаимо­ действия с микропроцессором (интерфейса).

Применяется два типа дисплейных интерфейсов - аналоговый и цифровой. В аналоговом интерфейсе информация представлена модулиро­ ванными видеосигналами основных цветов (красного, зеленого и синего), а также сигналами строчной и кадровой развертки. Данный тип интерфей­ са используется для связи видеоконтроллера с дисплеями на ЭЛТ Формирование изображения матричных дисплеев производится по строкам и столбцам с помощью драйверов, обеспечивающих управление

столбцам с помощью драйверов, обеспечивающих управление выборкой адресуемых ячеек экрана.

Схема формирования и передачи данных от видеоконтроллера до схемы управления работой дисплея для аналоговых и цифровых интер­ фейсов примерно одинакова. Процессор формирует в ОЗУ видеоконтрол­ лера образ изображения, в котором элементу, содержащему три ячейки основных цветов, соответствуют 6 или 8 разрядов памяти на каждый цвет. При реализации аналогового интерфейса данные, выбранные из ОЗУ кад­ ров, преобразуются с помощью трехканального быстродействующего ЦАП в аналоговую форму и передаются в схему управления дисплеем. В цифровых дисплейных интерфейсах передача данных от видеоконтролле­ ра до драйверов производится в цифровой форме.

Увеличение формата и расширение шкалы яркостных градаций цвет­ ных дисплеев потребовали увеличения скорости передачи данных в интерфейсных шинах. В матричных дисплеях первого поколения, имею­ щих невысокое разрешение, для передачи данных использовалась шина разрядностью от 4 до 16 бит на основе КМОП-технологии. По мере увели­ чения размера и разрешения экрана, расширения градаций яркости требо­ валась более высокая скорость передачи данных и связанная с ней полоса пропускания линий связи. При больших уровнях разрешения скорость пе­ редачи достигла единиц (гигабит в секунду), что привело к созданию не­ скольких групп интерфейсов с различными способами передачи данных и типами линий передачи. При этом использование сигналов высокого уровня с крутыми фронтами привело к существенному росту электромаг­ нитных помех, что потребовало применения специальных методов их по­ давления (симметрирование, экранирование, заземление) и переходу к оп­ товолоконным системам связи.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое элемент индикации, и какими показателями он характеризуется?

2.Как классифицируются элементы индикации?

3.Каковы принципы отображения информации на ЭЛТ?

4.Какие параметры характеризуют дисплей на ЭЛТ?

5.Как осуществляется управление отображением информации на экране дисплея?

6.Что такое жидкий кристалл, и какие его свойства используются для создания эле­ ментов индикации?

7.Какова структура и принцип действия жидкокристаллического индикатора?

8.В каких режимах работает жидкокристаллический индикатор?

9.Какова структура и принцип действия жидкокристаллического дисплея?

10.Какие способы используются для управления изображением жидкокристалличе­ ского дисплея?

11.Какова структура и принцип действия плазменного экрана?

ЛИТЕРАТУРА

1.Алексенко А. Г Основы микросхемотехники. - М.: Бином, 2002.

2.Быстров Ю. А., Мироненко А. Г Электронные цепи и микросхемотехни­ ка. - М.: Высшая школа, 2002.

3.Гусев В. Г„ Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника - М.: Высшая школа, 2003.

4.Костриков В. Г., Парфенов Е. М, Шахнов В. А. Источники электропита­ ния электронных средств. - М.: Горячая линия-Телеком, 2001.

5.Карлащук И И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Elec­ tronics Workbench и ее применение. - М.: Солон-Р, 2001.

6.Кузовкин В. А. Теоретическая электротехника. - М.: Логос, 2002.

7.Новожилов О. П. Основы цифровой техники - М.: ИП РадиоСофт, 2004.

8.Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. П. Аналоговая и цифровая элек­ троника (Полный курс). - М.: Горячая линия-Телеком, 1999.

9.Пухальский Г И., Новосельцева Т. Я. Цифровые устройства. - СПб.: По­ литехника, 1996.

10.Степаненко И\ И Основы микроэлектроники. - М.: Бином, 2001.

11.Стешенко В. Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. - М.: ДОДЕКА, 2000.

12.Угрюмое Е. П. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ-Петербург, 2001.

13.Ушаков В.Н. Основы аналоговой и импульсной техники. - М.: ИП Ра­ диоСофт, 2004.

14.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - М.: Мир, 2003.

Владимир Александрович Кузовкин

Э Л Е К Т Р О Н И К А

электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

Учебник

Редактор Е.В. Комарова Оформление Т.Ю. Хрычевой Корректор Л.И. Трифонова

Компьютерная верстка Е. Самойленко

Подписано в печать 4.08.2005. Формат 60x90/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Печ. л. 20,5.

Тираж 3000 экз. Заказ № 2047.

По вопросам приобретения литературы обращаться по адресу:

105318, Москва, Измайловское ш., 4 Тел./факс: (095) 369-5819, 369-5668, 369-7727 Электронная почта: universitas@mail.ru Дополнительная информация на сайте: http://logosbook.ru

Отпечатано с готовых лиапозитивоп

и T iin o i рафии Ф ГУП " И лательстпо "Самарским Дом печати'' 443080. I Самара, пр. К. Маркса. 201

Качество печати соответствует качеству прелостав.тснных диапозитивов.