驱动电平对于液晶光阀输出图像的影响

--浅谈驱动电平对于液晶光阀输出图像的影响

在之前的文章中，给大家介绍过空间光调制器的电寻址驱动方式，在这种驱动方式下，液晶盒像素电极两端的电荷量的改变产生的电压差会使得液晶分子产生偏转，进而影响成像。那么，什么样的驱动电平变化会造成输出图像灰度的变化呢？

 

为了解决这个问题，让我们先从电平标准的定义开始，逐步了解电子驱动系统在空间光调制器使用过程中，调节和转换输入及输出电平的方式，进而对驱动像素的灰阶电压有一定的认知：

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1. 电平标准的定义

电平即为两功率或电压、有时也可指电流之比的对数，而逻辑电平则指的是可由地线与信号线之间的电位差体现的一种产生信号的状态，本文要讨论的就是液晶驱动中的逻辑电平。在了解逻辑电平的过程，需要知道以下几个概念：

a. 输入高电平（Vih）:保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平，当输入电平高于Vih时，则认为输入电平为高电平；

b. 输入低电平（Vil）:保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平，当输入电平低于Vil时，则认为输入电平为低电平；

c. 输出高电平（Voh）:保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值，逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此Voh；

d. 输出低电平（Vol）:保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值，逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此Vol；

目前常用的逻辑电平标准有TTL、CMOS、LVTT、LVCMOS、RS232、RS485、ECL、PECL、LVPECL等，一些高速的电平有：LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等，其对应的电平标准可参见下图：

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电子驱动系统的电平转换

在启动空间光调制器并加载不同的信号时，由信号源输出给到的空间光调制器电子驱动系统的信号由于电平标准与液晶光阀所需的标准不一致，所以需要根据液晶光阀的设计需求转换电平，这些工作均在电子驱动系统的电路板与液晶面板上由相关电平转换电路完成。

如上图中一款以HDMI作为视频传输的数字电子驱动系统中，信号和控制数据分别以TMDS及TTL的电平格式传给HDMI接收芯片，HDMI接收芯片将信号解码转换为LVTTL的格式发送给视频处理专用芯片或者FPGA芯片，经过信号的调制处理后再以LVDS的格式传输给液晶显示器（LCD）面板上的驱动和控制电路。

其中，在视频信号输出端分别采用LVDS是一种低摆幅的差分信号技术，它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mbps的速率传输，同时，其低压幅和低电流驱动输出的输出方式也可实现系统的低噪声和低功耗，对于空间光调制器的图像传输有着良好的表现。

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液晶驱动的灰阶电压

在空间光调制器系统输入端接收了一定标准的数据驱动电平并由电子驱动系统进行转换后，输出给到液晶面板中的扫描驱动集成电路，由此电路输出逻辑控制电平通过扫描线(如上图中标红位置所示)将电压差作用给诸如TFT开关器件的漏极，当逻辑电平为“1”，即高电平时，TFT打开，同时信号线VID1~24可将数据驱动集成电路输出的灰阶电压作用在液晶像素电极上，与公共极之间的电压差所产生的电场可以驱动液晶产生对应的偏转效果，从而形成不同的灰阶显示，如下图a,b所示，其中图a是公共极（COM）电压固定的驱动方式，图b是公共极（COM）电压变化的驱动方式，产生的256灰阶（8bits）的信号电压波形变化，对应每个灰阶的信号电压分别是V0~V255。

图a COM电压固定驱动

作为像素电压的基准电压，公共极的电压VCOM在固定的情况下，信号电压根据灰阶的不同，在固定的COM电极电压上下不停变动，每个灰阶对应的电压的绝对值在前后两帧呈小于VCOM 和大于VCOM依次变化，小于VCOM时呈负极性，大于VCOM时呈正极性，前后两帧灰阶电压与VCOM的电压差的绝对值相等，从而保证画面显示的灰阶不变。

图b COM电压变化驱动

公共极电压VCOM交流变化的情况下，在每一帧的时间内值是固定，当同一灰阶对应的像素需要呈正极性状态时，VCOM电压输出极小值，所有的灰阶电压都比这个极小值大，当同一灰阶对应的像素需要呈负极性状态时，VCOM电压输出极大值，所有灰阶电压均比这个极大值小。在前后两帧周期内，灰阶电压随着VCOM电压的反转而反转。V0~ V127在VCOM电压输出极小值呈高电平状态，在VCOM电压输出极大值时呈低电平状态，而V128~ V255的高低电平反转和V0~ V127相反，以此保证前后两帧的灰阶电压和VCOM电压之差的绝对值不变。

公共极电压固定的驱动方式中，最大的灰阶驱动电压值相当于在公共极电压的基础上加上本身的幅值大小，而在公共极电压变化的驱动方式中，最大的灰阶驱动电压值不能超过公共极电压的大小。这就意味着采用公共极电压变化的驱动方式，可以使得功耗和驱动集成电路设计成本大大降低，不过也会由于公共极电压反转产生的延迟造成横向串扰的缺点。

结语：不同的驱动电平会给以逻辑门开关为主的数字系统带来不同的使用效果，在电子信息技术长期的发展过程中，人们在使用及优化中制定并改进了各种电平标准，以此来实现信号传输和转换间更好的兼容性及扩展性，同时电平标准也朝着低压、低功耗的方向不断发展，给各种电子产品的噪声容限的改善、以及传输速度提升方面带来契机，相信在不久的将来，随着半导体和集成电路行业的发展，空间光调制器所使用驱动电路的电平标准改进后，产品的性能也会迎来质的飞跃。

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