引言

基于頭盔顯示器對便攜性的要求，要實現(xiàn)微型化和低功耗，將彩色時序控制器設計為單片的ASIC是較好的解決方案。本文正是針對應用LCoS（Liquid Crystal on Silicon）微型顯示器的HMD，進行其中彩色時序控制器的ASIC設計。

彩色時序原理

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

彩色時序法的優(yōu)點是不使用彩色濾色片，一個物理像素也就是實際的一個像素，有利于在同樣尺寸的顯示屏上實現(xiàn)更高的分辨率。與空間濾色器的方法相比，使用彩色時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。由于彩色時序是將每場的信息分3個子場在一場時間內(nèi)寫入顯示屏，這就使場頻提高為原來的3倍，相應的，點時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現(xiàn)的。同時，場頻和點時鐘頻率的提高也給顯示器的視頻系統(tǒng)設計提出了更高的要求。

LCoS微型顯示技術

LCoS微型液晶顯示技術是采用與超大規(guī)模集成電路兼容的設計和制造方法將硅基顯示矩陣和相關驅動電路集成在一起所構成的微型顯示芯片。LCoS屬于反射式微型液晶顯示技術，其結構是在單晶硅襯底上，利用CMOS工藝把顯示矩陣和驅動電路集成在一起， LCoS的像素電極是用鋁制作的反射鏡面，在像素電極下面設置有金屬擋光層，可以防止像素驅動晶體管受強光照射。LCoS的結構示意圖如圖１所示，液晶層的一側是具有反射電極的LCoS芯片基板，另一側是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：當光源發(fā)出的光到達PBS（Polarization Beam Splitter，偏振分光鏡）時P極的光透過， S極光被反射到達鋁反射鏡，此時加在鋁反射鏡電極和ITO電極之間的電壓將使S極光轉換為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）。

LCoS芯片不僅解決了顯示矩陣與驅動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。

LCoS彩色時序控制器的電路設計

總體結構設計

本文所設計的LCoS彩色時序控制器ASIC可以驅動分辨率最高為1280×1024的LCoS微型顯示屏，其功能是：輸入24位的數(shù)據(jù)信號（R:G：B＝8:8：8）以及時序信號VS、HS、CLK等，將數(shù)據(jù)信號R、G、B按照一定的數(shù)據(jù)變換格式分別寫入一組存儲器的3個區(qū)，而同時讀另一組存儲器，按順序將R、G、B三個子場的數(shù)據(jù)送入LCoS屏實現(xiàn)彩色時序的顯示。另外，還要提供LCoS屏所需要的同步信號以及點時鐘信號等。要完整地實現(xiàn)該過程，彩色時序控制器必須包括數(shù)據(jù)變換電路、時序信號產(chǎn)生電路和存儲控制電路等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計。

數(shù)據(jù)變換電路的設計

由于LCoS屏的數(shù)據(jù)驅動電路采用了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個各8位的像素數(shù)據(jù)。這種驅動方式使得LCoS屏所需要的點時鐘頻率降為只采用1組移位寄存器作數(shù)據(jù)驅動時的1/4。但是由于寫入方式的改變，要求對原來每個像素24位（R:G：B=8:8：8）的數(shù)據(jù)格式進行變換，需要變換為4個像素各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現(xiàn)了R、G、B從8位到32位的變換，還需要分別在每4個時鐘周期的第1、2、3個周期取第一、第二、第三組移位寄存器的數(shù)據(jù)，而在第4個周期不取數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)這種取數(shù)方式，本文設計了一個能夠產(chǎn)生3個標志信號的flag電路，通過3個標志信號來控制取走3組移位寄存器的數(shù)據(jù)。

時序信號產(chǎn)生電路的設計

時序信號產(chǎn)生電路的主要功能是產(chǎn)生LCoS屏所需要的一些接口時序信號，其結構框圖如圖3所示。

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

存儲器控制電路的設計

存儲器控制電路的結構框圖如圖4所示，該部分電路所實現(xiàn)的主要功能是產(chǎn)生21位地址信號、寫控制信號W、讀控制信號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3部分。

寫地址發(fā)生器的核心是一個21位計數(shù)器和一個加法器，在彩色時序顯示存儲中，需要將每組存儲器分為3個區(qū)，分別存儲紅綠藍圖像數(shù)據(jù)，每一幀彩色圖像分解為3幀分別存儲。這樣每個區(qū)需要的存儲空間為1280×256＝327680，所以寫地址發(fā)生電路實際上可以使用一個21位的計數(shù)器來產(chǎn)生地址信號并分別與0、327680、655360相加而實現(xiàn)。這樣在一幀的時間之內(nèi)，分別存儲了各一幀的紅綠藍圖像。

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

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

LCoS彩色時序控制器的版圖設計

本文采取全定制設計技術進行該電路的版圖設計，首先根據(jù)0.35mm CMOS工藝建立標準元件庫，使用Tanner Research 公司的L-EDIT進行版圖的生成和后仿真驗證，最終獲得了整個LCoS彩色時序控制器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100MHz。

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