El avanzado controlador LCD permite un diseño de proyector de datos más económico y eficiente

Introducción

Los proyectores de datos basados en la tecnología de pantalla de cristal líquido (LCD) han avanzado mucho en los últimos años, con unidades más pequeñas y baratas que ofrecen mayor brillo y mejor resolución. Como resultado, el proyector ha pasado de ser un dispositivo de visualización en una gran sala de conferencias a ser una herramienta cotidiana para grupos de trabajo y organizaciones comerciales, y un elemento básico de los sistemas de entretenimiento doméstico. El DecDriver^® El CI, del que se habla aquí, es un factor importante en las mejoras actuales y futuras de la calidad visual, así como en la reducción de costes, de estas pantallas.

En la actualidad, la tecnología dominante utilizada en los motores de visualización de los proyectores incluye tres pantallas de cristal líquido (LCD) de polisilicio de alta temperatura (RGB-rojo, verde, azul) microdisplays. Las tres micropantallas LCD en color se presentan con datos de color separados, y sus salidas de luz se suman ópticamente antes de proyectarse a través de la lente en la pantalla. Este sistema proporciona un mejor control de la calidad del color, con mayor brillo y eficacia, y mucho menos riesgo de "ruptura del color" que los sistemas secuenciales de un solo panel en el campo basados en una rueda de color giratoria.

Recientemente, ha entrado en el mercado de la proyección una nueva tecnología de LCD, basada en obleas de silicio menos caras: el cristal líquido sobre silicio (LCOS). Los motores de proyección basados en LCOS tienen el potencial de permitir el cine en casa de bajo coste, así como otras pantallas a gran escala, como las públicas y los grandes monitores de retroproyección o estaciones de trabajo. Las ventajas que los microdisplays LCOS aportan a estas aplicaciones incluyen resoluciones más altas que las que se consiguen actualmente con los paneles LCD HTPS, combinadas con el potencial -aún no realizado- de un menor coste. Otras ventajas de los LCOS son la mayor densidad de píxeles, los paneles más pequeños y las mayores relaciones de apertura. En el entretenimiento doméstico, el uso de motores de proyectores incluirá la proyección frontal y trasera y requerirá resoluciones superiores a 2 millones de píxeles en color (10 bits) corrección gamma).

Tanto las tecnologías de pantalla LCOS como HTPS se basan en la pantalla de cristal líquido (LCD); y requieren una electrónica de control de alto rendimiento para proporcionar pantallas de alta calidad y resolución Para una explicación muy breve de los píxeles, los formatos, las resoluciones y las frecuencias de reloj, consulta la siguiente nota a pie de página.

La interfaz de las micropantallas difiere de las pantallas de los ordenadores portátiles actuales, que ahora suelen ser a-Si (LCD amorfa de matriz activa). Las pantallas de estos portátiles requieren un controlador individual para cada columna de píxeles. Esta interfaz es lenta, y los circuitos integrados, que suelen tener hasta 384 controladores por chip, son desproporcionadamente largos.

HTPS o LCOS microdisplayspor otro lado, han integrado una función de multiplexor (MUX) para distribuir la señal de imagen entre las columnas de píxeles. El propio píxel físico sirve como condensador de carga en un sencillo circuito de muestreo y retención, que retiene la señal de imagen mientras el material del LCD reacciona. La entrada MUX requiere un número muy reducido de canales de interfaz, lo que permite intercambiar una mayor velocidad por un circuito más sencillo. Esto reduce la huella en el chip de la micropantalla, que actualmente sólo mide 0,5 pulgadas en diagonal. Además, esta configuración también reduce la disipación de energía, el área y el coste de la electrónica de accionamiento. Por si fuera poco, mientras que una pantalla de ordenador portátil de gama alta puede incluir controladores de 8 bits, la micropantalla utilizada para los motores de proyección hoy en día utiliza 10 bits entradas con corrección gamma. Estas imágenes de mayor calidad son necesarias porque la imagen proyectada es muy grande y tiene artefactos de visualización que no se notan fácilmente en la pantalla de un portátil de 10 pulgadas. La necesidad de imágenes de mayor calidad y velocidad requiere un mayor rendimiento de la electrónica del reproductor.

Las principales cifras de mérito de estos controladores analógicos incluyen ahora una buena tensión de salida absoluta precisióntensión de salida rápida decantando en cargas capacitivas, alta tasas de datoscompacto distancia al sueloy baja disipación de energía. Los diseños de interfaz destinados a los mercados de cine en casa deben seguir confiando en las entradas analógicas de las micropantallas LCD para evitar el ruido lógico de alta velocidad y mejorar la calidad de la señal aplicada a los píxeles de la pantalla.

Antes de la llegada de los chips DecDriver, la solución electrónica de control heredada para los microdispositivos se basaba en topologías de muestreo y retención para diezmar los datos de las imágenes digitales en el tiempo. La decimación es necesaria para adaptar la velocidad de los datos entrantes de alta velocidad al ancho de banda relativamente limitado del píxel del LCD. Una función MUX integrada en el panel HTPS distribuye la señal de imagen analógica en columnas de píxeles, cargando un conjunto finito de píxeles en cada ciclo de reloj, hasta llenar una fila de píxeles. Los controladores basados en el muestreo y la retención adolecen de varias limitaciones que se traducen en una mala calidad de imagen: gran superficie de la placa de circuito, capacidad limitada para alcanzar resoluciones superiores a la XGA (véase la Tabla 1) y alta disipación de energía. Los errores en la función de muestreo y retención -debidos al pedestal, al droop y al tiempo de asentamiento- limitan la calidad de visualización de esta arquitectura, afectando a la coincidencia de colores y dificultando la velocidad del sistema necesaria para resoluciones más altas. Independientemente de que los ASIC de control (responsables de la sincronización, el procesamiento de la señal de imagen, etc.) incluyan DAC de vídeo de alta velocidad, se requieren intrínsecamente amplificadores de vídeo discretos para proporcionar el rango de tensión dinámica y el tiempo de asentamiento necesarios. A su vez, accionan los amplificadores de muestreo y retención necesarios para la decimación.

Además, el aumento del número de píxeles, manteniendo una frecuencia de refresco fija, requiere una electrónica de control aún más rápida. Esto es especialmente cierto en el caso de los LCOS, ya que los tiempos de respuesta más rápidos y la doble velocidad de fotogramas de la tecnología LCOS requieren interfaces de panel con menos canales (pero mucho más rápidos) que los necesarios para los HTPS.

Aparte de los problemas de velocidad, las pantallas LCOS de calidad de cine en casa tienen los mismos requisitos que las HTPS. Las entradas del panel analógico deben tener una buena precisión entre canales, un amplio rango dinámico y un tiempo de asentamiento rápido.

Arquitectura diezmada digitalmente

El DecDriver AD8380^® (driver de decimación) es una solución monolítica de silicio que proporciona todo el rendimiento necesario para conducir imágenes de 10 bits con corrección gamma directamente a paneles HTPS y LCOS de alta resolución con gran velocidad y precisión. Sustituye de forma efectiva la función de muestreo y retención, al enclavar los datos digitales de alta velocidad del controlador y, a continuación, transferir todos los canales a una señal determinada, lo que permite realizar una decimación en tiempo real convirtiendo los datos en señales de imagen analógicas paralelas.

El DecDriver está diseñado para optimizar el tiempo de preparación y la disipación de energía fabricando los DAC y los amplificadores del driver en el mismo chip, utilizando un nuevo proceso bipolar rápido de alta densidad de 26 V. Al integrar los amplificadores controladores de alta tensión de salida con los DAC bipolares rápidos, pueden ajustarse juntos en fábrica para cumplir las especificaciones de precisión absoluta requeridas.

Esta solución completa, diseñada para una alta precisión de salida, también proporciona un control completo de la señal de imagen, incluyendo el contraste, el brillo, la inversión de la señal y los niveles de salida VCOM, sin sacrificar la precisión. La combinación de velocidad, control lógico flexible y precisión de salida ajustada por láser permite un diseño modular utilizando varios DecDrivers de forma intercambiable en sistemas XGA, SXGA y de mayor resolución.

Los sistemas de proyección frontal y trasera requieren exploraciones en direcciones opuestas entre sí, por lo que se proporcionan controles L/R para determinar la dirección en la que se bloquean los datos, lo que facilita el diseño de los sistemas de proyección frontal y trasera. La E/O proporciona la capacidad de enclavamiento en bordes de reloj alternativos, lo que simplifica la demultiplexación de las rutas de datos de doble velocidad.

Rendimiento de la pantalla

Las pantallas de alta resolución requieren una mayor velocidad de reloj de los píxeles y, por tanto, una electrónica de control más rápida. La tabla 1 muestra las frecuencias de reloj de píxel y de sistema de los formatos de vídeo más comunes (VESA y SMPTE).

Las frecuencias máximas asignadas son 7 MHz para los paneles HTPS y 40 MHz para los paneles LCOS.

La Tabla 2 muestra los correspondientes tiempos máximos de asentamiento y el número de canales de entrada necesarios para los paneles HTPS y LCOS con los formatos de vídeo habituales. Se supone que los datos de entrada de los paneles LCOS se duplican, ya que la densidad de píxeles es demasiado alta para utilizar la inversión de columnas o filas sin incurrir en la diafonía.

Una frecuencia de funcionamiento inadecuada del controlador provoca incompatibilidad con algunos formatos de vídeo o tipos de paneles. Un controlador compatible debe ser capaz de funcionar a la frecuencia CLK del sistema y proporcionar los canales de salida necesarios con precisión dentro del tiempo de asentamiento requerido. Unos tiempos de asentamiento excesivos o una precisión de los canales de salida desajustada provocarán fantasmas o niveles de tensión desajustados de columna a columna, lo que dará lugar a líneas verticales en la imagen.

Precisión

La intensidad luminosa de cada componente de color de un determinado píxel depende del nivel de salida del conductor, que depende de la amplitud codificada digitalmente. Los errores de conversión D/A y de amplificación de los controladores dentro de un mismo canal y de un canal a otro y de un color a otro dan lugar a errores de intensidad y de valor de color; y los errores sistemáticos degradan la visualización produciendo efectos visuales molestos. El error absoluto en las salidas de los controladores es proporcional al error eficaz en la salida de cada controlador. La especificación del error absoluto del DecDriver incluye todos los errores: es decir, la no linealidad del DAC, el error de escala completa, el error de desplazamiento, el desplazamiento del amplificador y los errores de adaptación de los canales.

Para correlacionar mejor los artefactos de la imagen y los errores del conductor, la tensión de error efectiva o diferencial, VDE, (figura 3) se define como sigue:

V_DE(n) = ½[V_OUT(n) – V_OUTP(n)] - [V_FS × (1 – n/1023)]

donde

V_OUTN(n) es la tensión de salida cuando INV se pone a tope

V_OUTP(n) es la tensión de salida cuando INV está en nivel bajo
½[V_OUTN(n) – V_OUTP(n)] es el valor eficaz de la salida
(V_FS × (1 - n/1023)) es el valor eficaz de la salida ideal

n es uno de los 2¹⁰ valores del código de entrada

V_FS es la tensión de salida a escala completa

El error de modo común (figura 4), que aleja la función de transferencia del punto medio, VMID, se define como sigue:

V_CME(n) = ½{ ½ [V_OUTN(n) +V_OUTP(n)] - V_MID}

donde

½(V_OUTN(n) +V_OUTP(n))

es el valor medio de CC de la salida.

Los errores de modo común provocan un aumento de la diafonía a medida que aumenta la densidad de píxeles (es decir, a medida que disminuye el paso).

Características del dispositivo

El AD8380, un dispositivo de 10 bits y 6 canales, la primera implementación de la arquitectura DecDriver, está actualmente disponible en cantidades de producción. Sus controles analógicos fijan la referencia de salida y los niveles de escala completa; y sus controles digitales incluyen la inversión, la carga derecha/izquierda, los datos impares/pares y la carga secuencial y dirigida del latch.

Disipa 550 mW a partir de una alimentación analógica de 15 V y digital de 3,3 V, es decir, menos de 100 mW por canal analógico.

Las entradas de referencia y los controles lógicos permiten un diseño modular con entradas y controles comunes. Los sistemas de proyección con resolución SXGA y superior se han construido utilizando múltiples dispositivos por panel de color. Se ha conseguido un funcionamiento en el rango de temperatura nominal, con velocidades de reloj de datos de entrada de hasta 150 MSPS.

El valor máximo de V_DE el error es inferior a ±7,5 mV (o 1,5 niveles de escala de grises). Como ya se ha dicho, esto incluye todos los errores debidos a la no linealidad del DAC, los errores de desplazamiento y de escala completa, y los errores de ganancia del amplificador. Los errores de modo común, o VCME, son inferiores a ±3,5 mV (0,7 niveles de escala de grises). Ver la figura 5.

El tiempo de asentamiento del amplificador de salida (Figura 6) es típicamente de 35 ns al 0,25%, para un paso de 5 V en una carga de 150 pF. Observa en la Tabla 2 que esto es lo suficientemente rápido como para accionar paneles LCOS con resolución HDTV.

Resumen

En una imagen proyectada de un sistema XGA de 12 canales disponible en el mercado que utiliza paneles HTPS, no se aprecian líneas verticales ni otros artefactos de la imagen. En un sistema de proyección de este tipo, con una potencia de 1.000 lúmenes, se puede observar una gran coincidencia de colores, lo que supone una mejora significativa respecto a los sistemas más antiguos. La huella del circuito se reduce al eliminar los componentes de compensación externos entre los DAC integrados del controlador CMOS, los amplificadores de ganancia y los muestreadores utilizados para la demultiplexación. El control integrado de las opciones lógicas de entrada y de los niveles de la señal de imagen de salida hace que el CI DecDriver sea un subsistema electrónico de accionamiento completo, conectado directamente al controlador CMOS y al panel LCD, lo que ahorra espacio en la placa. El rendimiento dinámico superior de los amplificadores de accionamiento de salida integrados, combinado con entradas lógicas rápidas y salidas precisas, significa que se pueden utilizar varios CI DecDriver para implementar sistemas de mayor resolución para proyectores SXGA o UXGA. Se han demostrado resultados similares con paneles LCOS SXGA, y se están evaluando sistemas de mayor resolución que utilizan la arquitectura DecDriver.

NOTA AL PIE DE PÁGINA

Sobre los píxeles, la resolución, los formatos, la velocidad del reloj, etc.

Una pantalla de vídeo digital se origina como una red de pequeñas áreas, cada una de las cuales es estimulada brevemente para producir, transmitir o reflejar una intensidad de luz individual determinada eléctricamente, que se mantiene durante la visualización de una imagen. Estas zonas se conocen como elementos de la imagen, o píxeles. En un sistema de visualización digital en color intervienen tres fuentes de píxeles (rojo, verde y azul, o RGB), cuyas intensidades se combinan para iluminar la zona en color. En la forma más sencilla de monocromo en la pantalla, las áreas de píxeles de la fila superior se iluminan en secuencia horizontal, luego se iluminan los píxeles de la siguiente fila en secuencia, y así sucesivamente, hasta que se haya iluminado el último píxel de la última fila; entonces el escáner comienza un nuevo marco.

El número de píxeles por línea, multiplicado por el número de líneas, se llama resolucióny la relación entre los píxeles horizontales y los verticales se llama relación de aspecto. En el mundo real, las señales eléctricas que controlan la pantalla necesitan tiempo para las instrucciones al final de cada línea y al final de cada fotograma, por lo que se deja algo de tiempo para las muestras adicionales. Así, por ejemplo, en un ordenador estándar formato llamado SVGAla resolución de la zona visible de la pantalla es de 800 píxeles por línea, con 600 líneas por cuadro, pero el número teórico de muestras posibles es de 1056 por línea, y en realidad hay 632 líneas por cuadro.

Para el aparato visual humano medio, para que la pantalla parezca ofrecer una imagen constante y sin parpadeos y muestre un movimiento continuo, el número de imágenes mostradas por segundo debe ser de al menos 50, y es más habitual que sea de unas 60. Un simple cálculo para este ejemplo mostrará que la señal eléctrica que define la imagen debe ser capaz de mostrar con intensidad correcta 800×600×60=28,8 millones de píxeles por segundo y de procesar hasta 1056×632×60=40,04 millones de muestras por segundo. Este enorme número se conoce como el velocidad de reloj de los píxeles.

La tabla 1 compara las cifras de resolución y velocidad de diversos formatos estándar utilizados en la televisión digital, la televisión analógica digitalizada y los ordenadores. También muestra una diferencia clave entre los formatos informáticos y algunos formatos televisivos intercalando. En la televisión analógica estándar, la imagen completa se muestra mediante dos fotogramas entrelazados con la mitad de líneas por fotograma; las líneas de los fotogramas alternados se entrelazan para llenar el espacio de la pantalla, confiando en la persistencia de la visión para la continuidad. Los formatos que conservan estos restos requieren un reloj de píxeles que sea la mitad de la velocidad del reloj del sistema.

Paneles y píxeles

El número de canales de conversión D/A y de controladores necesarios depende del tipo de pantalla y del formato de vídeo. Tanto las pantallas HTPS como las LCOS necesitan más de un canal por color, pero las pantallas HTPS más lentas necesitan más canales, de 6 a 24 para HDTV, SXGA y UXGA, mientras que las LCOS necesitan de 2 a 8 canales. El DecDriver AD8380 de 6 canales ha sido diseñado para satisfacer esta necesidad de manejar múltiples canales de datos de 10 bits con un tiempo de asentamiento adecuado, así como para proporcionar muchas funciones de control. La Tabla 2 muestra los requisitos de canal y tiempo de asentamiento para cada uno de los formatos de la Tabla 1.