LCoS彩色時(shí)序控制器的ASIC設計

基于頭盔顯示器對便攜性的要求，要實(shí)現微型化和低功耗，將彩色時(shí)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(jìn)行其中彩色時(shí)序控制器的asic設計。
　　
彩色時(shí)序原理

彩色時(shí)序方法的原理是：首先把每場(chǎng)圖像中的紅綠藍信息分離出來(lái)，然后在每一場(chǎng)的時(shí)間內分3個(gè)子場(chǎng)分別把紅綠藍圖像寫(xiě)入顯示屏，在每個(gè)子場(chǎng)的掃描過(guò)程結束以及液晶反應之后依次點(diǎn)亮紅綠藍3色光源，從而在一場(chǎng)的時(shí)間內依次顯示紅綠藍3幅圖像，利用人眼睛的特性合成彩色。

彩色時(shí)序法的優(yōu)點(diǎn)是不使用彩色濾色片，一個(gè)物理像素也就是實(shí)際的一個(gè)像素，有利于在同樣尺寸的顯示屏上實(shí)現更高的分辨率。與空間濾色器的方法相比，使用彩色時(shí)序的方法使分辨率提高為原來(lái)的３倍，即如果在相同的分辨率下，其顯示屏尺寸僅為原來(lái)的1/3。由于彩色時(shí)序是將每場(chǎng)的信息分3個(gè)子場(chǎng)在一場(chǎng)時(shí)間內寫(xiě)入顯示屏，這就使場(chǎng)頻提高為原來(lái)的3倍，相應的，點(diǎn)時(shí)鐘頻率也提高為原來(lái)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(shí)現的。同時(shí)，場(chǎng)頻和點(diǎn)時(shí)鐘頻率的提高也給顯示器的視頻系統設計提出了更高的要求。
　　
lcos微型顯示技術(shù)

lcos微型液晶顯示技術(shù)是采用與超大規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(guān)驅動(dòng)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(shù)，其結構是在單晶硅襯底上，利用cmos工藝把顯示矩陣和驅動(dòng)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(dòng)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(xiàn)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(shí)p極的光透過(guò)， s極光被反射到達鋁反射鏡，此時(shí)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(guò)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(dòng)電路之間的連接問(wèn)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(shù)。

lcos彩色時(shí)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(shí)序控制器asic可以驅動(dòng)分辨率最高為1280×1024的lcos微型顯示屏，其功能是：輸入24位的數據信號(r:g:b＝8:8:8)以及時(shí)序信號vs、hs、clk等，將數據信號r、g、b按照一定的數據變換格式分別寫(xiě)入一組存儲器的3個(gè)區，而同時(shí)讀另一組存儲器，按順序將r、g、b三個(gè)子場(chǎng)的數據送入lcos屏實(shí)現彩色時(shí)序的顯示。另外，還要提供lcos屏所需要的同步信號以及點(diǎn)時(shí)鐘信號等。要完整地實(shí)現該過(guò)程，彩色時(shí)序控制器必須包括數據變換電路、時(shí)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。

數據變換電路的設計

由于lcos屏的數據驅動(dòng)電路采用了4組移位寄存器，2組從屏的上方寫(xiě)入數據，另2組從屏的下方寫(xiě)入數據，所以需要每次寫(xiě)入4個(gè)各8位的像素數據。這種驅動(dòng)方式使得lcos屏所需要的點(diǎn)時(shí)鐘頻率降為只采用1組移位寄存器作數據驅動(dòng)時(shí)的1/4。但是由于寫(xiě)入方式的改變，要求對原來(lái)每個(gè)像素24位(r:g:b=8:8:8)的數據格式進(jìn)行變換，需要變換為4個(gè)像素各32位的r、g、b分別寫(xiě)入lcos屏。8位移位寄存器的思路很好地實(shí)現了數據從24位到32位的變換。

這種移位寄存器的方法實(shí)現了r、g、b從8位到32位的變換，還需要分別在每4個(gè)時(shí)鐘周期的第1、2、3個(gè)周期取第一、第二、第三組移位寄存器的數據，而在第4個(gè)周期不取數據。為了實(shí)現這種取數方式，本文設計了一個(gè)能夠產(chǎn)生3個(gè)標志信號的flag電路，通過(guò)3個(gè)標志信號來(lái)控制取走3組移位寄存器的數據。

時(shí)序信號產(chǎn)生電路的設計

時(shí)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(shí)序信號，其結構框圖如圖3所示。

在這里，通過(guò)兩個(gè)分頻電路對clock信號進(jìn)行合適的分頻，分別產(chǎn)生子場(chǎng)行同步信號s_hs和子場(chǎng)場(chǎng)同步信號s_vs；時(shí)鐘屏蔽是為了產(chǎn)生點(diǎn)時(shí)鐘l_clock，使得在沒(méi)有數據寫(xiě)入的時(shí)間里可以停止點(diǎn)時(shí)鐘l_clock，從而有效降低了lcos屏的功耗；點(diǎn)燈控制信號產(chǎn)生部分獲得三色led光源的點(diǎn)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(shí)現的主要功能是產(chǎn)生21位地址信號、寫(xiě)控制信號w、讀控制信號g，可以分為寫(xiě)地址發(fā)生器、讀地址發(fā)生器和讀寫(xiě)切換開(kāi)關(guān)3部分。

寫(xiě)地址發(fā)生器的核心是一個(gè)21位計數器和一個(gè)加法器，在彩色時(shí)序顯示存儲中，需要將每組存儲器分為3個(gè)區，分別存儲紅綠藍圖像數據，每一幀彩色圖像分解為3幀分別存儲。這樣每個(gè)區需要的存儲空間為1280×256＝327680，所以寫(xiě)地址發(fā)生電路實(shí)際上可以使用一個(gè)21位的計數器來(lái)產(chǎn)生地址信號并分別與0、327680、655360相加而實(shí)現。這樣在一幀的時(shí)間之內，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(shí)際上就是產(chǎn)生一個(gè)不斷遞增的地址信號，這可以通過(guò)計數器來(lái)實(shí)現：根據行同步信號開(kāi)始產(chǎn)生地址，根據場(chǎng)同步信號開(kāi)始讀取數據。

讀寫(xiě)切換是實(shí)現實(shí)時(shí)視頻顯示的關(guān)鍵所在，在一幀的時(shí)間里，從一組存儲器向lcos顯示屏輸出圖像數據，同時(shí)通過(guò)數據變換模塊往另一組存儲器里寫(xiě)圖像數據，在下一幀時(shí)間里將讀寫(xiě)切換過(guò)來(lái)，這樣不斷交替進(jìn)行，不斷向顯示屏輸出連續的視頻數據，實(shí)現實(shí)時(shí)顯示。

lcos彩色時(shí)序控制器的版圖設計

本文采取全定制設計技術(shù)進(jìn)行該電路的版圖設計，首先根據0.35mm cmos工藝建立標準元件庫，使用tanner research 公司的l-edit進(jìn)行版圖的生成和后仿真驗證，最終獲得了整個(gè)lcos彩色時(shí)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。