第5章 等离子体显示技术课件.ppt

1 等离子体显示器件工作原理 1.1 等离子体基本知识 1.2 等离子体显示器件的显示原理 1.3 等离子体显示器件的特点 1.4 等离子体显示器件的性能指标 2 等离子体显示器件的驱动与控制 2.1 等离子体显示器件的电路组成 2.2 等离子体显示器件的驱动电路 2.3 等离子体显示器件的产业现状,等离子体显示技术,1.1 等离子体基本知识 1. 等离子体概述 等离子体（plasma）是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电荷组成的离子化气态化物质，它是除去固态、液态、气态外，物质存在的第四态。是一种很好的导电体。 在太阳、恒星中都存在大量的等离子体，闪电、极光就是等离子体作用的结果，人工方式核聚变、核裂变、辉光放电等都可以产生等离子体。 利用电场和磁场还可以控制等离子体来为人们所用，如等离子体电弧焊等。,1 等离子体显示器件工作原理,等离子体形成成因： 普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开尔文以上时，所有气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等。这种高度电离的、宏观上呈中性的气体就是等离子体。,所以，等离子体和普通气体性质不同，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场要影响其它带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导。,等离子体分类： 根据等离子体焰温度，可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。 （1）高温等离子体：温度相当于108109K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。,（2）低温等离子体，温度103105 K，如电弧、 稀薄低压辉光放电等离子体。,根据等离子体中各种粒子的能量分布情况，又可将等离子体分为等温等离子体和非等温等离子体。,（1）等温等离子体：所有粒子都具有相同的温度。 （2）非等温等离子体：又称气体放电等离子体，所有粒子都不具有热运动平衡状态。要从外电场获得能量，产生一定数目的碰撞电离来补充放电空间中带电粒子的消失。,等离子体主要特征： （1）气体高度电离。 （2）具有很大的带电粒子浓度，具有良导体的特征。 （3）等离子体具有电振荡的特征。在带电粒子穿过等离子体时，能够产生等离子体激元，等离子体激元的能量是量子化的。 （4）等离子体具有加热气体的特征。可被加热到数万度。 （5）在稳定情况下，气体在等离子体中的运动可看作是热运动。,表征等离子体的主要参量,（1）电子温度Te。是用来表征电子能量的。（2）电离强度。表征等离子体中发生电离的程度。（3）轴向电场强度EL。表征维持等离子体的存在所需要的能量。（4）带电粒子浓度。（5）杂乱电子流密度。表征在管壁限制的等离子体内，由于双极性扩散所造成的带电粒子消失的数量。,等离子体显示板（Plasma Display Panel，PDP）是由很多的等离子体管单元组成的新型平板显示器件，每个等离子体管对应一个像素，轻而薄，亮度高，色彩鲜艳。,等离子体显示技术是利用气体放电发光再激发荧光粉发光而进行显示的技术，每个显示单元都可以看成是一个小型的日光灯管。,2. 等离子体显示技术,PDP显示屏由前玻璃板、后玻璃板、导电电极、介质层组成，其间充入低压气体，并进行密封。 前玻璃板上成对地制作有扫描透明电极和维持透明电极，其上覆盖一层电介质，MgO保护层覆盖在电介质上。 后玻璃板表面上有寻址电极，其上覆盖一层电介质。红、绿、蓝彩色荧光粉分别排列在不同的寻址电极上，不同荧光粉之间用壁障相间。 根据显示像素的不同，电极数会有变化。这些电极直接与数据驱动电路板相连。,3. 等离子体显示屏基本结构,PDP的组成和结构如图所示：,5.1.2 等离子体显示器件的显示原理,等离子体显示板（PDP）是由几百万个像素单元构成的，每个像素单元中都涂有荧光层并充有惰性气体。 PDP显示屏的每个发光单元工作原理类似于霓虹灯，每个灯管加电后都可以发光。 PDP显示主要是利用电极间加高压电压，电极触电点火后，电极表面会产生放电现象，使显示单元内的惰性气体电离产生紫外光，紫外光激发荧光粉产生可见光。一个像素包括红、绿、蓝3个发光单元，三基色原理组合形成256色光。,1. PDP像素放电、发光单元结构 PDP像素放电、发光单元结构如下图所示。电极间加高电压，正负极间激发放出电子，电子轰击惰性气体，使其处于等离子状态，电子离子运动碰撞发出紫外线；真空紫外线射在荧光粉上，使荧光粉发光，进而实现PDP发光。,PDP显示屏放电单元,2. PDP显示器件的显示原理 等离子体显示板的像素实际上类似于微小的氖灯管，它的基本结构是在两片玻璃之间设有一排一排的点阵式的驱动电极，其间充满惰性气体。像素单元位于水平和垂直电极的交叉点，要使像素单元发光，可在两个电极之间加上足以使气体电离的高电压。颜色是由单元内的荧光粉发出的光产生的。 通常等离子体发出的紫外光是不可见光，但涂在显示单元中的红、绿、蓝3种荧光粉受到紫外线轰击就会产生红、绿和蓝的颜色。改变三种颜色光的合成比例就可以得到任意的颜色，这样等离子体显示屏就可以显示彩色图像。,3. 等离子体显示单元的发光过程 分为4个阶段：（1）预备放电：给扫描和维持电极之间加上电压，使单元内的气体开始电离形成放电的条件。 这相当于提高了数据电极和扫描电极间的触发电压。（2）开始放电：接着给数据电极与扫描电极加上高电压，单元内的离子开始放电。（3）放电发光与维持发光：去掉数据电极上的电压，给扫描和维持电极之间加上交流电压，使单元内形成连续放电，从而可以维持发光。（4）消去放电：去掉加到扫描和维持电极之间的交流信号，在单元内变成弱的放电状态，等待下一个帧周期放电发光的激励信号。,等离子体显示单元的发光过程 （直流驱动）,5.1.3 等离子体显示器件的特点 1. 高亮度和高对比度。亮度达到330850 cd/m2；对比度达到30001。且亮度非常均匀没有亮区和暗区 2. 纯平面图像无扭曲。PDP的RGB发光栅格在平面中呈均匀分布，发光单元的结构完全相同，这样就使得PDP 的图像即使在边缘也没有扭曲现象出现。 3. 超薄设计、超宽视角。由于等离子体电视显示原理的关系，使其整机厚度大大低于传统的CRT彩电和投影彩电。等离子体PDP电视是自发光器件，其可视角已大于传统彩电CRT，轻松做到160度以上。 4. 具有齐全的输入接口,可接市面几乎所有的信号源。,5. 与传统的CRT彩电相比，由于其显示原理不需要借助电磁场，所以来自外界的电磁干扰，如马达、扬声器，甚至地磁场等，不会引起图像变形变色或图像的倾斜。具有更好的环境适应能力6. 散热性能好，低噪声。7. 采用电子寻址方式，图像失真小，没有聚焦、会聚问题。色纯一致，不会像CRT那样产生色彩漂移。8. 采用了帧驱动方式，消除了行间闪烁和图像大面积闪烁。9. 图像惰性小，响应速度快，重显高速运动物体不会产生拖尾等缺陷。这是LCD所不能比拟的。,等离子体显示器件的缺点是： （1）功耗大，不便于采用电池电源（与LCD相比）。 （2）与CRT相比，彩色发光效率低。 （3）驱动电压高（与LCD相比）。 （4）大量发光和发热元件向外产生辐射，目前仍不能有效地在机内较好地解决高频信号处理问题。同时对输入的视频信号接线也是考验，差一点的色差线会产生花屏现象。 虽然PDP尚存在一些不足，但随着今后研究工作的进一步开展，必将使PDP的技术性能不断改进。,5.1.4 等离子体显示器件的性能指标 PDP显示器件的性能指标主要指它的空间分辨率、颜色数和扫描频率。,用指像素点大小表示：点距约1 mm以内。或用像素数表示：如42英寸分辨率一般在1024768，50英寸的大多为1366768。,指每一个像素点可以有多少种颜色，这是由表示一个像素点的二进制位数决定的。,扫描频率必须达到一定的值时才不会出现闪烁现象。,购买成熟PDP产品时应该注意以下指标：（1）分辨率至少1024x768（2）显示屏亮度不小于780 cd/cm2 灰度达到1024级（3）标称对比度应达到30001。（4）与个人计算机模式是否兼容（即是否能处理VGA/SVGA/XGA/SXGA等模式）。（5）功耗：越低越好，目前一些产品耗电可低于300 W。（6）寿命：产品的使用期至少在3万小时以上。,PDP应用领域 1）PDP主要应用于办公自动化设备领域，同时在个人计算机领域也有一席之地。 2）PDP已用于销售终端（POS）、银行出纳终端及室外显示屏。新研制成的大容量PDP已经在OA设备中大量采用，而且应用前景看好。 3）PDP工作在全数字化模式，是数字电视（Digital TV，DTV）、高清晰度电视（HDTV）、计算机工程工作站及多媒体终端理想的显示器件。,5.2 等离子体显示器件的驱动与控制 5.2.1 等离子体显示器件的电路组成,等离子体显示器电路是由接口电路、逻辑控制电路、电压转换电路、驱动电路和显示屏几个部分组成的。,PDP显示器的电路原理,1、接口电路 （1）VGA接口电路 如下图5.14所示，此电路的主要功能是对模拟信号进行数字化，并提供同步和消隐等控制信号。,VGA接口电路是由视频放大器、高速A/D变换器、数字锁相环、中央控制器、色彩校正电路和输出缓冲器等组成。 视频放大器的主要功能是将输入的模拟RGB信号放大到A/D变换器所需的电平2 V，同时将放大后的RGB信号的电平钳位到3.0 V。,A/D变换器由同步、比较、触发、基准电压发生和编码电路组成。 模拟电视信号经同步器后加到比较电路，与基准电压发生器送来的电平相比较，输出0和1电平，该数字量电压再经触发器和编码器编成8 bit 二进制的数字信号，经变换后，数字R、G、B信号各有8位，其中R0、G0、B0为最低位亮度信号，R7、G7、B7为最高位亮度信号。然后数字图像信号再经过逆校正电路和增益电路进入逻辑控制单元。,图像数字信号的接口电路,接口电路所有的控制信号均由中央处理器产生。实际电路中常使用74F574对24路RGB信号进行锁存，对同步控制信号则用74F541进行缓冲,时钟信号、消隐信号、垂直/水平同步信号的接口电路,色彩校正电路的主要作用： a）进行反校正。进行反校正是为了弥补电光转换的非线性，目前的图像信号在传输过程中应预先进行校正。 b）调整PDP三基色的色域。由于PDP荧光粉是受紫外光激励而发的光，因此其色域与自然光有差异，为了使PDP显示器的图像更加逼近自然，设计时必须进行色域调整。具体电路是用EPROM以查表的方式实现的。,（2）视频接口 视频接口电路主要由视频解码器、中央控制器、行存储器和单片机（可控制亮度、对比度、色度等图像参数）等组成，实际电路如图：,2、逻辑控制电路 （1）帧存储单元。 图像数字信号由时钟信号、水平同步信号和垂直同步信号共同作用写入帧存储器中。 帧存储器具有两幅画面的容量。 由于帧存储器在短时间内送出大量数据，故工作电路使用高速DRAM。 写入存储器的数据由存储器控制电路分时送入驱动电路，在显示屏上显示相应的图像。,选址时钟信号是持续输入的，在其关闭时数据被读入。 消隐信号为逻辑高时，数据有效并从屏幕的左上角开始调节；消隐信号为逻辑低时，数据无效，不被读入。 水平同步信号和垂直同步信号分别调节一行和一屏的数据，当其关闭时，开始控制下一行和下一屏。,（2）亮度控制单元。 B-CNT0、B-CNT1、B-CNT2为全屏显示亮度设置信号。 全屏显示亮度由外接可调电阻控制，该电阻与PDP屏的3个输入端子相连。 B-CNT0、B-CNT1和B-CNT2为模拟信号，经过A/D变换和一系列数字处理后，亮度控制信号加至PDP屏的驱动电路，以控制维持放电电压。从而使显示亮度发生变化。,图5.8 亮度控制电路,（3） 子场驱动技术 通过改变等离子体放电时间(即时间调制技术）实现有灰度层次的图像显示，这就是子场驱动技术。,一个子场包括初始化、写入和维持三个阶段。,a）数据写入：正极性的数据脉冲加在数据电极上，同时负极性的扫描脉冲加在扫描电极上，这意味着数据脉冲电压和扫描脉冲电压之和加在了两个电极上，这样在两个电极之间开始放电。像素单元的气体电离放电，在气体放电期间，离子被引向扫描电极，电子被引向数据电极。 当写入脉冲停止后，吸附覆盖在电极周围电介质上的电子和离子仍然保留下来，这就是壁电压（即着火电压，与外加电压极性相反），上述过程称之为数据写入。（这时放电空腔上的电压变小，为外加电压和壁电压之和）,b）亮度维持：由于壁电压的存在，使放电空间电场减弱，逐渐停止放电。但当反向的下一个维持电压脉冲到来时，上一次放电形成的壁电压与此时的外加电压同极性，再次着火发光。 因此，单元一旦由书写脉冲电压引燃，只需要维持电压脉冲就可维持脉冲放电（存储特性）。 如果维持电压脉冲重复周期长，则像素的亮度等级增加。因此，通过控制维持放电时间，像素的亮度得以控制。,把维持电压脉冲正负交替变化的驱动方式称为AC驱动方式。,c）初始化：为清除像素里充电产生的残余电荷，在扫描电极和维持电极间加上一个梯形电压，等离子体放电逐渐减弱，这样就清除了残余电荷。,AC 驱动方式,子场驱动技术是PDP的独特技术系统。 PDP一般采用时间调制技术实现有灰度层次的图像显示。即前述的“子场扫描驱动法”。 一个电视场的8位数字视频复合信号通过8子场技术再现，每一子场寻址期的时间相同（一个寻址期包括1次初始化和480行扫描），但是每一子场维持期的时间不同，第一子场（SF1）仅仅再现1级亮度，SF2再现2级亮度，每一子场的维持期时间逐渐增加，如此总共256级亮度等级就能在屏幕上再现。,3、双扫描技术 系统的亮度驱动通过子场维持期实现，这样峰值亮度就受到了限制。 比如有480行垂直扫描在寻址期内执行。双扫描技术能够在寻址期把扫描时间从480行减少到240行，这样通过双扫描驱动，空闲寻址期的时间可用于维持期，结果峰值亮度就增加了。,4、亮度自适应增强技术 亮度自适应增强（AI）技术主要用于控制子场驱动操作。 在AI技术中，根据图像平均亮度水平，子场数由1012变化；每一子场的维持期时间格式从以二进制方式增加变成重新按照线性编码方式增加（线性编码子场）；之后AI技术为PDP选择最适合的显示条件以达到图像显示的自然和鲜艳。 AI技术改变了过去PDP子场驱动一般为8个子场的固定模式，使白场和暗场景峰值亮度自动调整，一方面能够保护屏幕，另一方面能够降低整机功耗。,5.2.2 等离子体显示器件的驱动电路 彩色PDP显示屏的种类划分： 按结构的不同可分为：交流型彩色PDP和直流型彩色PDP（AC型和DC型）。交流型有三个电极，直流型有两个电极。 按驱动方式不同可分为：行顺序制驱动方式和存储驱动方式两种。存储驱动方式基本上由写入、发光维持和擦除3个周期组成。 驱动集成电路的作用是给彩色PDP施加定时的、周期性的脉冲电压和电流。,1、彩色PDP驱动集成电路结构及性能 彩色PDP驱动集成电路结构如图5.15所示。 要使彩色PDP进行气体放电，必须提供高电压，所以这种结构需要特殊的集成电路工艺技术。 通常将驱动器内部结构分为两部分：一是逻辑电路，用于控制显示屏信号和处理显示数据；二是驱动电路，用于将信号电平移位和对显示屏施加发光所需的脉冲。,图5.15 彩色PDP驱动集成电路的基本结构,彩色PDP驱动集成电路特点 ： （1）高耐压输出：彩色PDP驱动器的耐高压输出能力是其最重要而且是最基本的性能。 随着彩色PDP本身结构的改善，所需的驱动电压会下降，同时，驱动器的开发也在向着最优化的方向发展。,（2）逻辑部分：驱动器的逻辑部分的性能通常用移位寄存器的最大时钟工作频率来表示。目前，实用的驱动器逻辑部分的工作频率为2036 MHz。这样的速度，对于HDTV和高精度的数据显示所必要的寻址驱动器而言，完全可以满足其数据移位的要求。,（3）彩色PDP驱动集成电路的功耗： 彩色PDP的电流部分的功耗大致分为3部分：逻辑部分，电平移位寄存器，高压驱动部分。 正常情况下，逻辑部分功耗在20 mW以下，电平移位寄存器部分应在200 mW以下。设计时应将与显示无关的其它电子元器件的功耗设计得尽可能小。 （4）功率回收：彩色PDP无效功率主要来自电极的电阻和电容的充放电，这两种寄生负载是显示器本身固有结构所决定的。从驱动器方面来改善电阻分量是不可能的，但是，对于电容充放电的电能，驱动器可以设法回收一部分。,（5）串扰现象： 高耐压CMOS驱动集成电路在系统中常常会出现相互串扰的现象。 彩色PDP屏包括高压在内一共有4组以上的电源系统，只要驱动电路使它们工作，就会产生很大的串扰噪声。此外，作为驱动负载的彩色PDP显示屏在放电时和非放电时的状态也截然不同，这也助长了串扰现象的发生。为了克服串扰现象，彩色PDP的驱动集成电路在设计和工艺上更采用更为严格的控制措施。,（6）电源顺序： 在彩色PDP系统中，一共有4组以上的电源（其中包括高压电源）共处在一个系统之中，电源依照规定时刻同步工作。在系统设计时，对于电源接通的顺序以及发生错误时的保护等问题都要予以仔细考虑。尤其是直接与彩色PDP显示屏相连接的驱动器，如果发生错误动作，则不仅会破坏集成电路本身，甚至会毁坏显示屏以致整个系统，因此，驱动器应当具备故障保护功能以及顺序断开电源的功能。,2、等离子体显示板的驱动方法 等离子体显示板是由水平和垂直交叉的阵列驱动电极组成的，与显像管的显示方法不同，它可以按像点的顺序驱动发光显示，也可以按线（相当于行）的顺序驱动发光显示，还可以按整个画面的顺序驱动发光显示。,点顺序驱动方式： 水平驱动信号和垂直驱动信号经开关顺次接通各电极的引线，水平电极和垂直电极的交叉点就形成对等离子体显示单元的控制电压，使水平驱动开关和垂直驱动开关顺次变化就可以形成对整个画面的扫描。每个点在一场周期中的显示时间约为0.1 s，因此，必须有很高的放射强度才能有足够的亮度。,线扫描驱动方式： 垂直扫描方式与上述相同，水平扫描驱动是由排列在水平方向的一排驱动信号线同时驱动的，一次将驱动信号送到水平方向的一排像点上。视频信号经处理后送到1行存储器上存储一个电视行的信号，这样配合垂直方向的驱动，扫描一次就可以显示一行图像。,面驱动方式：视频信号经处理后送到存储器形成整个画面的驱动信号，一次将驱动信号送到显示板上所有的像素单元上，它所需要的电路比较复杂。但由于每个像素单元的发光时间长，一场中的显示时间等于一个场周期25 ms，因而亮度也非常高，特别适合室外的大型显示屏。,5.2.3 等离子体显示器件的产业现状 1、PDP的发展历史 等离子体显示器于1964年由美国的伊利诺斯大学的两位教授发明，70年代初实现了10 英寸515512线单色PDP的批量生产，80年代中期，美国的Photonisc公司研制了60 英寸显示容量为20482048线单色PDP。但直到90年代才突破彩色化、亮度和寿命等关键技术，进入彩色实用化阶段。,1993年日本富士通公司首先进行21英寸640480像素的彩色PDP生产，接着日本的三菱、松下、NEC、先锋和WHK等公司先后推出了各自研制的彩色PDP，其分辨率达到实用化阶段。富士通公司开发的55英寸彩色PDP的分辨率达到了19201080像素，完全适合高清晰度电视的显示要求。近年来，韩国的LG、三星、现代，我国台湾的明基、中华映管等公司都已走出了研制开发阶段，建立了40英寸的中试生产线，美国的Plasmaco公司、荷兰的飞利浦公司和法国的汤姆逊公司等都开发了各自的PDP产品。,近20年来，彩色PDP研究也取得了较大的进展。直流型变交流型。新的驱动方法使得彩色PDP的性能得到了很大的提高。 PDP驱动电压原来很高，驱动电路成本约占整机的75%，而采用寻址显示技术降低了驱动电路的成本。（在PDP电视机中，PDP显示屏只占约30%的成本，高压IC和电源模块占40%，其他占40%） 与LCD相比，PDP显示屏自身制作较为容易。工艺技术有了很大进步，如存储型AC-PDP，除荧光粉涂覆需用光刻工艺外，像素的精细制作大多采用厚膜印刷技术，这与AM-LCD每个像素制作一个薄膜晶体管（TFT）元件相比容易很多，成品率也比从前大大提高。,由于集成电路技术的迅速发展，PDP显示器件已达到经久耐用及更高速的水平。 PDP的一个主要优点是易于增大屏幕尺寸。目前彩色PDP已出现有180英寸以上的显示板了。 电力消耗上有所改善，2001年已经去掉了风扇。另外，PDP的发光效率的提升也带来了亮度的提升。 PDP所用的RGB三基色荧光粉具有与彩色CRT三基色荧光粉同样良好的发光特性，这确保了彩色PDP具有颇佳的色纯，加上兼备良好的灰度显示能力，因此，彩色存储型PDP是最佳的实现直视型大屏幕壁挂式彩电的显示器件。,2、等离子体显示器件的现状及发展前景 全球新型显示器件产业起步于20世纪90年代，随后，PDP、LCD就逐步引领全球市场步入平板显示时代。,以前PDP显示器的重要因素排列顺序： 显示质量、电力消耗、成本 现在的重要因素排列顺序： 成本、电力消耗、显示质量,关于PDP今后的课题： 低成本：生产技术的日趋成熟和大规模化生产 显示屏：低电压低电流驱动，低电容结构; 长间隙结构，高Xe气体，更优质荧光粉；3) 驱动电路：低电压低电流驱动, 自动功率调整；波形维持，新的驱动方法；新EMI, ASIC等4) 提高发光效率：1 lm/W-3 lm/W-5 lm/W5) 提高画质：自适应亮度和灰度增强，假轮廓、色温、白平衡改善等；6) 先进的数字图像处理算法与电路。,习题五简述等离子体显示屏的基本结构。简述等离子体显示单元的发光过程。等离子体显示器件的特点有哪些？等离子体显示器件的电路组成包括哪几部分？简述PDP子场驱动技术的三个阶段。简述等离子体显示板的驱动方式。,