FED显示器的亮度控制

收稿日期: 2005- 05- 10. � 基金项目:教育部科学技术重点研究项目( 205091) . 光电技术应用 FED显示器的亮度控制 邓记才, 张兵临, 姚 � 宁 (郑州大学 材料物理教育部重点实验室,河南 郑州 450052) 摘 � 要: � 根据场发射显示器( FED)显示单元的调制特性和矩阵寻址方式特点,分析了其亮度 控制的原理和实现方法。综合分析亮度控制的各种方法得出:电流驱动模式能保证亮度的均匀性, 脉宽调制电流驱动应是线性灰度调制的最佳。 关键词: � 场发射显示; 亮度控制; 脉宽调制; 矩阵寻址 中图分类号: T N141 � 文献标识码: A � 文章编号: 1001- 5868( 2006) 01- 0095- 03 Luminance Control for Field Emission Display DENG Ji�cai, ZHANG Bing�lin, YAO Ning ( Material Physics Lab. of Education Ministry, Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, CHN) Abstract: � T he operat ion principle of luminance contro l of field emission display ( FED) is int roduced based on the modulat ing char acteristic and the feature o f matrix addressing. From the analyses on various methods of brightness contr ol, it is concluded that the current ariving mode enables to ensure the luminance unifo rmity, and vo ltag e pulse�w idth modulated curr ent driving should be the opt imal method. Key words: � FED; lum inance contro l; v oltag e pulse�w idth modulation; matrix addr essing 1 � 引言 场发射显示器( FED)是采用冷阴极技术的新型 平板显示器。目前 FED 显示技术的发展已经历了 金属尖锥阵列型和金刚石薄膜型,正向碳纳米管薄 膜( CNT )型 FED发展[ 1] 。由于 CNT 开启电压低、 发射特性稳定和易于制作, FED技术取得了显著的 进展。除了场发射材料的研究外,高性能的驱动电 路也是 FED发展的关键之一,而亮度控制则是驱动 的主要任务, 为此本文从 FED 的调制特性分析入 手,结合其矩阵寻址显示方式,分析了其亮度控制的 原理和实现方法。 2 � FED的调制特性及存在问题 FED的显示原理与 CRT 类似, 都是由阴极发 射电子,然后电子在阳极电压的加速下向阳极高速 运动,荧光粉受高速电子的轰击而发光,当电子运动 速度和荧光粉发光效率确定后, 其发光亮度就主要 由阴极发射的电子数决定,由此亮度控制就可以通 过控制阴极电子的发射能力来实现。在三极型 FED中 [ 2] ,栅阴电压 V gc产生的电场决定了阴极电 子发射的强弱,即 V gc控制着发射电流的大小,其发 射特性可由像素单元的伏安特性表示, 其 I�V 曲线 如图 1所示。因发射电流的大小代表了亮度的高 低,因此通过调节栅阴电压 V gc的大小即可实现对 亮度的控制,这一曲线也称为 FED调制特性曲线。 调制特性反映了 V gc对亮度的控制关系, 从调 制特性曲线我们可以发现调制特性存在严重的非线 性,另外器件的发射存在开启电压,只有足够强的场 强才能产生场发射。由于 FED 平板显示器的显示 方式是采用矩阵寻址, 其每个像素单元相对独立工 作,但各像素单元的调制特性存在一定的离散性,这 样当施以电压驱动时, 就会产生两个问题:一是相同 幅度电压会产生不同强度的电子发射, 因而不能产 �95� 半导体光电! 2006 年 2 月第 27 卷第 1 期 邓记才 等: � FED显示器的亮度控制 生均匀的亮度; 二是不能通过固定的非线性校正来 改善其线性。这就使得亮度调制很难通过改变电压 来实现,因此在 FED显示器中往往通过调制特性确 定其工作电压, 进而采取其他方法实现对亮度的线 性控制。 图 1� FED器件调制特性曲线 3 � 亮度控制的实现方法 3. 1 � 亮度均匀性的实现 FED显示的一个基本要求就是保证各像素单 元亮度的均匀性,为解决亮度均匀性的问题, 一方面 可从阴极材料制备和 FED结构方面去控制,保证各 像素单元场发射材料均匀和特性一致; 同时保证阴 栅间距、栅孔等几何参数相同,即保证它们有相同的 调制特性曲线, 但依据现有的材料制备技术和 FED 器件工艺水平, 这一点很难做到,即调制特性曲线存 在离散性,结果是相同的驱动电压引起不同的场发 射电流,从而造成亮度显示的不均匀性,为此应进一 步从电路上采取措施保证亮度一致。 从 FED的显示原理可知 FED像素单元场发射 电流的大小取决于两个因素: 一是驱动电压的大小, 二是供给阴极的电流强度。驱动电压的高低直接决 定了发射电流的强弱,这是 FED的固有特性, 是器 件的内在因素; 但由于像素单元调制特性的不一致, 不能形成均匀亮度,为此我们可以设置恒流源电路 控制供给阴极的电流强度, 强迫阴极的发射电流跟 随恒流源变化[ 3] ,这是通过外部电路调整 FED的发 射特性, 属外在因素。其工作原理可用图2表示 , 图 2� FED的恒流源控制原理 FED的初始工作点被设置在 A 点, 使其具有 i 0 的 发射能力,而外部恒流源电路提供的电流大小为 i1 , 从而使其实际发射电流也限制在 i 1 , 这种电流控制 模式可以克服像元之间存在的调制特性差异,最终 形成均匀的亮度分布。 3. 2 � 线性灰度调制的实现 在 FED显示中,亮度的线性控制是图像显示的 基础,从 FED显示原理我们知道像素的亮度主要由 阴极发射的电子数决定, 而电子发射的强弱直接决 定于场强(电压)的高低。但是 FED的调制特性是 非线性的,因此通过改变电压来控制亮度就会造成 灰度失真,加上矩阵寻址时不同阴极单元的调制特 性也不相同, 所以我们不能象 CRT 显示器一样用 一固定的校正电路来实现对其非线性的补偿。FED 显示亮度的线性调制方法有以下几种。 3. 2. 1 � 空间灰度调制法 本方法的原理是将显示像素划分为若干可单独 控制的小单元或∀ 子像素# [ 4] ,控制电路将输入图像 信号转换为数字信号, 并根据数字信号的逻辑值通 过增加被驱动的阴极数量使发射电子数线性地增 加。由于在有限空间内可设置的阴极数是有限的, 要实现预定层次的灰度值就受到了限制。这种方法 的优点是不需要特殊的驱动和控制技巧, 但是它却 又有着不可克服的缺点, 一是它不可能将显示像素 分割成很多的∀子像素#, 因此它就不可能有很多的 灰度级别;其次是它的灰度级别是用增加微细加工 的成本和降低分辨率换取的,即若保持原有分辨率 就必须将原有显示像素再分割加工成更小 的∀ 子像 素#,这在已经很小的显示像素的基础上将是十分困 难的,而且大量增加的子像素,还需要大量的驱动和 控制电路, 这样造成的成本增加也是不可容忍的。 若以原有显示像素作为∀子像素#组成显示像素, 其 加工成本虽可不必增加,但显示像素面积扩大很多, 其分辨率的降低也会变得无法容忍。由于本方法可 实现的灰度级别有限, 实际中很难采用。 3. 2. 2 � 时间灰度调制法 3. 2. 2. 1 � 脉宽调制法( PWM ) 脉宽调制的原理是用足以产生场致发射的脉冲 电压驱动场致发射显示器,在脉冲电压信号频率一 定的情况下,通过调制脉冲驱动电压信号的脉冲宽 度来控制阴极电子发射时间的长短, 从而实现对灰 度级的调节。 在脉宽调制方法中, 脉宽增量 tin的设置直接影 �96� SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS � Vol. 27 No. 1 Feb. 2006 响着亮度的控制特性。一种最简单的情况是均匀脉 宽调制, 即灰度脉冲增量 tin是一个恒定值, 它等于 最大脉冲宽度与灰度级数的比值, 即与第 n 级灰度 对应的脉宽为 t n = ntin ,理想的亮度与脉宽关系是一 条直线,较好地实现了灰度显示的线性控制。 3. 2. 2. 2 � 改进 PWM 调制法 均匀 PWM 调制的前提是假设像素单元的 RC 时间常数为零的理想情况, 实际中场发射像素单元 可以等效为一个 RC 阻容网络, 由此每一寻址的阴 极单元都具有一确定的 RC 时间常数, 当用脉冲电 压信号驱动阴极像素单元时, 就会造成驱动电压的 高频成分衰落, 在灰度级低端,驱动脉宽短, 信号失 真尤为明显,这就造成亮度对驱动信号脉冲宽度的 响应是非线性的。考虑到像素的等效 RC 滤波效 果,文献[ 5]提出了改进的 PWM 调制, 其核心是在 PWM 中预先设一个脉宽初值作为第一驱动脉宽, 且脉宽初值与等效的 RC 参数有关并且大于 2RC, 在此基础上其余灰度级的脉宽按下式给出: t n = t 1 + ( n - 1) tin t in = tN - t1 N - 1 式中, N 是要求的灰度级数。上式中灰度增量 t in设 为定值,实际中 t in可为变量。采用这种改进的脉宽 调制法可明显改善亮度响应, 减少亮度误差 [ 5]。图 3是采用不同 PWM 调制时的亮度�灰度级曲线与 理想情况的比较,可见采用改进 PWM 使得 FED的 亮度响应趋于理想线性。 图 3 � 亮度�灰度级控制曲线 3. 2. 3 � 电流调制法 电流调制的原理是在阴极的驱动电路中采用电 流驱动模式,通过改变供给的电流大小去调节阴极 发射的电子多少, 进而实现对灰度的线性控制 [ 6]。 具体实现电路如图 4, 它主要由电流源电路和控制 电路组成,电流源电路由至少两个以上的 N 个恒流 源支路并联组成(图中 N = 4) ; 控制电路则用来将 视频信号转换成对应的四位二进制数字信号去控制 四个电流源支路, 依据加到四个栅极端的逻辑信号 D0 ~ D3 之数值选择性地接通 T 1 至 T 3 管, 这样便 形成阴极到地间相应的电流组合, 从而调节了流向 阴极的电流大小,最终实现了灰度级的变化。例如 设 T 1 电流量为 I 1 , T 2 至 T 3 电流依次为 2I 1、4I 1、 8I 1 , 则通过四位二进制数字信号有选择地控制 T 1 至 T 3 管的通断, 便可产生 16级灰度变化。 电流调制的特点是稳定性和一致性好, 但正如 本文 3. 1中所述, 为保证进行可靠而有效的电流控 制,必须供給栅极足够高的电压以满足电流控制所 需要的电流,这是电流调制的前提条件。 图 4 � 电流调制原理电流 4 � 随着对新型场发射材料研究的不断深入,场发 射显示器的结构和工艺也在逐步改进和完善,随之 而来的是相应亮度控制电路也在不断改进。对亮度 控制的基本要求是发射均匀稳定、电路简单且易于 制作,但场发射存在的明显不足,一是发射电流会产 生波动,这将引起亮度的不稳定;另外就是 FED调 制特性的非线性和各像素单元的不一致性。为此 FED驱动电路在设计上就要既满足基本的亮度显 示要求,同时又要弥补和改进亮度显示中的不足。 电流驱动模式迫使各个像素单元的发射电流相同, 恰到好处地综合利用了 FED显示的内外因条件,保 证了亮度显示的均匀性, 在最大程度上克服了电流 发射的波动性。综合灰度调节的各种方法,要实现 对灰度的稳定、线性控制,亮度控制电路应将脉宽调 制法与恒流源控制法相结合,即具体电路设计上应 包括以下两步: ( 1) 采用恒流源驱动阴极以消除发 射中的波动,保证场发射的均匀性和稳定性; ( 2) 采 用脉宽调制技术, 通过脉宽的变化实现对亮度的线 性控制。 (下转第 102页) �97� 半导体光电! 2006 年 2 月第 27 卷第 1 期 邓记才 等: � FED显示器的亮度控制 图 10 � 光电测速探头原理图 脉冲序列再经放大、整型后成为 TTL 数字 信号。将其送至频率计或单片机测量,再经数据处理 模块运算处理后送到显示模块进行显示。根据显示 的转速,通过直流电机调速器调节到所需要的值。 通过上述装置, 调节转速到某一值, 如 200 r/ s。 这样,由 v= R�可知,在距离激光笔 5 m 的位置, 激 光束扫描的线速度将达到 1 000 m / s。选定多个转 速值进行测量, 并与光纤测速系统得到的速度值进 行比较,如表 2,表中 v 0 为理论值。 由表 2的实验数据表明, 只要从被照射物体反 射回探测器的光信号功率大于 PIN 探测器可以探 测到的最小功率 10- 5. 32 mW, 就可以实现从低速 1 mm/ s到高速 1 000 m/ s的大动态范围测速。 表 2 � 测速结果与理论值的比较 距离 R/ m 转速�/ ( r�s- 1) v0 / ( m � s- 1) v/ ( m � s- 1 ) 0. 05 0. 02 0. 001 0. 0120 0. 5 0. 2 0. 1 0. 097 1 1 1 0. 981 1 10 10 9. 324 5 50 250 256. 527 5 100 500 493. 776 5 200 1000 991. 478 5 � 总结 理论分析与实验表明,本文提出的一路发射多 路接收全光纤测速系统,其结构简单,测量动态范围 广,测速目标距离较远, 稳定性好, 可以满足非接触 式测速的需要。该系统可以在一定程度上克服传统 测速系统存在的漫射光接收信号弱、测速范围小、稳 定性差的缺点,对一定距离内的高速、低速运动物体 均能进行有效测速。该系统采用多根光纤接收漫反 射信号,增加了接收到的信号光强,信噪比高。若采 用多模光纤,则可以进一步提高信噪比。 参考文献: [ 1] � Lev in L. 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