高清硅基微显示数模融合扫描策略

满丽萍; 季渊; 褚勇男; 冉峰; 黄舒平

doi:doi:10.3788/LOP55.012301

激光与光电子学进展, 2018, 55 (1): 012301, 网络出版: 2018-09-10

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Digital and Analog Hybrid Scan Strategy for High Definition Microdisplay on Silicon

论文大纲

满丽萍季渊 ^*褚勇男冉峰黄舒平

作者单位

上海大学微电子研究与开发中心, 上海 200072

光学器件光电器件硅基微显示数模融合高清子空间 optical devices optoelectronic devices microdisplay on silicon digital and analog hybrid high definition subspace

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摘要

为了提高硅基微显示器灰度等级及分辨率,同时保持像素灰度线性度,结合模拟幅值调制和数字脉宽调制的优点,对数模融合扫描策略进行研究。介绍了子空间位权值扫描算法及其对扫描效率提高的作用,介绍了数模融合扫描的比特位和灰度调制,以及256级灰度案例推导。结果表明:所述方法能有效降低数据传输所需频率,且随着灰度等级及分辨率增加这一优势更加明显。在256级灰度、1920 pixel×1080 pixel的分辨率时,所需数据传输频率只需52.49 MHz,扫描效率达到92.58%,且线性度为100%。该方法缩小了所需数据传输频率,有效降低了对显示器件的要求。

Abstract

In order to improve the grayscale level and resolution of the micro display on silicon, and maintain pixel grayscale linearity at the same time, the study of digital and analog hybrid scan strategy is proposed with the advantages of analog amplitude modulation and digital pulse width modulation. The subspace weight-bit scan algorithm and its effect of improving the scanning efficiency are introduced. Then, the bit and grayscale modulation of the digital and analog hybrid scan strategy are introduced, and a 256-level grayscale case is deduced. The result shows that the method can reduce the data transfer frequency effectively and this advantage becomes more obvious with the increasing of the grayscale and resolution. In the case of 256 grayscale and 1920 pixel×1080 pixel resolution, the required data transfer frequency can be reduced to 52.49 MHz, the scanning efficiency is 92.58% and the linearity keeps at 100%. This method reduces the required data transfer frequency and the requirement of the display device.

1 引言

硅基微显示正不断向高分辨率、高灰度级数、高刷新频率方向发展。现有硅基微显示器的像素灰度调制技术可分为模拟幅值调制和数字脉宽调制^[1-3]。在模拟幅值调制方式中,随着显示图像分辨率以及灰度等级数的提高,整个显示系统要求像素电路中的电容具有更高的充放电速度,驱动电路中的数模转换器(DAC)具有更高的信号转换速度,同时又要确保模拟量的精度满足显示高灰度级数的精度要求,这些约束给驱动电路的实现带来了巨大挑战^[4-5]。数字扫描则利用脉冲宽度来调制亮度,具有更高的扫描速度,更容易达到高清、高灰度和高帧率的要求。数字脉宽调制扫描一般可分为直接扫描、子场扫描和分型扫描^[6-8]。直接扫描驱动的扫描时钟频率随着分辨率和灰度位数的不断提高而等比例增加,不适用于大分辨率显示^[9]。子场扫描将一帧数据分为若干个子场,通过在权重较低的位平面中插入等待时间来降低时钟扫描频率,但是这种做法降低了扫描效率^[10-11]。“Z”字分形扫描的时间冗余率为零,传输效率达到100%,但是它的非线性权值在一定程度上影响像素灰度的线性度,降低图像质量^[12]。

为了进一步提升硅基微显示器的分辨率和数据传输效率,优化线性度,本文根据模拟幅值调制和数字脉宽调制方式的不同特征,提出一种数模融合扫描策略:通过模拟电路驱动每个像素点的灰度幅值,同时根据数字扫描调制像素的发光时间,两者结合实现大分辨率高灰度显示。通过开发一个包含有一组低成本DAC的显示实验模型,证实了数模融合扫描驱动策略的有效性和实用性。

2 数模融合扫描驱动策略

2.1 子空间位权值算法

相较于直接灰度扫描,位权值灰度扫描能更加有效地控制输出操作次数,并且具有权重顺序任意改变而不影响显示驱动效果的优点,常用做数字电路的逻辑控制扫描驱动。当灰度位数为n时,传统位权值的扫描效率可表示为

\begin{matrix} Φ = \frac{n}{2^{n} - 1} \times 100 % 。 (1) \end{matrix}

将微显示器显示屏看成一个空间,划分为s个子空间。当其中某个子空间的扫描操作为无效或等待时,称之为冗余操作。此时,对另一子空间进行扫描,可以充分降低扫描时间冗余,称之为子空间位权值算法。

灰度位数为n的子空间权值扫描驱动中,每个子空间独立完成一遍2ⁿ级灰度扫描进程中有效输出次数为n,所有子空间完成2ⁿ级灰度扫描进程中有效输出次数共为s_×n,由此得到子空间权值扫描效率Φ:

\begin{matrix} Φ = \frac{s \times n}{2^{n} - 1} \times 100 % 。 (2) \end{matrix}

2.2 数模融合扫描驱动策略

数模融合扫描驱动架构中,数字调制采用子空间位权值扫描来实现数字驱动时间与模拟驱动时间的耦合,以及高H位的灰度扫描;模拟调制采用硅基微显示面板本身的DAC灰度电压产生机理实现低L位的灰度调制。显示灰度等级为硅基微显示本身面板的灰度等级与数字调制驱动等级的乘积。

传统的数字权值扫描,灰度调制只有两种驱动电压V_max和V_min,但是模拟扫描有2^L种电压等级。在所述数模融合扫描算法中,当调制低L位灰度时,通过DAC电压产生机制产生低L位权值对应的2^L种电压等级,电压值以V_a表示。当调制到高H位数据时,使用低L位的DAC可产生的最大驱动电压V_max和最小驱动电压V_min来完成数字调制,即当权值为1时,对应灰度为低L位可产生的最大灰度G_max,当权值为0时,对应灰度G_min为0。

同时利用子空间权值法实现模拟幅值调制与数字脉宽调制的融合扫描,将低L位模拟调制看为一次有效扫描操作,所占扫描权值为(2^L-1)/2^L,高H位数字调制所占扫描权值分别为2⁰,2¹,…,2^H-¹。由此可得高H位的灰度调制如下式所示:

\begin{matrix} \begin{matrix} G (H) = G_{\max} \cdot \overset{H - 1}{\sum_{i = 0}} 2^{i} |_{gL + i = 1} + \\ G_{\min} \cdot \overset{H - 1}{\sum_{i = 0}} 2^{i} |_{gL + i = 0}, (3) \end{matrix} \end{matrix}

式中g_L+i为灰度位数为n的扫描调制中第L+i比特位的值,进而可得数模融合扫描驱动的数学模型:

\begin{matrix} \begin{matrix} G (H + L) = \frac{2^{L} - 1}{2^{L}} \cdot G (V_{a}) + \\ G (V_{\max}) \cdot \overset{H - 1}{\sum_{i = 0}} 2^{i} |_{gL + i = 1} 。 (4) \end{matrix} \end{matrix}

以256级灰度的数模融合扫描为例,数字驱动部分为高4位,以X₀~X₃权重序号表示,模拟调制低4位可作为一次有效扫描X_A,完成一个像素单元的扫描共需5次有效扫描操作,权值分别为8,4,2,1,15/16,扫描循环周期为16,可划分为三个子空间。由于搜索或穷尽扫描空间序列的运算量非常大,需要采用优化的扫描算法提高运算效率,本研究通过遗传算法得到256级数模融合扫描序列如表1所示,子空间0的扫描权重顺序为X_A-X₃-X₁-X₀-X₂,子空间1的扫描权重顺序为X₂-X₀-X_A-X₁-X₃,子空间2的扫描权重顺序为X₁-X₃-X_A-X₀-X₂。当扫描序号为5时,为一次无效扫描操作。由于X_A权重只占15/16,剩余1/16时间需额外消隐操作。256级三子空间法扫描效率可达92.58%。

表 1. 256级扫描序列实例

Table 1. Example of 256 gray-level scanning sequence

Scan number	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Subspace 0	X_A	X₃	—	—	—	—	—	—	—	X₁	—	X₀	X₂	—	—	—
Subspace 1	—	—	X₂	—	—	—	X₀	X_A	X₁	—	X₃	—	—	—	—	—
Subspace 2	—	—	—	X₁	—	X₃	—	—	—	—	—	—	—	X_A	X₀	X₂

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图1为数模融合驱动电路结构框图,内侧模拟调制主要包括DAC转换器和列驱动电路。电压及灰度级数的实现可利用硅基微显示自带的DAC转换器实现,由于本算法中低L位灰度电压值和高H位灰度电压值都通过低位权值产生并利用数字脉宽调制每个比特位的扫描时间,故DAC只需产生低L位灰度级数,信号转换速度快、精度高。外侧由行选择器、行驱动、列移位寄存器和列保持寄存器完成分屏子空间位权值扫描的数字脉宽调制。图1右侧部分为有机发光二极管(OLED)像素单元^[13-14],采用4T1C结构,当晶体管T1和T2打开时,data上的数据存储至电容C上,T1和T2关闭后em信号有效,晶体管T4打开,晶体管T3作为驱动管,将电容C上的电压转变为电流,驱动OLED像素发光。该驱动电路架构可使用L位DAC实现模拟调制所需L+H位DAC的功能,同时以较低频率达到数字调制所需较高频率的要求,可较大程度地降低硬件设计需求,实现高清分辨率和高刷新帧率的目的。

图 1. 数模融合驱动电路结构图

Fig. 1. Digital and analog hybrid drive system structure

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3 实验与结果

当灰度位数为n时,模拟调制为低L位,传统位权值扫描和经数模融合扫描算法优化后的数据传输频率计算公式分别如下:

\begin{matrix} \begin{matrix} C_{lk_sys} = \frac{i_{raws} \times i_{cols} \times 3 \times (2^{n} - 1) \times C_{lk}}{D_{widt h}}, (5) \\ \begin{matrix} C_{lk_sys} = \frac{i_{rows} \times i_{cols} \times 3 \times (2^{n - L} - 1) \times C_{lk}}{D_{widt h} \times s} + \\ \frac{i_{rows} \times i_{cols} \times 3 \times L \times C_{lk}}{D_{widt h}}, (6) \end{matrix} \end{matrix} \end{matrix}

表 3. 256级灰度和1920 pixel×1080 pixel×3分辨率下不同扫描算法的性能对比

Table 3. Performance comparison of different scan algorithms under 256 gray level and 1920 pixel×1080 pixel×3 resolution

Scanalgorithm	Linearity /%	Scanningefficiency /%	Data transferfrequency /MHz
Traditionalweight-bit	100	3.14	1487.16
12 subfieldscan	100	66.41	69.99
19 subfieldscan	100	83.88	110.82
Optimization (Zfractal scan)	25	100	70.59
Proposedmethod	100	92.58	52.49

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表 2. 所述算法和传统权值扫描算法在1920 pixel×1080 pixel×3分辨率下不同灰度等级时所需的数据传输频率对比

Table 2. Data transfer frequency comparison between the proposed method and traditional scanning method at the resolution 1920 pixel×1080 pixel×3 and different grayscale levels

Grayscale	64	128	256	512	1024	2048	4096
Number of subspace	1	2	3	5	8	13	26
Data transfer frequency withproposed method /MHz	40.83	43.75	52.49	59.49	69.26	80.31	80.53
Data transfer frequency withtraditional weight-bit /MHz	367.42	740.67	1487.16	2980.16	5966.14	11938.11	23882.04

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式中i_raws和i_cols表示图像像素单元的行数和列数,C_lk表示图像刷新频率,D_width表示数据传输位宽。

假设模拟调制低4位,分辨率为1920 pixel×1080 pixel的彩色图像,所需数据传输频率计算结果如表2所示,可知同一灰度位数和分辨率下,经所述数模融合扫描方法优化后所需的数据传输频率相较于传统位权值法有效减小。同时,随着灰度位数的增加,可划分的子空间数也在不断增加,所述扫描方法所需数据传输频率下降的优势更加明显。

表3列举了在256级灰度,1920 pixel×1080 pixel×3分辨率时,所述算法与现有的扫描方法的性能对比,可知所述数模融合扫描算法兼具线性度好、扫描效率高、所需传输频率低等优点,具有良好的实用性。

本算法采用1920 pixel×1080 pixel×3的硅基微显示的版图进行功能仿真验证,该微显示器内置了三个4位DAC转换器,同时兼容数字和模拟信号驱动,分时复用,可同时完成三个像素单元的模拟调制。芯片(IC)的整体版图及像素点的放大结构如图2所示,设计采用180 nm的用户定制互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,像素驱动电路的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS)管电容为36 fF。根据表1所列的256级灰度扫描序列,可以得到图3中R、G、B像素的DAC调制电压随像素点灰度值及仿真时间变化的特性曲线。当X₀~X₃的值为1时,DAC的电压值为最大值1.8 V,当像素扫描权重X₀~X₃的值为0时,DAC的电压值为最小值0 V。DAC输出的电压经过3倍放大后,形成最终的像素电压驱动像素发光。低位模拟部分X_A的电压值为DAC调制机制根据低四位权值产生,在pix_b中,低四位权值为7,DAC调制最大电压值对应0.84 V,同时由于低位模拟调制所占时间权重为15/16,余下1/16时间权重需要进行消隐操作,故电压值在经过权重X_A后一段时间降为0。数模融合扫描提高了每个像素单元的刷新率,降低了对电压保持时间的要求。本实验中扫描权值X₃的电压衰减最大,其衰减量为6%。随着像素灰度级数的增加,每个像素单元的刷新率随之增加,电压衰减相应减小。

图 2. 芯片图

Fig. 2. IC layout

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4 结论

提出一种数模融合扫描驱动策略,采用微显示器自带的DAC方式实现灰度调制,通过划分子空间的位权值扫描算法来减小操作等待和时间冗余,提高扫描效率。数模融合算法融合数字驱动和模拟调制的优点,降低了对显示器设备的硬件设计要求,更容易实现高清显示。该数模融合扫描驱动策略可适用于发光二极管(LED)、OLED等硅基微显示。所述的数模融合扫描策略还能应用到大屏幕的平板显示中。此外,高清微显示器在较低硬件成本实现的情况下对于虚拟现实、增强现实等穿戴式应用领域也具有广泛意义。

图 3. 三个子空间像素单元DAC调制特性曲线。(a) pix_r:8'b1111_1111;(b) pix_g:8'b1011_1111;(c) pix_b:8'b1111_0111

Fig. 3. DAC modulation characteristic curve of three subspace pixel units. (a) pix_r:8'b1111_1111; (b) pix_g:8'b1011_1111; (c) pix_b:8'b1111_0111

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参考文献

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1 引言

2 数模融合扫描驱动策略

2.1 子空间位权值算法

2.2 数模融合扫描驱动策略

表 1. 256级扫描序列实例

Table 1. Example of 256 gray-level scanning sequence

图 1. 数模融合驱动电路结构图

Fig. 1. Digital and analog hybrid drive system structure

3 实验与结果

表 3. 256级灰度和1920 pixel×1080 pixel×3分辨率下不同扫描算法的性能对比

Table 3. Performance comparison of different scan algorithms under 256 gray level and 1920 pixel×1080 pixel×3 resolution

表 2. 所述算法和传统权值扫描算法在1920 pixel×1080 pixel×3分辨率下不同灰度等级时所需的数据传输频率对比

Table 2. Data transfer frequency comparison between the proposed method and traditional scanning method at the resolution 1920 pixel×1080 pixel×3 and different grayscale levels

图 2. 芯片图

Fig. 2. IC layout

4 结论

图 3. 三个子空间像素单元DAC调制特性曲线。(a) pix_r:8'b1111_1111;(b) pix_g:8'b1011_1111;(c) pix_b:8'b1111_0111

Fig. 3. DAC modulation characteristic curve of three subspace pixel units. (a) pix_r:8'b1111_1111; (b) pix_g:8'b1011_1111; (c) pix_b:8'b1111_0111

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1 引言

2 数模融合扫描驱动策略

2.1 子空间位权值算法

2.2 数模融合扫描驱动策略

表 1. 256级扫描序列实例

Table 1. Example of 256 gray-level scanning sequence

图 1. 数模融合驱动电路结构图

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3 实验与结果

表 3. 256级灰度和1920 pixel×1080 pixel×3分辨率下不同扫描算法的性能对比

Table 3. Performance comparison of different scan algorithms under 256 gray level and 1920 pixel×1080 pixel×3 resolution

表 2. 所述算法和传统权值扫描算法在1920 pixel×1080 pixel×3分辨率下不同灰度等级时所需的数据传输频率对比

Table 2. Data transfer frequency comparison between the proposed method and traditional scanning method at the resolution 1920 pixel×1080 pixel×3 and different grayscale levels

图 2. 芯片图

Fig. 2. IC layout

4 结论

图 3. 三个子空间像素单元DAC调制特性曲线。(a) pix_r:8'b1111_1111;(b) pix_g:8'b1011_1111;(c) pix_b:8'b1111_0111

Fig. 3. DAC modulation characteristic curve of three subspace pixel units. (a) pix_r:8'b1111_1111; (b) pix_g:8'b1011_1111; (c) pix_b:8'b1111_0111

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