摘要：討論LCoS顯示器的結構和用途,給出了LCoS顯示芯片的設計方法及其實際設計結果。LCoS顯示屏是一種反射式液晶顯示器,其周邊驅動器和有源像素矩陣使用CMOS技術制作在單晶硅襯底上,并以晶片為基底液晶盒,因而擁有小尺寸和高顯示分辨率的雙重特性。

    關鍵詞：硅基液晶（LCoS）屏 片上系統(tǒng)（SoC） 版圖 定制設計

1 LCoS顯示芯片--一類新型的SoC芯片

提到液晶顯示器,人們就會聯(lián)想到筆記本電腦用液晶顯示器,或是大屏幕等離子顯示器。新出現(xiàn)的令人振奮的LCoS是制作在單晶硅上的LCD顯示技術[1]。

LCoS顯示器是一類新型的反射式顯示器,是半導體VLSI技術和液晶顯示技術巧妙結合高新技術產(chǎn)品,其顯示芯片對角線尺寸為18mm。由于LCoS可利用常規(guī)的CMOS技術批量生產(chǎn),并可隨半導體工藝的發(fā)展進一步微型化,同時提高分辨率,LCoS顯示器將具備低功耗、微型尺寸、超輕重量等特點,因此在個人便攜顯示應用方面非常有優(yōu)勢,特別是功耗遠低于許多有源矩陣液晶顯示器（AMLCD）,而生產(chǎn)成本可望與陰極射線管（CRT）相比擬。

盡管LCoS顯示屏通常只有指甲大小,相應的像素也就非常小,以至不利于肉眼直接分辨,但LCoS顯示器都配備有各式各樣的用于放大圖像光學系統(tǒng)（Optical Engine）：一種是直接投影到視網(wǎng)膜上形成放大的虛像,由此產(chǎn)生了個人用虛擬成像平顯示技術;另一種是運用屏幕投影形成放大實像,如圖1所示。LCoS顯示技術導致了一類新型的大屏幕平板顯示器件的誕生。

作為LCoS顯示技術核心的關鍵部件的單晶硅背板（LCoS顯示芯片）,是一塊多功能、多結構的片上系統(tǒng)（SoC）,即整個顯示系統(tǒng)集成在一起18mm左右的晶片上。然而,SoC類芯片的設計必須全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況。正是因為如此設計周全,與由分離IC組合的顯示系統(tǒng)相比,SoC類芯片可以在同樣的工藝技術條件下實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標�？梢灶A計,以系統(tǒng)芯片方式設計生產(chǎn)的新一代液晶顯示器,其應用前景將非常廣闊[2]。

2 LCoS顯示屏

LCoS顯示屏通常分為兩大類：透射型和反射型。雖然它們幾何光學原理上截然迥異,但都能有選擇地調(diào)制外光源光線而形成圖像。透射型首先在晶片上完成驅動控制電路的設計制作,再用剝離（lift-off）技術[3]或各向異性刻蝕（anisotropic etching）技術[4]分離出管芯,粘附到透明襯底上制成微顯芯片。如此巧妙設計一方面是利用單晶硅的優(yōu)質電學性能,另一方面則是利用成熟的IC設計制造技術。反射型則是直接在晶片上制作驅動電路和顯示矩陣電路,然后以此為基底封裝液晶材料形成類似傳統(tǒng)LCD（Liquid Crystal Display）結構的平板顯示屏。所以常規(guī)IP技術可直接用于設計制作硅基液晶顯示屏。

圖2是筆者運用Cadence EDA工具,采用0.6μm的n-阱四層金屬CMOS工藝規(guī)則設計的反射式LCoS（VGA分辨率,時序彩色化）電路結構圖。其電路可劃分為行掃描驅動器,列數(shù)據(jù)輸入驅動器（包含DAC電路）和顯示驅動矩陣（有源NMOS矩陣）[5]。

在列數(shù)據(jù)輸入驅動器中,串行輸入的多位數(shù)字視頻信號通過移位寄存器的作用,依次存入數(shù)字鎖存器,然后在同一讀出信號作用下,配合行掃描信號,同時輸入到各列的數(shù)/模轉換器（DAC）,之后輸出模擬電壓信號作用到像素,因此一幀圖像將被一次一行地傳送到所有列。

在行掃描驅動器中,行掃描信號通過另一組移位寄存器作用,產(chǎn)生與數(shù)字視頻信號同步的逐行掃描信號。

有源顯示驅動矩陣的每一個像給包括像素開關（NMOS晶體管）、存儲電容和在它們上面的鋁反射電極。NMOS晶體管控制列數(shù)據(jù)線對液晶像素的充電,而存儲電容中的充電電荷建立了相對于控制電極的電壓差。由于液晶材料本身也有電容,并沿分子的取向充電,當一定量的電荷積聚在像素上時,液晶將按所施加的電場取向。液晶分子的再取向,導致液晶電容的變化,這就改變了加在像素的電壓。為了解決這個問題,需要用較大的存儲電容。

像素的截面如圖3所示,采用了四層金屬,分別用于掃描線、數(shù)據(jù)線、避光層和鋁反射鏡面電極。掃描線控制NMOS晶體管（像素開關）的柵極,當NMOS導通時數(shù)據(jù)線上的信號驅動到像素上。晶體管漏極,存儲電容和反射鏡面電極是電導通的。硅背板頂部制作1μm厚的液晶襯墊,用以確定液晶盒間隙。

整個硅背板都是在常規(guī)IC芯片生產(chǎn)線上完成的。在加工好的LCoS顯示芯片上,覆蓋取向層,涂上密封膠,粘合附著ITO電極的玻璃蓋板,最后向這個液晶盒灌注液晶材料就形成了LCoS顯示器。盡管LCoS顯示芯片的面積比較大,但絕大部分是像素陣列,晶體管密度較低,故可得到高的成品率。采用現(xiàn)代IC制造技術生產(chǎn)LCoS顯示器可謂駕輕就熟,也是制造高分辨率LCD顯示器的一條降低成本途徑。

3 芯片功耗分析

功率損耗是制允集成電路的一個重要因素,而CMOS電路的主要特點就是低功耗。由于LCoS芯片上的像素尺寸非常�。�7～20μm）,制作相應微濾色片（microfilter）的工藝復雜,且成本高。通常采用無微濾色片工藝,在單片LCoS芯片上使用時間混色模式（時序彩色化）實現(xiàn)彩色顯示。表面上看時序彩色模式的LCoS芯片,要求其幀頻為普通VGA顯示的3倍以上來刷新屏幕,似乎功耗會增加許多倍 ,但實際并非如此。在圖2所的實際電路結構中,我們設計了行鎖存器。這樣,就可以采用逐行寫入方式,把每場的圖像信號輸入到像素顯示矩陣中�？v向數(shù)據(jù)驅動器中視頻串-行轉換移位寄存器的工作頻率約為25MHz,其它大部分電路的時鐘頻率不超過300kHz。LCoS芯片的功耗包括以下三部分：

（1）靜態(tài)功耗Ps。由反向漏電流造成的直流功耗,CMOS電路一般可以忽略不計。

（2）動態(tài)功耗PD。主要指逐行寫入圖像信號時,每行像素（電容）充放電產(chǎn)生的交流功耗。

（3）場反轉功耗PF。上蓋板電極作周期性電場反轉需要的功耗。

綜合以上三項功耗,總的功耗為

P=Ps+PD+PF≈PD+PF    (1)

可采用數(shù)字電路瞬態(tài)功耗估算公式得到：

P=CL fc VDD2     (2)

這里,每個象素的電容量CP約為0.2pF,

每行象素的電容量為：

Crow=640×CP=128pF     (3)

每屏象素的電容量為：

Cpanel=480×Crow=61.44nF     (4)

另外,已知逐行寫放頻率接近300kHz,場反轉頻率150Hz,VDD=5V,把這些值連同（2）、（3）、（4）式代入（1）式,得到LCoS芯片的功耗估計值：