Displays & Optoelektronik Flimmerfrei

Im Wesentlichen liegt der Unterschied zwischen Röhren-(CRT-)Bildschirmen und Flüssigkristalldisplays (LCDs) im Bildschirmflimmern. Röhrenmonitore flimmern und LCDs nicht. So lautet zumindest die weit...

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Im Wesentlichen liegt der Unterschied zwischen Röhren-(CRT-)Bildschirmen und Flüssigkristalldisplays (LCDs) im Bildschirmflimmern. Röhrenmonitore flimmern und LCDs nicht. So lautet zumindest die weit verbreitete Annahme. In Wirklichkeit flimmern beide. Um den Vorteil der höheren Auflösung von Flachdisplays nicht durch ein flackerndes Bild zu schwächen, gibt es eine einfache Lösung.

Flüssigkristallbildschirme (LCDs) bestehen aus einer Anordnung von Pixeln, welche über eine Hintergrundbeleuchtung konstant erhellt werden. Diese gleichmäßige Lichtverteilung verhindert jenes Flimmern, das bei Röhrenbildschirmen durch die Phosphor-Pulsung bei jeder Bildwiederholfrequenz auftritt. Ein LCD-Pixel besteht aus einer oberen und unteren Platte (Bild 1). Beide besitzen senkrecht zueinander stehende Rillen, welche die Kristalle enthalten. Sie bilden die Kanäle für das Hintergrundlicht und leiten es auf die Vorderseite des Panels weiter. Die abgestrahlte Lichtmenge hängt von der Orientierung der Flüssigkristalle ab und ist direkt proportional zur angelegten Spannung. Bild 2 (siehe Heftseite) zeigt den Schaltkreis zur Ansteuerung eines einzigen LCD-Pixels. Die Gate-Spannung fungiert als Schalter und wird auf Werte zwischen –5 und 20 V verstärkt. Die Videosignalquelle (zwischen 0 und 10 V) stellt die Information über die Intensität zur Verfügung, in der das Pixel erscheint. Das untere Ende des Pixels ist mit der Backplane des Panels verbunden. Die Spannung dieses Knotens wird Vcom genannt. Dieser Aufbau ist zwar zweckmäßig, verringert jedoch die Lebensdauer des Panels. Unter der Annahme, dass Vcom an Masse liegt, variiert die Spannung über das Pixel von 0 bis 10 V. Bei einer durchschnittlichen Spannung von 5 V tritt somit eine erhebliche Gleichspannung über jedem Pixel auf. Alterung der Pixel führt zu BildretentionDiese Gleichspannung verursacht eine Ladungsspeicherung. Auf lange Sicht stellt dies eine Form von Alterung dar, da die Pixel durch die Elektroplattierung von Ionenunreinheiten auf einer der Pixelelektroden beeinträchtigt werden. Dies führt zur so genannten Bildretention, d.h. das Bild bleibt sichtbar erhalten. Der Aufbau eines LCD-Panels ist symmetrisch und zur Ausrichtung der Kristalle kommt entweder eine positive oder eine negative Spannung zum Einsatz. Daraus lässt sich ein Nutzen ziehen: Vcom wird in die Mitte des Videosignals gelegt (5 V). Das Videosignal bewegt sich nun oberhalb und unterhalb von Vcom, wobei am Pixel netto ein Nulleffekt erzielt wird. Dieser verhindert am Flüssigkristall die Alterung und die Bildretention. Der Nachteil dieser Technik liegt in der Auflösung, da das Videosignal nur 5 anstatt 10 V bis zur vollen Helligkeit schwanken kann. Angenommen Vcom liegt durch Abweichungen im Fertigungsprozess des Panels bei 5,5 V. Falls das Videosignal zwischen 0 und 10 V schwingt, ist der Vollausschlag der Spannung in jedem Bereich unterschiedlich. In einem Bereich 4,5 und im anderen 5,5 V. Diese Abweichung macht sich als unterschiedliche Intensität und somit als Flimmern bemerkbar.Aufgrund von Konstruktionsabweichungen bei jedem Panel, kann die optimale Vcom von Panel zu Panel oder auf einem einzigen Panel selbst unterschiedlich ausfallen. Um ein Flimmern zu vermeiden, müssen OEMs daher jedes Panel nach der Fertigung kalibrieren. Bei kleinen Bildschirmen wird davon ausgegangen, dass die Backplane eine niederohmige Masse darstellt. Hier genügt ein Potenziometer zur Spannungseinstellung. Dabei werden meist mechanische Potenziometer verwendet, die einen zusätzlichen Arbeitsaufwand erfordern. Bei kleinen Panels ist dies hinnehmbar, selbst wenn sie insgesamt relativ groß ausfallen, eine geringe Genauigkeit aufweisen und bei der Montage leicht brechen können, sodass das gesamte Modul ersetzt werden muss. Größere Panels erfordern einen automatischen AbgleichBei Panels, die allerdings größer als 19? sind, kann die Backplane nicht länger als niederohmiger Impedanzknoten angesehen werden. Hier sind mehrere Korrekturen an verschiedenen Orten des Bildschirms erforderlich. Bis zu fünf Kompensationsnetzwerke – vier an den Ecken und eines in der Mitte – können dann erforderlich sein. In diesem Fall ermöglichen digital gesteuerte Potenziometer (Digitally Controlled Potentiometers, DCPs) einen automatischen Abgleich bei größeren Panels, da hier eine manuelle Einstellung zu aufwändig wäre. Die Systemimplementierung und der Wechsel von einem mechanischen Potenziometer auf ein DCP ist einfach: Bild 3 zeigt die Implementierung eines gepufferten DCP-Vcom-Treibers. Der ISL45042 ist ein nicht flüchtiges DCP mit Stromausgang, der mit einer Betriebsspannung AVDD von bis zu 20 V arbeitet. Der 7-Bit-Baustein besitzt ein 2-Draht/Up-and-Down-Interface und bietet eine Auflösungen von 128 Schritten. Der gewünschte Vcom-Wert lässt sich im integrierten EEPROM abspeichern. Der Spannungsbereich des Digitalschaltkreises reicht von 2,25 bis 3,6 V, sodass ein Anschluss an zahlreiche gängige Controller möglich ist. Die analoge Spannungs-versorgung speist die analoge Widerstandskette des Bausteins und reicht von 4,5 bis 20 V. Für kleine Panels, die weniger als 10 V analoge Versorgungsspannung erfordern sowie für große Panels, die Versorgungen über 15 V benötigen, ist dies eine wichtige charakteristische Größe. Die DCP-Ausgangsspannung wird über den Verstärker EL5111 (180 mA Ausgangsstrom) auf den Vcom-Bus gepuffert. Mithilfe dieser Bauteile ist eine automatische Anpassung der Vcom-Abweichung an mehreren Stellen der Backplane möglich.

Donald LaFontaine, Mike Wong und Tamara A. Papalias

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