Жидкокристаллические экраны

Как известно, обычные кристаллы обладают симметрией атомной структуры и анизотропией физических свойств, то есть неодинаковостью этих свойств в зависимости от направления. Анизотропия характерна, например, для упругих, тепловых и оптических свойств различных кристаллов. Поскольку жидкости, газы и аморфные тела в отличие от кристаллов не имеют симметричной структуры молекул, то обладают поэтому изотропией свойств.

Современная наука определяет жидкий кристалл как некоторое мезоморфное состояние, в котором вещество обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твердых кристаллов (например, анизотропией).

В конце 1966 года американской фирмой RCA (Radio Corporation of America) был продемонстрирован первый LC-дисплей. Английское название Liquid Crystal (сокращенно LC) соответствует русскому "жидкий кристалл" — ЖК. В 1971 году учеными США были предложены так называемые Twisted-Nematic-ячейки (TN-элементы).

Заметим, что для изготовления ЖК-экранов используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Допустим, между двумя стеклами с прозрачными электродами находятся молекулы жидких кристаллов (слой вещества составляет приблизительно 5—10 мкм). В отсутствие электрического поля молекулы этого вещества образуют спирали, скрученные на 90 градусов (кстати, отсюда и их название Twisted). В результате такой ориентации молекул плоскость поляризации проходящего через ЖК-элемент света поворачивается примерно на этот же угол. Если на входе и выходе этого элемента поместить поляризаторы, смещенные относительно друг друга также на угол 90 градусов, то свет беспрепятственно может проходить через этот элемент. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется (они просто ориентируются вдоль поля). Поворота плоскости поляризации уже не происходит, и, как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет. Кстати, если несколько изменить конструкцию элемента (используя зеркало на выходе второго поляризатора), то темный или светлый сегмент можно увидеть и в отраженном свете. Примером в данном случае может служить ЖК- индикатор наручных электронных часов.

Молекулы элемента Super-Twisted-Nematic (STN) закручены на угол от 180 до 270 градусов, за счет чего несколько улучшается контраст изображения. Если при использовании TN-элементов контраст определяется как 3:1, то есть освещенная точка в три раза светлей темной, то для STN-элементов это соотношение может составлять уже 10:1 и даже выше. Однако в STN-элементах из-за эффекта эллиптической поляризации проявляется некоторый сдвиг цветов. В этом случае чисто белый цвет может становиться, например, бледно-оранжевым, а черный — зелено-голубым (цвет циан). Зачастую дисплеи, использующие STN-элементы, называют поэтому также Blue-Mode-STN-LCD.

Экран ЖК-дисплея имеет, как правило, либо заднюю подсветку (backlight, или просто backlit), либо боковую (sidelight, или просто sidelit). Для экономии заряда гальванических элементов могут использоваться ЖК- экраны без подсветки, которые работают только в отраженном свете (reflective LCD).

Таким образом, каждая точка изображения на ЖК-дисплее представляет из себя Соответствующий TSTN-элемент, а весь экран ЖК-дисплея — по сути, матрица этих элементов. В настоящее время существуют два основных метода, используемых для адресации ЖК-элемейтов: прямой (или пассивный) и косвенный (или активный).

При прямой адресации элементов матрицы каждая выбираемая точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующий адресный (прозрачный) проводник-электрод для строки и соответственно для столбца. При таком способе управления точкой изображения говорят также, что используется пассивная матрица (passive matrix) ЖК- элементов. Очевидно, что такому методу управления присущи определенные недостатки. В частности, практически невозможно достичь высокого контраста изображения, так как электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока. Эта проблема вполне разрешима при использовании так называемой активной матрицы (active matrix) ЖК- элементов, когда каждой точкой изображения управляет свой электронный переключатель. Информация об изображении (видеосигнал) выдается построчно на все соответствующие столбцы матрицы экрана, а выбор необходимой точки изображения в Строке происходит через соответствующий электронный переключатель.

Каждую ячейку такого экрана можно представить в виде простой схемы замещения, представляющей собой RC-цепочку. Благодаря видеосигналу конденсатор заряжается, а через очень большое параллельно включенное сопротивление достаточно долго разряжается. Поскольку время разряда в несколько раз превышает время, через которое видеосигнал повторяется, то изображение получается устойчивым и контрастным. Возможность изменения амплитуды напряжения видеосигнала позволяет использовать в воспроизводимом изображении оттенки цвета. Следует, конечно, помнить о том, что стоимость реализации активной матрицы экрана существенно выше, нежели пассивной. Обычно активные матрицы реализованы на основе тонкопленочных полевых транзисторов (TFT, Thin Film Transistor), хотя это и не единственно возможное решение.

При применении активных матриц дисплеев большое значение имеют такие параметры, как малое время отклика (Response Time) и большой угол зрения (Viewing Angle). При использовании пассивных матриц ЖК- элементов значение первого параметра лежит в пределах 250—300 мкс, тогда как у активных матриц его значение составляет около 25 мкс. Изображение на экране с TFT-матрицей можно различить даже под углом 75 градусов, а, например, на дисплее с пассивной матрицей этот угол не превышает 45 градусов.

В цветных ЖК-дисплеях с активной матрицей, как обычно, каждый элемент изображения (или пиксел) состоит из трех точек — синей, зеленой и красной. Соответственно для каждой точки, составляющей элемент изображения, используются свой TFT-транзистор и фильтр (Red, Green или Blue). Общее количество транзисторов в случае VGA-дисплея (640 на 480 на 3) составляет 921 600. Кстати, надо заметить, что поскольку цветные фильтры поглощают свет от лампы подсветки довольно существенно, то ее (или их) мощность должна быть раз в пять выше, чем для обычных монохромных дисплеев.

Видеоадаптеры

Все современные видеоподсистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме, называемом иногда символьным, экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых может выводиться один символ. Для преобразования кодов символов, хранимых в видеопамяти адаптера, в точечные изображения на экране служит так называемый знакогенератор, который обычно представляет из себя ПЗУ, где хранятся изображения символов, "разложенные" по строкам. При получении кода символа знакогенератор формирует на своем выходе соответствующий двоичный код, который затем преобразуется в видеосигнал.

В графическом режиме для каждого пиксела отводится от одного (монохромный режим) до нескольких бит (обычно цветной). Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек, поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Исторически сложилось так, что начальные адреса в видеобуфере для текстовых и графических режимов не совпадают. Большинство текстовых режимов имеют стартовый адрес памяти BSOOOh, а графические — AOOOOh.

Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретной видеоподсистемы в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один элемент изображения. Так, если для отображения одного пиксела отводится один бит, то понятно, что можно обеспечить только монохромный режим (0 или 1, есть точка или нет точки); если более одного, то имеется возможность воспроизводить либо оттенки серого за счет изменения яркости (00 — черный цвет, 01 — слабое свечение, 10 — обычное, 11 — яркое), либо цвета. Например, четырехцветный графический режим может включать поддержку черного, зеленого, красного и коричневого цветов. Разумеется, возможна и смена палитры.

Как известно, для формирования цвета элемента изображения на экране монитора обычно используются три основных цвета — R, G и В. Кроме них некоторые видеоадаптеры, работающие с уровнями ТТЛ, вырабатывают также сигнал интенсивности (яркости) изображения— Intensity. Это дает возможность реализовать так называемую 16-цветную палитру IRGB. Другие адаптеры (также с цифровыми уровнями сигналов) кодируют каждый цвет не одним, а двумя независимыми сигналами — основным (R, G или В) и дополнительным с меньшей интенсивностью (r, g или b). Все возможные комбинации позволяют отображать уже 64 цвета, хотя одновременно по-прежнему только 16, поскольку для кодирования цвета отводится всего 4 бита. Видеоадаптеры с выходным аналоговым сигналом подают на соответствующий монитор сигналы R, g| В и, разумеется, сигналы синхронизации.

Введем еще одно понятие — "видеостраница" (далее просто страница). Размер памяти, необходимой для заполнения экрана, особенно в текстовых режимах, намного меньше возможной емкости видеобуфера (128 Кбайт). Например, в текстовом режиме 3 необходимо всего около 4 Кбайт: 80x25x2 = 4000 байт (помним о том, что каждый символ занимает два байта). Именно эта величина и определяет размер страницы для режима 3. Для режима, определяющего 25 строк при 40 столбцах, размер страницы будет составлять уже около 2 Кбайт: 40x25x2 = 2000 байт. Если реальная емкость видеобуфера превышает размер одной страницы, в нем можно организовать несколько страниц, причем в любой момент времени на экран может выводиться содержимое только одной, активной (или текущей), страницы. Впрочем, остальные страницы в любой момент времени остаются доступными процессору. Например, в режиме 3 средства ROM BIOS позволяют работать с 8 страницами (0—7). Заметим, что концепция разбиения видеопамяти на страницы сохраняется и в графических режимах.

Одной из существенных особенностей некоторых видеоадаптеров является поддержка загружаемых символьных наборов, определенных, например, самим пользователем.

Как известно, в первой IBM PC на экране монитора могла отображаться только алфавитно-цифровая информация. Ни возможности вывода графики, ни тем более изменения цветов предусмотрено не было. Первый видеоадаптер имел полное название Monochrome Display and Parallel Printer Adapter (MDPPA), которое чаще использовалось в сокращенном виде — MDA. Разрешающая способность адаптера MDA позволяла отображать на мониторе 720 точек по ширине и 350 точек (пикселов) по высоте экрана. Поскольку, как уже было сказано, графического режима в адаптере предусмотрено не было, то алфавитно-цифровая информация отображалась на экране в 25 строк по 80 символов в каждой. Возможность использования таких атрибутов, как негативное изображение, повышенная яркость, подчеркивание и мерцание, в некоторой степени компенсировала отсутствие цветов.

Тем не менее, спустя всего несколько месяцев после выпуска первой "писишки" с MDA фирма IBM разработала видеоадаптер, который поддерживал не только графическое изображение, но и цвета, что, кстати, особо подчеркивалось даже в его названии. Адаптер CGA (Color Graphics Adapter) обеспечивал отображение четырех цветов при разрешающей способности 320 на 200 пикселов. Заметим, кстати, что именно в то время и появились первые игры для IBM PC.

Чуть позже стало понятно, что графика на CGA, даже цветная, не всегда удовлетворяет решаемым задачам, в частности, из-за низкой разрешающей способности. Первый видеоадаптер для IBM PC, в какой-то мере отвечавший этим нуждам, был создан на фирме Hercules в 1982 году. Этот адаптер — HGC (Hercules Graphics Card) — поддерживал на монохромном мониторе разрешение 720на 350 точек.

Новой разработкой фирмы IBM стал улучшенный графический адаптер EGA (Enhanced Graphics Adapter), который появился на свет уже в 1984 году. Этот адаптер не только позволял полностью эмулировать все режимы работ предыдущих адаптеров (MDA, CGA), но и, разумеется, обладал дополнительными возможностями. Например, при разрешающей способности 640 на 350 пикселов он мог, одновременно воспроизводить 16 цветов из палитры в 64 цвета (именно для этого адаптера использовались сигналы RrGgBb).

Несколько незаметно, по крайней мере в нашей стране, начал и закончил свое существование видеоадаптер PGA (Professional Graphics Adapter), который сделал следующий шаг в развитии возможностей адаптера EGA. Так, при разрешающей способности 640 на 480 пикселов на экране могло одновременно воспроизводиться 256 цветов из 4096 возможных.

Видеоадаптер VGA (Video Graphics Array) был объявлен фирмой IBM еще в 1987 году, и до недавнего времени он по-прежнему оставался одним из самых распространенных. При создании этого устройства была обеспечена его полная совместимость сверху вниз с адаптером (EGA, что позволило сохранить преемственность существующего программного обеспечения. Немудрено поэтому, что вскоре VGA стал фактическим стандартом, включающим в себя все режимы предыдущих адаптеров и расширяющим их возможности по разрешающей способности и количеству воспроизводимых цветов. Так, при использовании адаптера VGA обеспечивается разрешение 640 на 480 пикселов и на экране монитора может воспроизводиться 16 цветов. Все режимы, исключая графические с разрешением 640 на 480 пикселов, используют вертикальную развертку c частотой 70 Гц, что существенно снижает ощущаемое пользователем мерцание экрана. Частота развертки для режима 640 на 480 точек составляет только 60 Гц. Частота строчной развертки равняется 31,5 кГц, что, кстати, вдвое больше американского телевизионного стандарта NTSC (15,7 кГц). Основными узлами VGA-адаптера являются собственно видеоконтроллер (как правило, заказная БИС — ASIC), видеоBIOS, видеопамять, специальный цифро-аналоговый преобразователь с небольшой собственной памятью (RAMDAC, Random Access Memory Digital to Analog Converter), кварцевый осциллятор (один или несколько) и микросхемы интерфейса с системной шиной.

Создание клонов коснулось не только персональных компьютеров фирмы IBM, но и разработанных ею видеоадаптеров. Тем не менее, копирование было достаточно точным, то есть можно сказать, что соблюдался некий стандарт "по умолчанию".

Видеоадаптеры SVGA

После того как стало ясно, что стандарт VGA практически полностью себя исчерпал, большинство независимых разработчиков начали его улучшать как за счет увеличения разрешающей способности и количества воспроизводимых цветов, так и введения дополнительных возможностей. Например, некоторыми отличительными особенностями видеоадаптеров SVGA принято считать следующие:

- использование 16- и 256-цветных режимов с разрешением 1024 на 768 точек;

- применение новых цифро-аналоговых преобразователей RAMDAC (8 разрядов на цвет вместо 6);

- от 512 Кбайт до 4 Мбайт видеопамяти;

- поддержка аппаратного курсора;

- 16-разрядная шина данных (у VGA обычно 8);

- 16-разрядный видеоBIOS (у VGA обычно 8);

- двухпортовые микросхемы памяти (VideoRAM);

- программируемый кварцевый генератор и т.д.

Вообще говоря, прародителем SVGA можно считать фирму NEC, разработавшую VGA-совместимый графический адаптер, который имел дополнительный режим с разрешением 800 на 600 точек и одновременным отображением 256 (из 256 К возможных) цветов (табл. 5). Хотя все производители обеспечивали совместимость своих изделий с VGA, дополнительные видеорежимы и возможности адаптеров зачастую не совпадали, поскольку каждый считал нужным делать это по-своему. Немудрено, что уже само понятие SVGA, не связанное жестко с конкретными режимами работы адаптера, вносило серьезную неразбериху. В октябре 1989 года ассоциация VESA предложила свой стандарт на новые видеоадаптеры — VESA BIOS Extension, который в настоящее время поддерживается большинством фирм-производителей. Сначала VESA рекомендовала использовать режим с разрешением 800 на 600 точек и поддержкой 16 цветов как стандартный. Затем последовали 256-цветные режимы с разрешением 640 на 480, 800 на 600 и 1024 на 768 точек, а также 16-цветный режим с разрешением 1024 на 768 пикселов и т.д.

Таблица 5 Зависимость количества воспроизводимых цветов от типа видеоадаптера