Мир периферийных устройств пк. Принцип действия монитора Жидкокристаллические lcd

При подготовке тестирования ЖК-мониторов с диагональю 19 дюймов мы столкнулись с необычайно высоким интересом к данной теме. Проблема выбора, которая никогда не была легкой, в данном случае усугубляется большим разнообразием моделей, цена которых лежит в широких пределах – от $300 до $800 при сравнимых (на первый взгляд) характеристиках. Для того чтобы понять, чем же они отличаются между собой и какой продукт предпочесть, нам предстоит рассмотреть устройство современного ЖК-дисплея.

Мы не будем подробно останавливаться на базовых принципах функционирования ЖК-матриц, полагая, что большинство наших читателей уже знакомо с ними в достаточной степени. лишь, что в них используется явление поворота жидкими кристаллами плоскости поляризации светового потока. Но технологии и подходы, применяемые различными производителями к решению возникающих при создании мониторов проблем, подчас значительно отличаются.

Интерфейсы

В наследство от эпохи ЭЛТ-мониторов нам остался аналоговый интерфейс RGB VGA D-sub. Видеоадаптер преобразует данные кадрового буфера из цифрового вида в аналоговый, а электроника ЖК-монитора, со своей стороны, вынуждена выполнять обратное, аналого-цифровое преобразование. Несложно понять, что такие избыточные операции как минимум не улучшают качества изображения, к тому же они требуют дополнительных затрат для своей реализации. Поэтому с повсеместным распространением ЖК-дисплеев интерфейс VGA D-sub не имеет будущего и в скором времени его вытеснит цифровой DVI.

Не стоит думать, что в дешевых мониторах производители намеренно не реализуют поддержку DVI-интерфейса, ограничиваясь лишь VGA D-sub. Просто для этого требуется применение специального TMDS-приемника со стороны монитора, и себестоимость устройства с поддержкой как аналогового, так и цифрового интерфейсов по сравнению с вариантом с единственным аналоговым входом будет выше.

Электроника

Если разобрать корпус современного ЖК-монитора и взглянуть на плату управляющей электроники, поначалу может возникнуть легкое недоумение. В самом деле, даже плата блока питания, расположенная рядом, выглядит гораздо внушительнее!

Функциональную схему блока обработки изображения в ЖК-дисплее простой не назовешь, и лаконичность его платы объясняется иначе: благодаря подходу System-on-a-Chip большинство функций (от аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала, его масштабирования, обработки и вплоть до формирования выходных сигналов LVDS) выполняется единственной ИС с высокой степенью интеграции, носящей название Display Engine. Среди производителей мониторов сегодня весьма популярны ИС от ST Microelectronics (семейства ADE3xxx), работающие под управлением 8-битовых микроконтроллеров.

Блок ЖК-матрицы также выглядит довольно простым, и его плата обычно содержит единственную схему управления, так называемый драйвер матрицы, в который интегрированы приемник LVDS и драйверы истоков и затворов, преобразующие видеосигнал в адресацию конкретных пикселов по столбцам и строкам. В целом же доля электронных компонентов в себестоимости монитора, по оценкам экспертов IDC, составляет всего 11% – нетрудно догадаться, что большинство затрат приходится на саму панель TFT LCD.

В блок ЖК-матрицы входит также система ее подсветки, которая, за редкими исключениями, выполнена на газоразрядных лампах с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL). Высокое напряжение для них обеспечивает инвертор, размещенный в блоке питания монитора. Лампы обычно располагаются сверху и снизу, их излучение направлено в торец полупрозрачной панели, находящейся сзади за матрицей и выполняющей роль световода. От качества матирования и однородности материала этой панели зависит такая важная характеристика, как равномерность подсветки матрицы.

Современные технологии TFT LCD

Для ЖК-мониторов основным элементом, определяющим качество изображения, является матрица TFT LCD. На сегодняшний день на рынке представлены три конкурирующие между собой базовые технологии ЖК-панелей и некоторое количество их разновидностей. Это Twisted Nematics (TN, раньше добавляли еще и +Film, однако сейчас других просто нет), In-Plane Shutter (IPS, S-IPS) и Vertical Alignment (VA, MVA, PVA). Не затрагивая технических особенностей данных технологий, которые широко обсуждаются на соответствующих технических сайтах в Интернете, остановимся лишь на их практических и рыночных аспектах.

TN. Самый старый и дешевый в производстве тип матриц, для него же характерно минимальное время отклика, что и обусловило его широкое распространение. Большинство 17-дюймовых дисплеев и до 50% 19-дюймовых содержат именно матрицы TN. На этом, пожалуй, достоинства заканчиваются, и начинается длинный список недостатков.

Специфическая, «жесткая» цветопередача, весьма далекая от эталонной (а с появлением «сверхбыстрых» панелей она еще ухудшилась); клиппинг в светлых областях изображения; малые углы обзора, особенно вертикальный; невысокая контрастность. К тому же «битые» пикселы (dead pixels) на таких матрицах пропускают свет, поэтому на экране они будут видны в виде яркой синей, красной или зеленой точки.

Но все же, если вам нужен монитор с минимальным смазыванием движущегося изображения, пока именно TN остается наилучшим выбором. Однако не стоит забывать, что при этом он совершенно не подойдет для работы с графикой.

Узнать такие матрицы довольно легко по потемнению картинки при взгляде снизу и выцветанию, вплоть до инвертирования светлых областей при взгляде сверху.

IPS/S-IPS. Характеристики матриц, выполненных по данной технологии (разработанной компанией Hitachi), являют собой прямую противоположность таковым для TN. IPS имеет впечатляющий список достоинств. Это и отличная цветопередача, и широчайшие углы обзора, и хороший контраст (глубокий черный цвет). Но преуспеванию IPS на рынке мешают ее недостатки: сложность в производстве (как следствие, дороговизна) и большое время реакции матрицы.

IPS может быть идеальным выбором для задач, связанных с обработкой статического изображения. А вот комфортно играть в компьютерные игры, увы, не получится. Кроме того, на рынке до сих пор нет IPS-матриц с технологией overdrive (подробнее о ней ниже), поэтому мониторы с такими матрицами выбирают преимущественно профессионалы в области графики.

Узнать матрицы IPS также легко: если взглянуть под углом на включенный монитор с черной заливкой на экране, то черный цвет будет иметь фиолетовый оттенок.

MVA/PVA. Технология MVA (Multi-domain Vertical Alignment) разработана компанией Fujitsu в качестве компромиссной между IPS и TN. Достоинства таких матриц: отличные углы обзора, неплохая цветопередача, высокая контрастность; однако время отклика по-прежнему не может сравниться с соответствующим показателем у TN.

Samsung производит матрицы PVA (Pattern Vertical Alignment) и S-PVA, которые, грубо говоря, являются усовершенствованными вариантами MVA. Корейской компании удалось значительно улучшить контрастность, вплоть до рекордной 1000:1, а также с помощью технологии overdrive серьезно уменьшить время отклика – теперь на топовых моделях 19-дюймовых мониторов этого производителя вполне можно комфортно играть в динамичные компьютерные игры.

Если обобщить весь опыт тестирования ЖК-мониторов в нашей Тестовой лаборатории, то именно PVA-матрицы на сегодняшний день видятся нам как оптимальный компромисс между малым временем отклика TN и качественной цветопередачей IPS. Поэтому дисплеи, оборудованные такими матрицами, могут в наибольшей степени претендовать на звание универсальных.

Чем определяется качество

После рассмотрения достоинств и недостатков применяемых в ЖК-дисплеях технологий изготовления матриц у вас может возникнуть совершенно закономерный вопрос: если качество изображения на 80% зависит от матрицы, почему же цены на схожие мониторы разных брендов подчас отличаются в несколько раз?

Даже если оставить за рамками качество сборки и материал корпуса, а также конструкцию подставки и возможности настройки параметров изображения, останется такой животрепещущий вопрос, как политика производителя по отношению к «битым» пикселам. Последние представляют собой ячейки, управляющие тонкопленочные транзисторы которых вышли из строя. Обычно это вызвано производственным дефектом, так как сделать идеальную панель большой диагонали с тремя миллионами ячеек совсем не просто, в ходе же эксплуатации монитора новые дефекты появляются редко.

Стандарт ISO 13406-2 определяет четыре класса ЖК-панелей, для каждого из которых допускается наличие определенного количества неработающих ячеек на миллион пикселов. Для массового распространения на данный момент сертифицированы лишь матрицы первого («битые» субпикселы отсутствуют) и второго классов (количество вышедших из строя субпикселов не больше пяти). Однако ввиду непрекращающегося падения цен держать такую планку качества производителям все труднее: слишком много панелей уходит в брак, а работать в убыток в условиях демпинга долго не получится. Поэтому если тенденция к удешевлению ЖК-дисплеев сохранится и в будущем, то совсем не исключено появление на рынке и панелей третьего класса (от 6 до 50 вышедших из строя субпикселов).

Кто-то может спросить: а как же те производители, которые гарантируют, что «битых» пикселов в их мониторах нет? Они что, научились делать ЖК-панели практически без брака? Нет, здесь все гораздо проще. Гарантия на полное отсутствие вышедших из строя субпикселов обычно дается лишь на отдельные модели мониторов (вершины продуктовых линеек) и свидетельствует о применении панелей первого класса. Второй же класс просто устанавливают в более дешевые модели линейки. Кроме того, такую гарантию на свои дисплеи могут безбоязненно давать прежде всего те бренды, которые делают ЖК-панели и для себя, так как при этом они имеют возможность отобрать для собственных устройств самые качественные из них: Samsung, LG и Philips.

Таким образом, на пресловутый вопрос «навіщо платити більше?» применительно к ЖК-мониторам имеется совершенно четкий ответ. Как говорил М. Жванецкий, можно этого и не делать, если вас не интересует результат – в нашем случае качество приобретаемого устройства.

Не все спецификации одинаково полезны

Если взглянуть на страницу спецификаций ЖК-дисплея любого производителя, то список его технических характеристик обычно выглядит весьма внушительно. Для потенциальных покупателей зачастую именно спецификации являются единственным источником информации о продукте, и поэтому в народе довольно популярно сравнение характеристик устройств различных брендов. Тем не менее такой подход к ЖК-мониторам, к сожалению, совершенно неприменим – делать выводы о качестве, сравнивая спецификации, корректно лишь для продуктов одной компании (да и то не всегда).

Такая ситуация с, казалось бы, вполне объективными показателями, изначально призванными вносить ясность, требует дополнительного рассмотрения. Для начала отметим, что, хотя стандарт VESA на измерения параметров плоскопанельных дисплеев определяет их методику однозначно, далеко не все производители ее придерживаются. Более того, когда дело доходит до наиболее критичных с маркетинговой точки зрения пунктов спецификации, с методами и условиями их измерений зачастую начинается самый настоящий бардак.

Попробуем разобраться, какие же из характеристик ЖК-дисплея наиболее важны и стоят того, чтобы при выборе обратить на них внимание.

Размер диагонали и разрешение . Если первый параметр очевиден и особых комментариев не требует, то на втором стоит остановиться подробнее. ЭЛТ-дисплеи могут одинаково хорошо работать в широком диапазоне разрешений, так как размер ячейки их теневой маски или апертурной решетки намного меньше пиксела изображения. Однако картинка на ЖК-панели выглядит оптимально в том случае, если видеоадаптер работает в «родном» для ЖК-монитора разрешении (native resolution). Ячейки ЖК-панели по сравнению с ячейками теневой маски довольно велики, и на один пиксел изображения приходится лишь одна RGB-ячейка матрицы. Поэтому для 15-дюймовых дисплеев основным рабочим является разрешение 1024×768, для 17- и 19-дюмовых – 1280×1024. Все прочие режимы будут лишь компромиссами: при установке на видеоадаптере ПК меньшего разрешения изображение масштабируется до нужного размера электроникой дисплея и в результате «замыливается». Если же разрешение видеорежима превышает оптимальное, то большинство мониторов отказывается с ним работать либо опять-таки картинка ухудшается из-за пересчета.

Обратите внимание, что несмотря на два дюйма разницы в размере диагонали, 17- и 19-дюймовые мониторы (в большинстве своем) характеризуются одним и тем же «родным» разрешением. То есть количество информации, которое можно разместить на них, одинаково, выигрыш лишь в большем размере точки для 19-дюймового дисплея. На практике чаще всего оказывается, что значительно приятнее работать именно с последним – за счет увеличенного размера ячеек матрицы (и соответственно, уменьшенного расстояния между ними) изображение, формируемое 19-дюймовым устройством, кажется лучше.

Частота обновления экрана . В эпоху ЭЛТ-мониторов этот параметр был важнейшим для достижения комфортного, немерцающего изображения на дисплее. Но для того чтобы человеческий глаз воспринимал быстро сменяющиеся кадры как движущуюся картинку, достаточно и 30 кадров в секунду (60 при чересстрочном формировании). Необходимость же поднимать частоту «рефреша» до 85, 100 и даже 120 Гц была вызвана тем, что на ЭЛТ-дисплеях изображение формируется построчным сканированием, причем, пока электронный луч «засветит» строку в нижней части экрана, обладающий небольшим временем светимости люминофор в верхней его части уже успевает отдать значительный процент своей энергии, и картинка темнеет – до следующего прохода луча.

Так как в ЖК-дисплеях кадр формируется целиком, и каждая ячейка матрицы – это транзистор с запоминающим конденсатором (storage capacitor), который долго хранит заряд, то никакое мерцание (чередование светлых и темных кадров) не возникает, и необходимой и достаточной частотой обновления является значение в 60 Гц. Именно на него рассчитана электроника ЖК-матрицы, и потому, даже если на видеоадаптере установлена более высокая частота, DSP дисплея будет пропускать лишние кадры, что может привести к рывкам движущегося на экране изображения.

Яркость и контрастность . Максимальная яркость ЖК-панели зависит от мощности ее подсветки и коэффициента пропускания матрицы и фильтров. Контрастность же определяется отношением интенсивности белого цвета к светимости черного цвета. Производители частенько указывают в паспортных данных мониторов значения, которые заявлены для установленных в них панелей, что, строго говоря, не совсем верно, так как электроника и качество сборки дисплея могут оказать существенное влияние на эти величины.

Паспортное значение максимальной яркости в 250 кд/м2 считается вполне достаточным, причем для работы при искусственном освещении хватает реального уровня в 100–120 кд/м2, а бóльшая яркость может понадобиться лишь при ярком солнечном свете.

С контрастностью не все так просто: в идеале чем больше она заявлена (при равной яркости), тем чище черный цвет на мониторе. На практике же иногда бывает так, что при меньшей заявленной контрастности на одном мониторе черный цвет выглядит заметно чище и глубже, чем на другом, в паспорте которого указано более высокое значение: здесь вступают в силу тип, эффективность антибликового покрытия экрана и прочие факторы.

Количество отображаемых цветов . Этот, на первый взгляд, не слишком информативный пункт спецификации подчас может многое сказать об установленной в монитор ЖК-матрице. Дело здесь вот в чем: разрядность большинства «сверхбыстрых» TN-матриц, в изобилии появившихся на рынке за последние несколько лет, составляет менее 8 бит на канал цветности (24 бит RGB), обычно лишь 6 (18 бит RGB), чего без применения специальных средств совершенно недостаточно для формирования всего спектра режима True Color: 28∙28∙28 дает 16 777 216 цветов, а 26∙26∙26 – только 262 144. Для эмуляции недостающих оттенков в управляющую электронику закладываются алгоритмы дизеринга – либо традиционные пространственные (когда варьируются цвета соседних точек), либо временные, когда отображаемый пикселом цвет переключается через каждый кадр; а иногда и различные их сочетания. В итоге глаз удается обмануть, однако качество изображения на такой матрице все же нельзя сравнивать с таковым для полноценной 24-битовой матрицы.

Поэтому еще совсем недавно при установке в монитор матрицы с уменьшенной разрядностью производители в графе «количество цветов» указывали 16,2 млн оттенков, а для полноценной 24-битовой – 16,7 млн. На сегодняшний же день, к сожалению, некоторые компании даже для 18-битовых панелей пишут 16,7 млн оттенков, и потому определить с помощью спецификаций, какая в мониторе матрица, возможным не представляется.

Углы обзора . Данный параметр очень важен для комфортной работы с монитором. Однако он, увы, утратил свою информативность – с тех пор как в спецификациях даже быстрых ЖК-матриц производители начали указывать значения 140–160°. Нет, это не значит, что углы обзора стали лучше, скорее наоборот, немного изменилась методика их измерений.

Исторически граничным углом обзора, вносимым в спецификации, считался такой, при котором контраст падал до 10:1. Как видите, уже тогда при этом совершенно не учитывались возникающие искажения цветопередачи, которые для TN-матриц подчас выражаются в инвертировании цветов. Для «быстрых» же матриц реальные углы обзора еще ýже, чем для обычных. Поэтому в последнее время некоторые производители ни с того ни с сего начали считать граничными углы обзора матрицы при контрасте не 10:1, а всего 5:1, что дает им основания указывать даже для «быстрых» TN-матриц значения выше 140°.

На практике же разница между углами обзора для разных типов матриц, как говорится, небо и земля. Если для «быстрых» TN заметные искажения наблюдаются даже при небольшом отклонении взгляда от угла нормали (иногда при нормальном угле зрения по центру монитора они уже заметны в его углах), то на современные мониторы, оснащенные PVA- и IPS-матрицами, можно смотреть практически под любым углом. Поэтому углы обзора мониторов на матрицах типа TN и MVA/PVA/IPS несравнимы, хотя цифры спецификаций подчас довольно схожи.

Время отклика. Это один из наиболее спорных и неоднозначных параметров современных ЖК-дисплеев. Гонка миллисекунд, которая длится вот уже несколько лет, привела к тому, что многие пользователи, особенно любители компьютерных игр, выбирают для себя монитор, руководствуясь исключительно данной характеристикой. Однако, как мы неоднократно подчеркивали в тестированиях, на практике заявленное низкое время реакции матрицы еще не гарантирует отсутствия смазывания движущегося изображения – более того, нередки случаи, когда, скажем, монитор с паспортным временем реакции 16 мс на поверку оказывается быстрее 12-миллисекундной модели.

Дело, как обычно, в выбранной методике измерения. Еще недавно временем реакции было принято считать суммарное время переключения пиксела с черного цвета на белый (trise) и обратно (tfall), точнее достижения значений яркости 90% и 10% соответственно. Но эта цифра не давала представления о том, как будет вести себя монитор в реальных условиях, и вот почему. При переходе от минимального уровня к максимальному прикладываемое к электродам матрицы напряжение также максимальное; следовательно, воздействие на жидкие кристаллы довольно сильное, что обеспечивает их быструю переориентацию в нужном направлении. Гораздо сложнее осуществить столь же стремительный поворот на небольшой угол (речь идет все же о кристаллах, хоть и «жидких» – их вязкость высока), что соответствует переходам от одного промежуточного состояния к другому (между оттенками серого). Приложенное напряжение будет уже не столь высоким, и время отклика может превысить заявленное в несколько раз – все зависит от типа и конструкции матрицы. В итоге для одной 16-милисекундной модели на экране хорошо видно смазывание, а для другой оно практически не проявляется, и оценить его можно только на глаз либо путем измерения и последующего усреднения длительности всех переходов между различными состояниями ЖК-ячейки (число которых для 8-битовой RGB-матрицы составит 256).

Разгоняем… монитор!

А нельзя ли как-то подогнать неторопливые кристаллы, чтобы ускорить время их поворота при переходе между промежуточными состояниями? Оказывается, можно. Для этого нужно знать их исходное положение (запомнить предыдущий кадр) и точно рассчитать так называемый разгонный импульс напряжения для нового значения пиксела в следующем кадре. Он значительно превышает номинальное для требуемого состояния напряжение, подаваемое после него, и поэтому быстро повернет кристаллы в нужное положение. Данная технология получила название overdrive, и ее корректное воплощение способно снизить время отклика ЖК-ячейки до минимального почти по всему диапазону ее состояний.

Проблема здесь заключается в соблюдении требуемой точности: даже в обычных панелях значения напряжений для формирования 256 состояний находятся в столь узком диапазоне, что управление ими представляет собой настоящее балансирование на острие ножа. Для нормальной же работы форсированной панели точность нужно повысить на порядок, что пока удается отнюдь не всем.

На данном этапе корректная настройка схемы overdrive для панели все еще технически сложная задача, и под силу далеко не всем производителям. В результате при смене состояния ячейки могут стать заметны артефакты – скажем, если оптимальное значение разгонного импульса будет превышено и кристаллы повернутся на больший, чем нужно, угол, через ячейку на какое-то время пройдет больше света. Визуально для движущегося на сером фоне черного объекта это выразится в светлой кайме вместо привычных смазанных фронтов, хотя, повторим, при корректно реализованной технологии такие артефакты появляться не должны.

Чтобы подчеркнуть преимущества мониторов, оборудованных панелями с технологией overdrive, производители выбрали другую методику измерения времени отклика. Если раньше это была сумма временных затрат на переключение ячейки из черного в белый и обратно, то теперь часто указывают усредненное время переключения из одного оттенка серого в другой (Gray-to-Gray, GTG). Однако легко заметить, что в последнем варианте измерения одним переключением меньше, поэтому в результате даже без применения overdrive получается более красивая цифра. Ну а этим быстро воспользовались маркетинговые отделы тех компаний, которые еще даже не воплотили поддержку overdrive в своих матрицах…

Одним словом, заявленное в спецификации время отклика, к сожалению, имеет мало общего со степенью смазывания движущегося изображения в реальных задачах. Для объективной же оценки данного параметра необходимо проводить большое количество измерений, да еще учитывая при этом, что пользовательские настройки монитора, о которых пойдет речь ниже, могут вносить в них существенные коррективы.

Настройка ЖК-монитора

Из всех параметров ЖК-дисплея, которые пользователь может подстраивать, как важнейшие мы выделим яркость, контраст, гамму и цветовую температуру. Следующее утверждение на первый взгляд может показаться нелепым, однако это горькая правда: при установке для них значений, отличных от заводских (точнее, оптимальных для данной ЖК-матрицы), велика вероятность заметного ухудшения цветопередачи. Единственным исключением здесь будет лишь регулировка яркости ламп подсветки, хотя она встречается не у всех моделей.

Если вспомнить устройство и принцип работы ЖК-монитора, то понять, почему так происходит, будет несложно. Без изменения яркости и спектра излучения ламп подсветки (первое возможно, а вот второе – нет) единственный способ реализации всех подобных настроек – подмешивание к видеосигналу, подаваемому на матрицу, некоторой постоянной составляющей. А это приведет к сужению рабочего диапазона значений ячеек матрицы и, как следствие, к уменьшению количества отображаемых цветов (которое даже для лучших панелей и так относительно невелико).

Убедиться же в этом на практике еще проще: достаточно загрузить популярную программу TFTtest.exe и вывести на экран монохромную градиентную заливку (либо нарисовать ее в любом растровом графическом редакторе), а потом поменять значения упомянутых настроек и понаблюдать за появляющимися искажениями, которые выражаются в виде ступенек и/или цветных разводов на градиенте.

• Выполнить полный сброс установок.
• Вывести на экран плавную монохромную градиентную заливку.
• Отрегулировать яркость, контраст, гамму и цветовую температуру таким образом, чтобы на градиенте не наблюдались полосы, ступеньки и цветовые аномалии.
• В дальнейшем из всех настроек монитора корректировать лишь яркость подсветки, если есть такая возможность, так как она не влияет на качество цветопередачи.
• Все остальные параметры настраивать с помощью драйверов видеоадаптера либо аппаратного калибратора.

ЖК-мониторы: светлое будущее?

Рыночные перспективы этих устройств не вызывают сомнений, так как наблюдаемый высокий спрос на них однозначно свидетельствует: пользователи сделали свой выбор и жаждут поскорее сменить на своих столах громоздкие ЭЛТ-устройства на компактные и изящные ЖК-мониторы, забывая при этом о недостатках ЖК-технологии. К сожалению, ценовые и маркетинговые войны, развязываемые производителями, приводят к ухудшению ряда важнейших для качества изображения параметров на фоне улучшения лишь двух – времени реакции и стоимости. Особенно данная тенденция заметна для mainstream-дисплеев – 17- и 19-дюймовых устройств с панелями на базе технологии TN.

Таким образом, прогнозы скорой смерти матриц типа TN оказались, мягко говоря, несколько преувеличенными: раз большинство пользователей вполне устраивает такое качество изображения, то и необходимости его улучшать на сегодняшний день попросту нет. Для требовательных же покупателей, готовых платить за качество, остаются дисплеи на матрицах PVA и IPS больших диагоналей (19 дюймов и более). И до тех пор пока их время отклика и цена не сравняются с таковыми для TN-матриц (что маловероятно), господство последних на рынке не подлежит сомнению.

Большинство современных LCD мониторов имеют достаточно простое построение, если рассматривать его на уровне чипов, т.е. в мониторе мы видим сейчас две или три крупных микросхемы. Функциональное назначение этих микросхем в большинстве случаев является типовым, несмотря на то, что выпускаются они разными производителями и имеют различную маркировку. А так как микросхемы выполняют одинаковые функции, то их входные/выходные сигналы будут практически идентичными, т.е. основное отличие микросхем заключается в их характеристиках и цоколевке корпуса. Именно поэтому к большинству современных LCD мониторов, невзирая на множество их торговых марок и множество различных моделей, можно применять одинаковые подходы при диагностике неисправностей и ремонте. Кроме идентичной функциональной схемы, почти все LCD мониторы имеют одну и ту же схему компоновки, т.е. практически все производители пришли к одинаковой схеме распределения электронных компонентов монитора по различным печатным платам.

Итак, если посмотреть на современный LCD монитор, то внутри него мы найдем, как правило, саму LCD-панель и три печатные платы (рис.1):

Рис.1

- основную плату управления и обработки сигналов (Main PCB );

- плату блока питания и инвертора задней подсветки (Power PCB );

- плату лицевой панели управления.

Межблочные связи при такой компоновке монитора демонстрирует рисунок 2.

Рис.2

Многие современные мониторы могут использоваться как USB-хаб, к которому могут подключаться различные USB устройства. Поэтому в составе монитора может появиться еще одна печатная плата, соответствующая USB-хабу, но наличие этой платы, естественно, является опциональным.

На основной плате управления располагаются микропроцессор монитора и скалер. Этой платой осуществляется обработка входных сигналов монитора и преобразование их в сигналы управления LCD-панелью. Именной этой платой во многом определяется качество изображения, воспроизводимого на экране монитора. Основное отличие моделей мониторов друг от друга заключается в конфигурации этой печатной платы, в типе установленных на ней микросхем и в их "прошивке".

Плата лицевой панели управления представляет собой узкую печатную плату, на которой расположены только лишь кнопки и светодиод.

Плата источников питания (в документации LG ее обозначают, как LIPS ), представляет собой комбинированный источник питания, который состоит из двух импульсных преобразователей: основного блока питания и инвертора задней подсветки. Этой платой формируются все основные напряжения, необходимые для работы и основной платы, и LCD-панели, а также формируется высоковольтное напряжение для ламп задней подсветки. Именно эта печатная плата дает наибольшее количество различных проблем и отказов LCD-мониторов.

Но существует и второй вариант компоновки, при котором кроме LCD-матрицы в мониторе имеется четыре печатные платы:

- основная плата управления и обработки сигналов (Main PCB );

- плата блока питания (Power PCB );

- плата инвертора задней подсветки (Back Light Inverter PCB );

- плата лицевой панели управления.

В данном варианте компоновки блок питания и инвертор задней подсветки представляют собой отдельные печатные платы (рис.3).

Рис.3

Межблочные связи, характерные для такой компоновки монитора, представлены на рис.4. В качестве примера здесь можно представить мониторы LG FLATRON L1810B и L1811B.

Рис.4

Прежде чем говорить о различных вариантах схемотехники LCD дисплеев, дадим краткие характеристики основным компонентам, из которых они состоят.

Микропроцессор

Микропроцессором, который в различных источниках может обозначаться как CPU, MCU и MICOM , осуществляется общее управление монитором. Основными его функциями являются:

- формирование сигналов для включения и выключения задней подсветки;

- управление яркостью ламп задней подсветки;

- настройка режима работы скалера;

- формирование сигналов управляющих работой скалера;

- обработка и контроль входных синхросигналов HSYNC и VSYNC;

- определение режима работы монитора;

- определение типа входного интерфейса (D-SUB или DVI);

- обработка сигналов от лицевой панели управления.

Управляющая программа микропроцессора, как правило, находится в его внутреннем ПЗУ, т.е. эта программ "прошита" в микропроцессоре. Однако часть управляющего кода, и особенно различные данные и переменные хранятся во внешней энергонезависимой памяти, которая представляет собой электрически перепрограммируемое ПЗУ – EEPROM. Микропроцессор имеет прямой доступ к микросхемам EEPROM.

Микропроцессор, как правило, является 8-разрядным и работает на тактовых частотах порядка 12 – 24 МГц. Микропроцессор, на самом деле, является однокристальным микроконтроллером, в составе которого, кроме CPU имеются еще:

- многоцелевые цифровые порты ввода/вывода с программируемыми функциями;

- аналоговые входные порты и цифро-аналоговый преобразователь;

- тактовый генератор;

- ПЗУ;

- ОЗУ и другие элементы.

EEPROM

В энергонезависимой памяти, в первую очередь, хранятся данные о настройках монитора и заданные пользователем установки. Эти данные извлекаются из EEPROM в момент включения монитора и инициализации микропроцессора. При каждой настройке монитора и установке нового пользовательского значения какого-либо параметра изображения, эти новые значения переписываются в EEPROM, что позволяет их сохранить. В современных мониторах в качестве EEPROM , в основном, применяются микросхемы с последовательным доступом по шине I2C (сигналы SDA и SCL ). Это микросхемы типа 24C02, 24C04, 24C08 и т.д.

DDC- EEPROM

Все современные мониторы поддерживают технологию Plug&Play, которая предполагает передачу от монитора в сторону ПК паспортной и конфигурационной информации о мониторе. Для передачи этих данных используется последовательный интерфейс DDC, которому на интерфейсе соответствую сигналы DDC-DATA (DDC-SDA) и DDC-CLK (DDC-SCL) . Сама паспортная информация хранится в еще одном EEPROM, который, практически, напрямую соединен с интерфейсным разъемом. В качестве EEPROM используются те же микросхемы 24C02, 24C04, 24C08 , а также может использоваться и более специализированная – 24C21 .

Формирователь RESET

Схема формирования сигнала RESET обеспечивает контроль питающего напряжения микропроцессора. Если это напряжение становится ниже допустимого значения, работа микропроцессора блокируется установкой сигнала REST в низкий уровень. В качестве формирователя сигнала чаще всего используется микросхема Low Drop стабилизатора, типа KIA7042 или KIA7045.

Скалер

Микросхемой скалера осуществляется обработка сигналов, приходящих от ПК. Скалер в большинстве случаев представляет собой многофункциональную микросхему, в состав которой обычно входят:

- микропроцессор;

- ресивер (приемник) TMDS, которым обеспечивается прием и преобразование в параллельный вид данных, передаваемых по интерфейсу DVI;

- аналого-цифровой преобразователь – АЦП (ADC), которым осуществляется преобразование входных аналоговых сигналов R/G/B;

- блок ФАПЧ (PLL), который необходим для корректного аналого-цифрового преобразования и синхронного формирования сигналов на выходе АЦП;

- схема масштабирования (Scaler), которая обеспечивает преобразования изображения с входным разрешением (например, 1024х768) в изображение с разрешением LCD-панели (например, 1280х1024);

- формирователь OSD;

- трансмиттер (LVDS), который осуществляет преобразование параллельных данных о цвете в последовательный код, передаваемый на LCD-панель по шине LVDS.

Кроме этих основных элементов, в составе некоторых скалеров можно выделить еще схему гамма-коррекции, интерфейс для работы с динамической памятью, схему фрейм-граббера, схемы конвертации форматов (например, YUV в RGB) и т.п.

Фактически, скалер является микропроцессором, оптимизированным под выполнение вполне определенных задач – обработку изображения. Скалер настраивается на формат входных сигналов, получая соответствующие команды от центрального процессора монитора.

Если в составе монитора имеется фрейм-буфер (оперативная память), то работа с ним является функцией именно скалера. Для этого многие скалеры оснащаются интерфейсом для работы с динамической памятью.

Пример функциональной схемы скалера GM5020, используемого в мониторе LG FLATRON L1811B, представлен на рис.5. Особенностью этого скалера является то, не содержит внутреннего LVDS-трансмиттера, и формирует сигналы цвета в виде параллельного 48-разрядного потока цифровых данных. При использовании скалера GM5020 требуется еще и внешний LVDS-трансмиттер, представляющий собой специализированную микросхему.

Рис.5

Фрейм-буфер

Фрейм-буфер – это оперативная память достаточно большой емкости, которая используется для сохранения образа изображения, выводимого на экран. Эта память требуется при преобразовании (масштабировании) изображения, т.е. когда входное разрешение не совпадает с разрешением LCD-панели. В качестве фрейм-буфера используется память динамического типа, чаще всего SDRAM. Емкость этой памяти определяет разработчиком, исходя из формата LCD-панели и ее цветовых характеристик.

DC-DC преобразователь

Этим модулем обеспечивается формирование всех постоянных напряжений, необходимых для работы монитора. Этими напряжениями являются: +5V, +3.3V, +2.5V или +1.8V. Преобразователи представляю собой либо линейные, либо импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Буфер синхросигналов

Буфер синхросигналов, представляют собой усилители, выполненные либо на транзисторах, либо на микросхемах мелкой логики. Буфером обеспечивается усиление и буферизация входных сигналов синхронизации HSYNC и VSYNC . Часто буферы управляются микропроцессором, что позволяет выбрать источник сигнала, а также выбрать тип синхронизации (раздельная, композитная или SOG ).

Инвертор

Инвертор формирует высоковольтное и высокочастотное напряжение для ламп задней подсветки. Представляет собой импульсный высокочастотный преобразователь, который из напряжения +12V создает импульсное напряжение амплитудой около 800В .

Блок питания

Блоком питания из переменного напряжения сети формируются постоянные напряжения +12В и +5В, используемые для питания всех каскадов монитора. Блок питания является импульсным и может представлять собой как внешний сетевой адаптер, так и внутренний модуль монитора, хотя в мониторах, представленных в данном обзоре, блок питания является внутренним.

Подавляющее большинство LCD мониторов можно отнести к одному из трех базовых вариантов схемотехники, которые попытаемся охарактеризовать.

1) Первый вариант характеризуется наличием на MAIN BOARD двух основных микросхем: микросхемы микропроцессора и микросхемы скалера. Микропроцессором осуществляется общее управление компонентами монитора, а скалер осуществляет преобразование цветовых сигналов, т.е. осуществляет подстройку изображения под разрешение LCD-панели. При этом скалер обрабатывает данные "на лету", т.е. без предварительного сохранения образа изображения в промежуточной памяти. Поэтому микросхемы памяти в таком варианте схемотехники не используются. Блок-схема такого LCD-монитора демонстрируется на рис.6.

Рис.6

2) Второй вариант (рис.7)отличается от первого наличием в мониторе микросхем памяти, которые часто называют буфером фрейма (Frame Buffer). Наличие микросхем памяти характерно для мониторов более высокого класса, которые способны работать с изображениями различных входных форматов, в том числе и телевизионных. К этому классу мониторов в большей степени относятся 18-дюймовые мониторы, например FLATRON L1811B.

Рис.7

3) Третий вариант характеризуется наличием на основной плате MAIN BOARD всего одной "активной" микросхемы. Под термином" активная микросхема" мы подразумеваем микросхему, имеющую собственную систему команд, программируемую под выполнение различных функций и способную выполнять какую-либо обработку сигналов. В некоторых мониторах (например, в FLATRON L1730B и L1710S), мы видим всего одну такую микросхему, которая совмещает в себе и функции микропроцессора и функции скалера. Так как подобные микросхемы могут использоваться в различных моделях мониторов, и так как в составе микросхемы имеется микропроцессор, для работы которого требуется наличие управляющих кодов, то на плате MAIN BOARD мы найдем еще и микросхему постоянного запоминающего устройства – ПЗУ (ROM). Эта микросхема, которая чаще всего является 8-разрядным ПЗУ с параллельным доступом, содержит управляющую программу для работы комбинированной микросхемы скалера-микропроцессора. Часто микросхема ПЗУ является электрически перепрограммируемой, и поэтому ее часто обозначают, как FLASH. Практически во всех мониторах LG в качестве ПЗУ используются микросхема семейства AT49HF. Блок-схема мониторов с такой схемотехникой представлена на рис.8.

Рис.8

Кроме этих трех вариантов построения монитора можно ввести и еще один вариант. Он отличается тем, что в мониторе используется такой скалер, который не имеет встроенного LVDS-трансмиттера. В этом случае трансмиттеру соответствует отдельная микросхема, которая устанавливается на основной плате между скалером и LCD-панелью. LVDS-трансмиттер осуществляет преобразование параллельного (24 или 48 разрядного) цифрового потока данных, сформированного скалером, в последовательные данные шины LVDS. LVDS-трансмиттер представляет собой микросхему общего применения, которая может использоваться в любых мониторах. Такая схемотехника, с внешним LVDS-трансмиттером, также характерна, в большей степени, для мониторов более высокого класса, т.к. в них применяются специализированные скалеры с меньшим количеством дополнительных функций. Пример блок-схемы монитора с подобной схемотехникой представлен на рис.9. В качестве примере монитора с таким построением, можно назвать модель LG FLATRON L1811B .

Рис.9

Здесь были рассмотрены лишь базовые варианты современной схемотехники, хотя во всем многообразии моделей и торговых марок LCD-мониторов можно встретить самые различные комбинации представленных блок-схем. В сводной таблице 1 отражены типы применяемых микросхем и особенности схемотехники наиболее массовых моделей мониторов LG.

Таблица 1. Особенности схемотехники TFT-мониторов компании LG

Модель монитора	Вариант компоновки	Вариант схемотехники	Типы основных микросхем			Тип используемой LCD панели
			CPU	Скалер	LVDS
L1510S	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9011		LM150X06-A3M1
L1510P	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9051		LM150X06-A3M1
L1511S	см. рис.1	см. рис. 9	MTV312	GMZAN2	THC63LVDM83R	1) LM150X06-A3M1 2) LM150X07-B4
L1520B	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9011		LM150X06-A4C3
L1710S	см. рис.1	см. рис. 8		GM2121		1) HT17E12-100 2) M170EN05
L1710B	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9151		1) LM170E01-A4 2) HT17E12-100 3) M170EN05V1
L1715 /16 S	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9111		LM170E01-A4
L1720B	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9111		1) LM170E01-A4 2) LM170E01-A5K6 3) LM170E01-A4K4 4) LM170E01-A5
L1730B	см. рис.1	см. рис. 8		GM5221		1) LM170E01-A5K6 2) LM170E01-A5N5 3) LM170E01-A5KM
L1810B	см. рис. 3	см. рис.6	MTV312	MST9151		1) LM181E06-A4M1 2) LM181E06-A4C3
L1811B	см. рис. 3	см. рис. 9	68HC08	GM5020	THC63LVD823	1) LM181E05-C4M1 2) LM181E05-C3M1
L1910PL	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9151		FLC48SXC8V-10
L1910PM	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9151		FLC48SXC8V-10

Аналитический обзор данных, представленных в таблице 1, позволяет сделать несколько интересных выводов.

Во-первых , практически все, представленные в таблице 1 мониторы, имеют одинаковую схему компоновки, которая, кстати, характерна практически для всех современных мониторов, независимо от фирмы-производителя.

Во-вторых , LG в своих мониторах в качестве управляющего процессора использует, преимущественно, микроконтроллер MTV312 , разработанный фирмой MYSON TECHNOLOGY . Этот микроконтроллер в своей основе имеет известнейший микропроцессор 8051. Кроме того, в состав микроконтроллера входят ОЗУ, Flash-ПЗУ, АЦП, процессор синхронизации, цифровые порты и целый ряд других элементов.

В-третьих, необходимо отметить, что в некоторых моделях мониторов могут использоваться различные типы LCD-панелей. Так, например, под крышкой мониторов, продаваемых под торговой маркой FLATRON 1710B , можно встретить LCD-панели трех разных типов: LM170E01-A4, HT17E12-100, M170EN05V1 , и это является весьма распространенной практикой практически всех производителей мониторов. Но интересным является тот факт, что иногда фирма LG в своих мониторах использует панели других производителей, являясь при этом крупнейшим мировым их производителем. Принадлежность LCD-панели можно определить по ее маркировке, первые буквы которой и определяют производителя:

LM – панели производства LG-PHILIPS

HT – панели производства HITACHI

M – панели производства AUO

FLC – панели производства FUJITSU

Создание жидкокристаллического дисплея

Первый рабочий жидкокристаллический дисплей был создан Фергесоном (Fergason) в 1970 году. До этого жидкокристаллические устройства потребляли слишком много энергии, срок их службы был ограничен, а контраст изображения был удручающим. На суд общественности новый ЖК-дисплей был представлен в 1971 году и тогда он получил горячее одобрение. Жидкие кристаллы (Liquid Crystal) - это органические вещества, способные под напряжением изменять величину пропускаемого света. Жидкокристаллический монитор представляет собой две стеклянных или пластиковых пластины, между которыми находится суспензия. Кристаллы в этой суспензии расположены параллельно по отношению друг к другу, тем самым они позволяют свету проникать через панель. При подаче электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению света. ЖК технология получила широкое распространение в компьютерах и в проекционном оборудовании. Первые жидкие кристаллы отличались своей нестабильностью и были мало пригодными к массовому производству. Реальное развитие ЖК технологии началось с изобретением английскими учеными стабильного жидкого кристалла - бифенила (Biphenyl). Жидкокристаллические дисплеи первого поколения можно наблюдать в калькуляторах, электронных играх и в часах. Современные ЖК мониторы также называют плоскими панелями, активными матрицами двойного сканирования, тонкопленочными транзисторами. Идея ЖК мониторов витала в воздухе более 30 лет, но проводившиеся исследования не приводили к приемлемому результату, поэтому ЖК мониторы не завоевали репутации устройств, обеспечивающих хорошее качество изображения. Сейчас они становятся популярными - всем нравится их изящный вид, тонкий стан, компактность, экономичность (15-30 ватт), кроме того, считается, что только обеспеченные и серьезные люди могут позволить себе такую роскошь

Характеристики ЖК мониторов

Виды ЖК мониторов

Составные слои монитора

Существует два вида ЖК мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic - кристаллические экраны с двойным сканированием) и TFT (thin film transistor - на тонкопленочных транзисторах), также их называют соответственно пассивными и активными матрицами. Такие мониторы состоят из следующих слоев: поляризующего фильтра, стеклянного слоя, электрода, слоя управления, жидких кристаллов, ещё одного слоя управления, электрода, слоя стекла и поляризующего фильтра. В первых компьютерах использовались восьмидюймовые (по диагонали) пассивные черно-белые матрицы. С переходом на технологию активных матриц, размер экрана вырос. Практически все современные ЖК мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспечивающих яркое, четкое изображение значительно большего размера.

Разрешение монитора

От размера монитора зависят и занимаемое им рабочее пространство, и, что немаловажно, его цена. Несмотря на устоявшуюся классификацию ЖК-мониторов в зависимости от размера экрана по диагонали (15-, 17-, 19-дюймовые), более корректной является классификация по рабочему разрешению. Дело в том, что, в отличие от мониторов на основе ЭЛТ, разрешение которых можно менять достаточно гибко, ЖК-дисплеи имеют фиксированный набор физических пикселей. Именно поэтому они рассчитаны на работу только с одним разрешением, называемым рабочим. Косвенно это разрешение определяет и размер диагонали матрицы, однако мониторы с одинаковым рабочим разрешением могут иметь разную по размерам матрицу. Например, мониторы с диагональю от 15 до 16 дюймов в основном имеют рабочее разрешение 1024Ѕ768, а это означает, что у данного монитора действительно физически содержится 1024 пикселя по горизонтали и 768 пикселей по вертикали. Рабочее разрешение монитора определяет размер иконок и шрифтов, которые будут отображаться на экране. К примеру, 15-дюймовый монитор может иметь рабочее разрешение и 1024Ѕ768, и 1400Ѕ1050 пикселей. В последнем случае физические размеры самих пикселей будут меньшими, а поскольку при формировании стандартной иконки в обоих случаях используется одно и то же количество пикселей, то при разрешении 1400Ѕ1050 пикселей иконка по своим физическим размерам окажется меньше. Для некоторых пользователей слишком маленькие размеры иконок при высоком разрешении монитора могут оказаться неприемлемыми, поэтому при покупке монитора нужно сразу обращать внимание на рабочее разрешение. Конечно же, монитор способен выводить изображение и в другом, отличном от рабочего разрешении. Такой режим работы монитора называют интерполяцией. В случае интерполяции качество изображения оставляет желать лучшего. Режим интерполяции заметно сказывается на качестве отображения экранных шрифтов.

Интерфейс монитора

ЖК-мониторы по своей природе являются цифровыми устройствами, поэтому «родным» интерфейсом для них считается цифровой интерфейс DVI, который может обладать двумя видами конвекторов: DVI-I, совмещающим цифровой и аналоговый сигналы, и DVI-D, передающим только цифровой сигнал. Считается, что для соединения ЖК-монитора с компьютером более предпочтителен интерфейс DVI, хотя допускается подключение и через стандартный D-Sub-разъем. В пользу DVI-интерфейса говорит и то, что в случае аналогового интерфейса происходит двойное преобразование видеосигнала: сначала цифровой сигнал преобразуется в аналоговый в видеокарте (ЦАП-преобразование), который затем трансформируется в цифровой электронным блоком самого ЖК-монитора (АЦП-преобразование), вследствие чего возрастает риск различных искажений сигнала. Многие современные ЖК-мониторы обладают как D-Sub-, так и DVI-коннекторами, что позволяет одновременно подключать к монитору два системных блока. Также можно найти модели, имеющие два цифровых разъема. В недорогих офисных моделях в основном присутствует только стандартный D-Sub-разъем.

Тип ЖК матрицы

Базовым компонентом ЖК-матрицы являются жидкие кристаллы. Существует три основных типа жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические. По электрическим свойствам все жидкие кристаллы делятся на две основные группы: к первой относятся жидкие кристаллы с положительной диэлектрической анизотропией, ко второй - с отрицательной диэлектрической анизотропией. Разница заключается в том, как эти молекулы реагируют на внешнее электрическое поле. Молекулы с положительной диэлектрической анизотропией ориентируются вдоль силовых линий поля, а молекулы с отрицательной диэлектрической анизотропией - перпендикулярно силовым линиям. Нематические жидкие кристаллы обладают положительной диэлектрической анизотропией, а смектические, наоборот, - отрицательной. Другое замечательное свойство ЖК-молекул заключается в их оптической анизотропии. В частности, если ориентация молекул совпадает с направлением распространения плоскополяризованного света, то молекулы не оказывают никакого воздействия на плоскость поляризации света. Если же ориентация молекул перпендикулярна направлению распространения света, то плоскость поляризации поворачивается таким образом, чтобы быть параллельной направлению ориентации молекул. Диэлектрическая и оптическая анизотропия ЖК-молекул дает возможность использовать их в качестве своеобразных модуляторов света, позволяющих формировать требуемое изображение на экране. Принцип действия такого модулятора довольно прост и основан на изменении плоскости поляризации проходящего через ЖК-ячейку света. ЖК-ячейка располагается между двумя поляризаторами, оси поляризации которых взаимно перпендикулярны. Первый поляризатор вырезает плоскополяризованное излучение из проходящего от лампы подсветки света. Если бы не было ЖК-ячейки, то такой плоскополяризованный свет полностью поглотился бы вторым поляризатором. ЖК-ячейка, размещенная на пути проходящего плоскополяризованного света, может поворачивать плоскость поляризации проходящего света. В таком случае часть света проходит через второй поляризатор, то есть ячейка становится прозрачной (полностью или частично). В зависимости от того, каким образом осуществляется управление поворотом плоскости поляризации в ЖК-ячейке, различают несколько типов ЖК-матриц. Итак, ЖК-ячейка, помещаемая между двумя скрещенными поляризаторами, позволяет модулировать проходящее излучение, создавая градации черно-белого цвета. Для получения цветного изображения необходимо применение трех цветных фильтров: красного (R), зеленого (G) и голубого (B), которые, будучи установленными на пути распространения белого цвета, позволят получить три базовых цвета в нужных пропорциях. Итак, каждый пиксель ЖК-монитора состоит из трех отдельных субпикселов: красного, зеленого и голубого, представляющих собой управляемые ЖК-ячейки и различающихся только используемыми фильтрами, установленными между верхней стеклянной пластиной и выходным поляризующим фильтром

Классификация TFT-LCD дисплеев

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS (SFT) и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённый в конкретных разработках.

TN-матрица

Структура TN-ячейки

Жидкокристаллическая матрица TN-типа (Twisted Nematic) представляет собой многослойную структуру, состоящую из двух поляризующих фильтров, двух прозрачных электродов и двух стеклянных пластинок, между которыми располагается собственно жидкокристаллическое вещество нематического типа с положительной диэлектрической анизотропией. На поверхность стеклянных пластин наносятся специальные бороздки, что позволяет создать первоначально одинаковую ориентацию всех молекул жидких кристаллов вдоль пластины. Бороздки на обеих пластинах взаимно перпендикулярны, поэтому слой молекул жидких кристаллов между пластинами изменяет свою ориентацию на 90°. Получается, что ЖК-молекулы образуют скрученную по спирали структуру (рис. 3), из-за чего такие матрицы и получили название Twisted Nematic. Стеклянные пластины с бороздками располагаются между двух поляризационных фильтров, причем ось поляризации в каждом фильтре совпадает с направлением бороздок на пластине. В обычном состоянии ЖК-ячейка является открытой, поскольку жидкие кристаллы поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света. Поэтому плоскополяризованное излучение, образующееся после прохождения первого поляризатора, пройдет и через второй поляризатор, так как ось его поляризации будет параллельна направлению поляризации падающего излучения. Под воздействием электрического поля, создаваемого прозрачными электродами, молекулы жидкокристаллического слоя меняют свою пространственную ориентацию, выстраиваясь вдоль направления силовых линий поля. В этом случае жидкокристаллический слой теряет способность поворачивать плоскость поляризации падающего света, и система становится оптически непрозрачной, так как весь свет поглощается выходным поляризующим фильтром. В зависимости от приложенного напряжения между управляющими электродами можно менять ориентацию молекул вдоль по полю не полностью, а лишь частично, то есть регулировать степень скрученности ЖК-молекул. Это, в свою очередь, позволяет менять интенсивность света, проходящего через ЖК-ячейку. Таким образом, установив лампу подсветки позади ЖК-матрицы и меняя напряжение между электродами, можно варьировать степень прозрачность одной ЖК-ячейки. TN-матрицы являются наиболее распространенными и дешевыми. Им свойственны определенные недостатки: не очень большие углы обзора, невысокая контрастность и невозможность получить идеальный черный цвет. Дело в том, что даже при приложении максимального напряжения к ячейке невозможно до конца раскрутить ЖК-молекулы и сориентировать их вдоль силовых линий поля. Поэтому такие матрицы даже при полностью выключенном пикселе остаются слегка прозрачными. Второй недостаток связан с небольшими углами обзора. Для частичного его устранения на поверхность монитора наносится специальная рассеивающая пленка, что позволяет увеличить угол обзора. Данная технология получила название TN+Film, что указывает на наличие этой пленки. Узнать, какой именно тип матрицы применяется в мониторе, не так-то просто. Однако если на мониторе имеется «битый» пиксель, возникший вследствие выхода из строя управляющего ЖК-ячейкой транзистора, то в TN-матрицах он всегда будет ярко гореть (красным, зеленым или синим цветом), поскольку для TN-матрицы открытый пиксель соответствует отсутствию напряжения на ячейке. Распознать TN-матрицу можно и посмотрев на черный цвет при максимальной яркости - если он скорее серый, чем черный, то это, вероятно, именно TN-матрица.

IPS-матрицы

Структура IPS-ячейки

Мониторы с IPS-матрицей называют также Super TFT-мониторами. Отличительной особенностью IPS-матриц является то, что управляющие электроды расположены в них в одной плоскости на нижней стороне ЖК-ячейки. При отсутствии напряжения между электродами ЖК-молекулы расположены параллельно друг другу, электродам и направлению поляризации нижнего поляризующего фильтра. В этом состоянии они не влияют на угол поляризации проходящего света, и свет полностью поглощается выходным поляризующим фильтром, поскольку направления поляризации фильтров перпендикулярны друг другу. При подаче напряжения на управляющие электроды создаваемое электрическое поле поворачивает ЖК-молекулы на 90° так, что они ориентируются вдоль силовых линий поля. Если через такую ячейку пропустить свет, то за счет поворота плоскости поляризации верхний поляризующий фильтр пропустит свет без помех, то есть ячейка окажется в открытом состоянии (рис. 4). Варьируя напряжение между электродами, можно заставлять ЖК-молекулы поворачиваться на любой угол, меняя тем самым прозрачность ячейки. Во всем остальном IPS-ячейки подобны TN-матрицам: цветное изображение также формируется за счет использования трех цветовых фильтров. IPS-матрицы имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с TN-матрицами. Преимуществом является тот факт, что в данном случае получается идеально черный цвет, а не серый, как в TN-матрицах. Другим неоспоримым преимуществом данной технологии являются большие углы обзора. К недостаткам IPS-матриц стоит отнести большее, чем для TN-матриц, время реакции пикселя. Впрочем, к вопросу о времени реакции пикселя мы еще вернемся. В заключение отметим, что существуют различные модификации IPS-матриц (Super IPS, Dual Domain IPS), позволяющие улучшить их характеристики.

MVA-матрицы

Доменная структура MVA-ячейки

MVA является развитием технологии VA, то есть технологии с вертикальным упорядочиванием молекул. В отличие от TN- и IPS-матриц, в данном случае используются жидкие кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией, которые ориентируются перпендикулярно к направлению линий электрического поля. В отсутствие напряжения между обкладками ЖК-ячейки все жидкокристаллические молекулы ориентированы вертикально и не оказывают никакого влияния на плоскость поляризации проходящего света. Поскольку свет проходит через два скрещенных поляризатора, он полностью поглощается вторым поляризатором и ячейка оказывается в закрытом состоянии, при этом, в отличие от TN-матрицы, возможно получение идеально черного цвета. Если к электродам, расположенным сверху и снизу, прикладывается напряжение, молекулы поворачиваются на 90°, ориентируясь перпендикулярно к линиям электрического поля. При прохождении плоскополяризованного света через такую структуру плоскость поляризации поворачивается на 90° и свет свободно походит через выходной поляризатор, то есть ЖК-ячейка оказывается в открытом состоянии. Достоинствами систем с вертикальным упорядочиванием молекул являются возможность получения идеально черного цвета (что, в свою очередь, сказывается на возможности получения высококонтрастных изображений) и малое время реакции пикселя. С целью увеличения углов обзора в системах с вертикальным упорядочиванием молекул используется мультидоменная структура, что и приводит к созданию матриц типа MVA. Смысл этой технологии заключается в том, что каждый субпиксел разбивается на несколько зон (доменов) с использованием специальных выступов, которые несколько меняют ориентацию молекул, заставляя их выравниваться по поверхности выступа. Это приводит к тому, что каждый такой домен светит в своем направлении (в пределах некоторого телесного угла), а совокупность всех направлений расширяет угол обзора монитора. К достоинствам MVA-матриц следует отнести высокую контрастность (благодаря возможности получения идеально черного цвета) и большие углы обзора (вплоть до 170°). В настоящее время существует несколько разновидностей технологии MVA, например PVA (Patterned Vertical Alignment) компании Samsung, MVA-Premium и др., которые в еще большей степени повышают характеристики MVA-матриц.

Яркость

Сегодня в ЖК-мониторах максимальная яркость, заявляемая в технической документации, составляет от 250 до 500 кд/м2. И если яркость монитора достаточна высока, то это обязательно указывается в рекламных буклетах и преподносится как одно из основных преимуществ монитора. Впрочем, как раз в этом кроется один из подводных камней. Парадокс заключается в том, что ориентироваться на цифры, указанные в технической документации, нельзя. Это касается не только яркости, но и контраста, углов обзора и времени реакции пикселя. Мало того, что они могут вовсе не соответствовать реально наблюдаемым значениям, иногда вообще трудно понять, что означают эти цифры. Прежде всего, существуют разные методики измерения, описанные в различных стандартах; соответственно измерения, проводимые по разным методикам, дают различные результаты, причем вы вряд ли сможете выяснить, по какой именно методике и как проводились измерения. Вот один простой пример. Измеряемая яркость зависит от цветовой температуры, но когда говорят, что яркость монитора составляет 300 кд/м2, то возникает вопрос: при какой цветовой температуре достигается эта самая максимальная яркость? Более того, производители указывают яркость не для монитора, а для ЖК-матрицы, что совсем не одно и то же. Для измерения яркости используются специальные эталонные сигналы генераторов с точно заданной цветовой температурой, поэтому характеристики самого монитора как конечного изделия могут существенно отличаться от заявленных в технической документации. А ведь для пользователя первостепенное значение имеют характеристики собственно монитора, а не матрицы. Яркость является для ЖК-монитора действительно важной характеристикой. К примеру, при недостаточной яркости вы вряд ли сможете играть в различные игры или просматривать DVD-фильмы. Кроме того, окажется некомфортной работа за монитором в условиях дневного освещения (внешней засветки). Однако делать на этом основании вывод, что монитор с заявленной яркостью 450 кд/м2 чем-то лучше монитора с яркостью 350 кд/м2, было бы преждевременно. Во-первых, как уже отмечалось, заявленная и реальная яркость - это не одно и то же, а во-вторых, вполне достаточно, чтобы ЖК-монитор имел яркость 200-250 кд/м2 (но не заявленную, а реально наблюдаемую). Кроме того, немаловажное значение имеет и тот факт, каким образом регулируется яркость монитора. С точки зрения физики регулировка яркости может производиться путем изменения яркости ламп подсветки. Это достигается либо за счет регулировки тока разряда в лампе (в мониторах в качестве ламп подсветки используются лампы дневного света с холодным катодом Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL), либо за счет так называемой широтно-импульсной модуляции питания лампы. При широтно-импульсной модуляции напряжение на лампу подсветки подается импульсами определенной длительности. В результате лампа подсветки светится не постоянно, а только в периодически повторяющиеся интервалы времени, но за счет инертности зрения создается впечатление, что лампа горит постоянно (частота следования импульсов составляет более 200 Гц). Очевидно, что, меняя ширину подаваемых импульсов напряжения, можно регулировать среднюю яркость свечения лампы подсветки. Кроме регулирования яркости монитора за счет лампы подсветки, иногда это регулировка осуществляется самой матрицей. Фактически, к управляющему напряжению на электродах ЖК-ячейки добавляется постоянная составляющая. Это позволяет полностью открывать ЖК-ячейку, но не позволяет полностью ее закрывать. В этом случае при увеличении яркости черный цвет перестает быть черным (матрица становится частично прозрачной даже при закрытой ЖК-ячейке).

Контрастность

Не менее важной характеристикой ЖК-монитора является его контрастность, которая определяется как отношение яркости белого фона к яркости черного фона. Теоретически контрастность монитора не должна зависеть от установленного на мониторе уровня яркости, то есть при любом уровне яркости измеренный контраст должен иметь одно и то же значение. Действительно, яркость белого фона пропорциональна яркости лампы подсветки. В идеальном случае отношение коэффициентов пропускания света ЖК-ячейкой в открытом и закрытом состоянии является характеристикой самой ЖК-ячейки, однако на практике это отношение может зависеть и от установленной цветовой температуры, и от установленного уровня яркости монитора. За последнее время контрастность изображения на цифровых мониторах заметно выросла, и сейчас этот показатель нередко достигает значения 500:1. Но и здесь все не так просто. Дело в том, что контраст может указываться не для монитора, а для матрицы. Впрочем, как показывает опыт, если в паспорте указывается контраст более 350:1, то этого вполне достаточно для нормальной работы.

Угол обзора

Максимальный угол обзора (как по вертикали, так и по горизонтали) определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения в центре составляет не менее 10:1. Некоторые производители матриц при определении углов обзора используют контрастность не 10:1, а 5:1, что также вносит некоторую путаницу в технические характеристики. Формальное определение углов обзора довольно туманно и, что самое главное, не имеет прямого отношения к правильности цветопередачи при просмотре изображения под углом. На самом деле для пользователей куда более важным обстоятельством является тот факт, что при просмотре изображения под углом к поверхности монитора происходит не падение контрастности, а цветовые искажения. К примеру, красный цвет превращается в желтый, а зеленый - в синий. Причем подобные искажения у разных моделей проявляются по-разному: у некоторых они становятся заметными уже при незначительном угле, много меньшем угла обзора. Поэтому сравнивать мониторы по углам обзора в принципе неправильно. Сравнить-то можно, но вот практического значения такое сравнение не имеет.

Время реакции пикселя

Типичная временная диаграмма включения пикселя для TN+Film-матрицы

Типичная временная диаграмма выключения пикселя для TN+Film-матрицы

Время реакции, или время отклика пикселя, как правило, указывается в технической документации на монитор и считается одной из важнейших характеристик монитора (что не совсем верно). В ЖК-мониторах время реакции пикселя, которое зависит от типа матрицы, измеряется десятками миллисекунд (в новых TN+Film-матрицах время реакции пикселя составляет 12 мс), а это приводит к смазанности меняющейся картинки и может быть заметно на глаз. Различают время включения и время выключения пикселя. Под временем включения пикселя понимается промежуток времени, необходимый для открытия ЖК-ячейки, а под временем выключения - промежуток времени, необходимый для ее закрытия. Когда же говорят о времени реакции пикселя, то понимают суммарное время включения и выключения пикселя. Время включения пикселя и время его выключения могут существенно различаться. Когда говорят о времени реакции пикселя, указываемом в технической документации на монитор, то имеют в виду время реакции именно матрицы, а не монитора. Кроме того, время реакции пикселя, указываемое в технической документации, различными производителями матриц трактуется по-разному. К примеру, один из вариантов трактовки времени включения (выключения) пикселя заключается в том, что это время изменения яркости пикселя от 10 до 90% (от 90 до 10%). До сих пор, говоря об измерении времени реакции пикселя, подразумевается, что речь идет о переключениях между черным и белым цветами. Если с черным цветом вопросов не возникает (пиксель просто закрыт), то выбор белого цвета не очевиден. Как будет меняться время реакции пикселя, если измерять его при переключении между различными полутонами? Этот вопрос имеет огромное практическое значение. Дело в том, что переключение с черного фона на белый или, наоборот, в реальных приложениях встречается сравнительно редко. В большинстве приложений реализуются, как правило, переходы между полутонами. И если время переключения между черным и белым цветами окажется меньше, чем время переключения между градациями серого, то никакого практического значения время реакции пикселя иметь не будет и ориентироваться на эту характеристику монитора нельзя. Какой же вывод можно сделать из вышеизложенного? Все очень просто: заявляемое производителем время реакции пикселя не позволяет однозначно судить о динамической характеристике монитора. Более правильно в этом смысле говорить не о времени переключения пикселя между белым и черным цветами, а о среднем времени переключения пикселя между полутонами.

Количество отображаемых цветов

Все мониторы по своей природе являются RGB-устройствами, то есть цвет в них получается за счет смешения в различных пропорциях трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Таким образом, каждый ЖК-пиксель состоит из трех цветных субпикселов. Кроме полностью закрытого или полностью открытого состояния ЖК-ячейки, возможны и промежуточные состояния, когда ЖК-ячейка частично открыта. Это позволяет формировать цветовой оттенок и смешивать цветовые оттенки базовых цветов в нужных пропорциях. При этом количество воспроизводимых монитором цветов теоретически зависит от того, сколько цветовых оттенков можно сформировать в каждом цветовом канале. Частичное открытие ЖК-ячейки достигается за счет подачи требуемого уровня напряжения на управляющие электроды. Поэтому количество воспроизводимых цветовых оттенков в каждом цветовом канале зависит от того, сколько различных уровней напряжений можно подавать на ЖК-ячейку. Для формирования произвольного уровня напряжения потребуется использование схем ЦАП с большой разрядностью, что крайне дорого. Поэтому в современных ЖК-мониторах чаще всего применяют 18-битные ЦАП и реже - 24-битные. При использовании 18-битной ЦАП на каждый цветовой канал приходится по 6 бит. Это позволяет сформировать 64 (26=64) различных уровня напряжения и соответственно получить 64 цветовых оттенка в одном цветовом канале. Всего же за счет смешения цветовых оттенков разных каналов возможно создание 262 144 цветовых оттенков. При использовании 24-битной матрицы (24-битная схема ЦАП) на каждый канал приходится по 8 бит, что позволяет сформировать уже 256 (28=256) цветовых оттенков в каждом канале, а всего такая матрица воспроизводит 16 777 216 цветовых оттенков. В то же время для многих 18-битных матриц в паспорте указывается, что они воспроизводят 16,2 млн. цветовых оттенков. В чем же тут дело и возможно ли такое? Оказывается, что в 18-битных матрицах за счет всяческих ухищрений можно приблизить количество цветовых оттенков к тому, что воспроизводится настоящими 24-битными матрицами. Для экстраполяции цветовых оттенков в 18-битных матрицах используются две технологии (и их комбинации): dithering (дизеринг) и FRC (Frame Rate Control). Суть технологии дизеринга заключается в том, что недостающие цветовые оттенки получают за счет смешения ближайших цветовых оттенков соседних пикселов. Рассмотрим простой пример. Предположим, что пиксель может находиться только в двух состояниях: открытом и закрытом, причем закрытое состояние пикселя формирует черный цвет, а открытое - красный. Если вместо одного пикселя рассмотреть группу из двух пикселов, то, кроме черного и красного, можно получить еще и промежуточный цвет, осуществив тем самым экстраполяцию от двухцветного режима к трехцветному. В результате если первоначально такой монитор мог генерировать шесть цветов (по два на каждый канал), то после такого дизеринга он будет воспроизводить уже 27 цветов. Схема дизеринга имеет один существенный недостаток: увеличение цветовых оттенков достигается за счет уменьшения разрешения. Фактически при этом увеличивается размер пикселя, что может негативно сказаться при прорисовке деталей изображения. Суть технологии FRC заключается в манипуляции яркостью отдельных субпикселов с помощью их дополнительного включения/выключения. Как и в предыдущем примере, считается, что пиксель может быть либо черным (выключен), либо красным (включен). Каждый субпиксел получает команду на включение с частотой кадровой развертки, то есть при частоте кадровой развертки 60 Гц каждый субпиксел получает команду на включение 60 раз в секунду. Это позволяет генерировать красный цвет. Если же принудительно заставлять включаться пиксель не 60 раз в секунду, а только 50 (на каждом 12-м такте производить не включение, а выключение пикселя), то в результате яркость пикселя составит 83% от максимальной, что позволит сформировать промежуточный цветовой оттенок красного. Оба рассмотренных метода экстраполяции цвета имеют свои недостатки. В первом случае - это возможное мерцание экрана и некоторое увеличение времени реакции, а во втором - вероятность потери деталей изображения. Отличить на глаз 18-битную матрицу с экстраполяцией цвета от истинной 24-битной довольно сложно. При этом стоимость 24-битной матрицы значительно выше.

Принцип действия TFT-LCD дисплеев

Общий принцип формирования изображения на экране хорошо иллюстрирует рис. 1. А вот как управлять яркостью отдельных субпикселей? Новичкам обычно объясняют так: за каждым субпикселем стоит жидкокристаллическая заслонка. В зависимости от приложенного к ней напряжения она пропускает больше или меньше света от задней лампы подсветки. И все сразу представляют себе некие заслонки на маленьких петельках, которые поворачиваются на нужный угол... примерно так:

На самом деле, конечно, всё гораздо сложнее. Нет никаких материальных заслонок на петлях. В реальной жидкокристаллической матрице световой поток управляется примерно так:

Свет от лампы подсветки (идём по картинке снизу вверх) первым делом проходит сквозь нижний поляризующий фильтр (белая заштрихованная пластина). Теперь это уже не обычный поток света, а поляризованный. Дальше свет проходит через полупрозрачные управляющие электроды (жёлтые пластинки) и встречает на своём пути слой жидких кристаллов. Изменением управляющего напряжения поляризацию светового потока можно менять на величину до 90 градусов (на картинке слева), или оставлять неизменной (там же справа). Внимание, начинается самое интересное! После слоя жидких кристаллов расположены светофильтры и тут каждый субпиксель окрашивается в нужный цвет – красный, зелёный или синий. Если посмотреть на экран, убрав верхний поляризующий фильтр – мы увидим миллионы светящихся субпикселей – и каждый светится с максимальной яркостью, ведь наши глаза не умеют различать поляризацию света. Иными словами, без верхнего поляризатора мы увидим просто равномерное белое свечение по всей поверхности экрана. Но стоит поставить верхний поляризующий фильтр на место – и он «проявит» все изменения, которые произвели с поляризацией света жидкие кристаллы. Некоторые субпиксели так и останутся ярко светящимися, как левый на рисунке, у которого поляризация была изменена на 90 градусов, а некоторые погаснут, ведь верхний поляризатор стоит в противофазе нижнему и не пропускает света с дефолтной (той, что по умолчанию) поляризацией. Есть и субпиксели с промежуточной яркостью – поляризация потока света, прошедшего через них, была развёрнута не на 90, а на меньшее число градусов, например, на 30 или 55 градусов.

Плюсы и минусы

Условные обозначения: (+) достоинство, (~) допустимо, (-) недостаток
	ЖК-мониторы	ЭЛТ-мониторы
Яркость	(+) от 170 до 250 Кд/м2	(~) от 80 до 120 Кд/м2
Контрастность	(~) от 200:1 до 400:1	(+) от 350:1 до 700:1
Угол обзора (по контрасту)	(~) от 110 до 170 градусов	(+) свыше 150 градусов
Угол обзора (по цвету)	(-) от 50 до 125 градусов	(~) свыше 120 градусов
Разрешение	(-) Одно разрешение с фиксированным размером пикселей. Оптимально можно использовать только в этом разрешении; в зависимости от поддерживаемых функций расширения или компрессии можно ис-пользовать более высокое или более низ-кое разрешение, но они не оптимальны.	(+) Поддерживаются различные разреше-ния. При всех поддерживаемых разреше-ниях монитор можно использовать опти-мальным образом. Ограничение наклады-вается только приемлемостью частоты регенерации.
Частота вертикальной развертки	(+) Оптимальная частота 60 Гц, чего дос-таточно для отсутствия мерцания	(~) Только при частотах свыше 75 Гц от-сутствует явно заметное мерцание
Ошибки совмещения цветов	(+) нет	(~) от 0.0079 до 0.0118 дюйма (0.20 - 0.30 мм)
Фокусировка	(+) очень хорошая	(~) от удовлетворительной до очень хоро-шей>
Геометрические/линейные искажения	(+) нет	(~) возможны
Неработающие пиксе-ли	(-) до 8	(+) нет
Входной сигнал	(+) аналоговый или цифровой	(~) только аналоговый
Масштабирование при разных разрешениях	(-) отсутствует или используются методы интерполяции, не требующие больших накладных расходов	(+) очень хорошее
Точность отображения цвета	(~) Поддерживается True Color и имитиру-ется требуемая цветовая температура	(+) Поддерживается True Color и при этом на рынке имеется масса устройств калиб-ровки цвета, что является несомненным плюсом
Гамма-коррекция (подстройка цвета под особенности человече-ского зрения)	(~) удовлетворительная	(+) фотореалистичная
Однородность	(~) часто изображение ярче по краям	(~) часто изображение ярче в центре
Чистота цвета/качество цвета	(~) хорошее	(+) высокое
Мерцание	(+) нет	(~) незаметно на частоте выше 85 Гц
Время инерции	(-) от 20 до 30 мсек.	(+) пренебрежительно мало
Формирование изображения	(+) Изображение формируется пикселями, число которых зависят только от конкретного разрешения LCD панели. Шаг пикселей зависит только от размера самих пикселей, но не от расстояния между ними. Каждый пиксель формируется индивидуально, что обеспечивает великолепную фокусировку, ясность и четкость. Изображение получается более целостным и гладким	(~) Пиксели формируются группой точек (триады) или полосок. Шаг точки или ли-нии зависит от расстояния между точками или линиями одного цвета. В результате четкость и ясность изображения сильно зависит от размера шага точки или шага линии и от качества ЭЛТ
Энергопотребление и излучения	(+) Практически никаких опасных электромагнитных излучений нет. Уровень потребления энергии примерно на 70% ниже, чем у стандартных CRT мониторов (от 25 до 40 Вт).	(-) Всегда присутствует электромагнитное излучение, однако их уровень зависит от того, соответствует ли ЭЛТ какому-либо стандарту безопасности. Потребление энергии в рабочем состоянии на уровне 60 - 150 Вт.
Размеры/вес	(+) плоский дизайн, малый вес	(-) тяжелая конструкция, занимает много места
Интерфейс монитора	(+) Цифровой интерфейс, однако, большинство LCD мониторов имеют встроенный аналоговый интерфейс для подключения к наиболее распространенным аналоговым выходам видеоадаптеров	(-) Аналоговый интерфейс

Литература

• А.В.Петроченков “Hardware-компьютер и периферия “, -106стр.ил.
• В.Э.Фигурнов “IBM PC для пользователя “, -67стр.
• “HARD "n" SOFT “ (компьютерный журнал для широкого круга пользователей) №6 2003г.
• Н.И.Гурин “Работа на персональном компьютере “,-128стр.

LCD (Liquid crystal display) или ЖК (жидкокристаллический) телевизор, как их называют в народе - это телевизор с ЖК дисплеем и ламповой подсветкой. Жидкокристаллический , означает, что сам дисплей (монитор) сделан на основе жидких кристаллов

LCD TFT (англ. Thin film transistor - тонкоплёночный транзистор) - разновидность жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая тонкоплёночными транзисторами . Усилитель для каждого субпикселя (элемента матрицы) применяется для повышения быстродействия, контрастности и чёткости изображения дисплея

Немного истории:

Жидкие кристаллы впервые были обнаружены австрийским ботаником Райнитцером в 1888 г., но только в 1930 -м году исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение, однако, слабость технологической базы не позволяла в то время активно развивать это направление.

Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон и Вильямс из американской корпорации RCA . Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот, в конце 1966 г., корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD-монитора - цифровые часы . Первый в мире калькулятор - CS10A был произведен в 1964 году корпорацией Sharp , она же, в октябре 1975 года, выпустила первые компактные цифровые часы с ЖК дисплеем. К сожалению, фоток не нашёл, а вот эти часы и калькулятор - ещё помнят многие

Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных ЖК индикаторов к производству матриц с адресацией (возможностью управления) каждой точки. Так, в 1976 году, компания Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Следующий этап в развитии LCD-технологии начался в 80-х годах, когда в устройствах стали применяться STN-элементы с повышенной контрастностью. Затем на смену им пришли многослойные структуры, позволяющие устранить ошибки при воспроизведении цветного изображения. Примерно тогда же появились активные матрицы на базе технологии a-Si TFT . Первый прототип монитора a-Si TFT LCD был создан в 1982 году корпорациями Sanyo , Toshiba и Cannon , ну а мы, в это время, любили играться вот такими игрушками с ЖК дисплеем

Сейчас ЖК дисплеи практически полностью вытеснили с рынка кинескопные телевизоры, предлагая покупателю любые размеры: от переносных и небольших "кухонных", до огромных, с диагоналями более метра. Ценовой диапазон так же весьма велик и позволяет каждому подобрать телевизор по своим потребностям и финансовым возможностям

Схемотехника LCD телевизоров гораздо сложнее, чем у простых кинескопных ТВ: миниатюрные детали, многослойные платы, дорогостоящие блоки... Вот, кому интересно, телевизор с ЖК панелью без задней крышки, а если снять специальные защитные экраны, можно будет увидеть другие участки схемы, только лучше этого не делать, оставьте это мастерам

Устройство и принцип работы:

Работа ЖК дисплея (ЖКД) основана на явлении поляризации светового потока . Известно, что так называемые кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Этот эффект называется поляризацией света .

Если совсем по простому , представьте "свет" в виде маленьких круглых шариков, если на его пути поставить сетку с продольными вырезами (поляризатор), то, после неё, из "шариков" останутся только плоские "блинчики" (поляризованный свет). Теперь, если вторая сетка будет с такими же продольными вырезами, блинчики смогут "проскочить" через неё и "светить" дальше, если же вторая сетка будет иметь вертикальные прорези, то световые горизонтальные "блинчики" не смогут пройти сквозь неё и "застрянут"

Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного жгута и обрамления (корпуса ), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.

Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной, хотя уроверь потерь - немалый.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры, степенью прозрачности можно управлять, изменяя приложенное напряжение.

В качестве источника света (подсветки ЖК-матрицы) используются флуоресцентные лампы с холодным катодом (называются они так, потому что катод, испускающий электроны (отрицательный электрод) внутри лампы необязательно нагревать выше окружающей температуры, чтобы лампочка зажглась). Вот так может выглядеть лампа для LCD телевизора, на правом фото - "ламповая сборка в работе" для телевизора с большой диагональю ЖК-дисплея:

Сами лампы (белого яркого свечения) располагаются в специальных корпусных фиксаторах , позади их - отражатель , для уменьшения потерь светового потока. Для того, чтобы ЖК-матрица засветилась равномерно (а не полосато, как лампы установлены ), перед экраном находится рассеиватель , который равномерно распределяет световой поток по всей своей площади. К сожалению, в этом месте так же происходит немалая потеря "яркости" свечения ламп

Современные ЖК-матрицы имеют достаточно хороший угол обзора (около 160 градусов) без потери качества изображения (красок, яркости), самое неприятное, что на них можно увидеть - это вот такие битые пиксели , однако, учитывая то, что их размер очень мал, один-два таких "прогоревших" пикселя не сильно будут мешать просмотру фильмов и передач, а вот на экране монитора - это уже может быть достаточно неприятно

Преимущества и недостатки:

По сравнению с кинескопными телевизорами, ЖК-панели имеют отличную фокусировку и чёткость, нет ошибок сведения лучей или нарушения геометрии изображения, экран никогда не мерцает, они легче и занимают меньше места К минусам можно отнести слабоватую (по сравнению с кинескопными) яркость и контрастность, матрица не такая прочная, как экран кинескопа, набор цифровых тормозов и глюков при аналоговом или слабом сигнале, а так же плохой обработке исходного материала

Сейчас технология плоскопанельных мониторов, и жидкокристаллических в том числе, является наиболее перспективной. Хотя в настоящее время на долю ЖК-мониторов приходится лишь около 10% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).

Принцип работы

Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.
Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 г. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот в конце 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD-монитора – цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.
Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.
Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-дисплеи для настольных компьютеров.

Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой [см. рис. 2.1]. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).

Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели [см. рис. 2.2].
При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы [см. рис. 2.3].
Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем [см. рис 2.4а].

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) [см. рис 2.4б]. Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут иметь любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.
Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.
Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 20" и более LCD мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN технологии.

Преимущества и недостатки ЖК-мониторов

Среди преимуществ TFT можно отметить отличную фокусировку, отсутствие геометрических искажений и ошибок совмещения цветов. Кроме того, у них никогда не мерцает экран. Почему? Ответ прост - в этих дисплеях не используется электронный луч, рисующий слева направо каждую строку на экране. Когда в ЭЛТ этот луч переводится из правого нижнего в левый верхний угол, изображение на мгновение гаснет (обратный ход луча). Напротив, пиксели дисплея TFT никогда не гаснут, они просто непрерывно меняют интенсивность своего свечения.
В таблице 1.1 показаны все главные отличия рабочих характеристик для разных типов дисплеев:

Таблица 1.1. Сравнительные характеристики ЭЛТ и ЖК-мониторов.

Условные обозначения: (+ ) достоинство, (~ ) допустимо, (- ) недостаток

	ЖК-мониторы	ЭЛТ-мониторы
Яркость	(+ ) от 170 до 250 Кд/м 2	(~ ) от 80 до 120 Кд/м 2
Контрастность	(~ ) от 200:1 до 400:1	(+ ) от 350:1 до 700:1
Угол обзора (по контрасту)	(~ ) от 110 до 170 градусов	(+ ) свыше 150 градусов
Угол обзора (по цвету)	(- ) от 50 до 125 градусов	(~ ) свыше 120 градусов
Разрешение	(- ) Одно разрешение с фиксированным размером пикселей. Оптимально можно использовать только в этом разрешении; в зависимости от поддерживаемых функций расширения или компрессии можно использовать более высокое или более низкое разрешение, но они не оптимальны.	(+ ) Поддерживаются различные разрешения. При всех поддерживаемых разрешениях монитор можно использовать оптимальным образом. Ограничение накладывается только приемлемостью частоты регенерации.
Частота вертикальной развертки	(+ ) Оптимальная частота 60 Гц, чего достаточно для отсутствия мерцания	(~ ) Только при частотах свыше 75 Гц отсутствует явно заметное мерцание
Ошибки совмещения цветов	(+ ) нет	(~ ) от 0.0079 до 0.0118 дюйма (0.20 - 0.30 мм)
Фокусировка	(+ ) очень хорошая	(~ ) от удовлетворительной до очень хорошей>
Геометрические/ линейные искажения	(+ ) нет	(~ ) возможны
Неработающие пиксели	(- ) до 8	(+ ) нет
Входной сигнал	(+ ) аналоговый или цифровой	(~ ) только аналоговый
Масштабирование при разных разрешениях	(- ) отсутствует или используются методы интерполяции, не требующие больших накладных расходов	(+ ) очень хорошее
Точность отображения цвета	(~ ) Поддерживается True Color и имитируется требуемая цветовая температура	(+ ) Поддерживается True Color и при этом на рынке имеется масса устройств калибровки цвета, что является несомненным плюсом
Гамма-коррекция (подстройка цвета под особенности человеческого зрения)	(~ ) удовлетворительная	(+ ) фотореалистичная
Однородность	(~ ) часто изображение ярче по краям	(~ ) часто изображение ярче в центре
Чистота цвета/качество цвета	(~ ) хорошее	(+ ) высокое
Мерцание	(+ ) нет	(~ ) незаметно на частоте выше 85 Гц
Время инерции	(- ) от 20 до 30 мсек.	(+ ) пренебрежительно мало
Формирование изображения	(+ ) Изображение формируется пикселями, число которых зависят только от конкретного разрешения LCD панели. Шаг пикселей зависит только от размера самих пикселей, но не от расстояния между ними. Каждый пиксель формируется индивидуально, что обеспечивает великолепную фокусировку, ясность и четкость. Изображение получается более целостным и гладким	(~ ) Пиксели формируются группой точек (триады) или полосок. Шаг точки или линии зависит от расстояния между точками или линиями одного цвета. В результате четкость и ясность изображения сильно зависит от размера шага точки или шага линии и от качества ЭЛТ
Энергопотребление и излучения	(+ ) Практически никаких опасных электромагнитных излучений нет. Уровень потребления энергии примерно на 70% ниже, чем у стандартных CRT мониторов (от 25 до 40 Вт).	(- ) Всегда присутствует электромагнитное излучение, однако их уровень зависит от того, соответствует ли ЭЛТ какому-либо стандарту безопасности. Потребление энергии в рабочем состоянии на уровне 60 - 150 Вт.
Размеры/вес	(+ ) плоский дизайн, малый вес	(- ) тяжелая конструкция, занимает много места
Интерфейс монитора	(+ ) Цифровой интерфейс, однако, большинство LCD мониторов имеют встроенный аналоговый интерфейс для подключения к наиболее распространенным аналоговым выходам видеоадаптеров	(- ) Аналоговый интерфейс

Из таблицы 1.1 следует, что дальнейшее развитие ЖК-мониторов будет связано с повышением четкости и яркости изображения, увеличением угла обзора и уменьшением толщины экрана. Так, например, уже существуют перспективные разработки LCD-мониторов, выполненных по технологии с использованием поликристаллического кремния. Это позволяет, в частности, создавать очень тонкие устройства, поскольку микросхемы управления размещаются в этом случае непосредственно на стеклянной подложке дисплея. Кроме того, новая технология обеспечивает высокую разрешающую способность на сравнительно небольшом по размеру экране (1024x768 точек на 10,4-дюймовом экране).

STN, DSTN, TFT, S-TFT

STN - это сокращение, означающее "Super Twisted Nematic".Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD дисплея с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.
Часто STN ячейки используются в паре. Такая конструкция называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в "запертом" состоянии, теряет большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки -- их обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало [см. рис. 2.5], поэтому большинство LCD-матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям (это не относится к настольным ЖК мониторам).

Также STN ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.
Термин пассивная матрица (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча, независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD дисплеев, которая была описана выше, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения.
Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные технологии, Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых подматриц (Dual Scan DSTN - два независимых поля развертки изображения), каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время инерции ЖК.
Также лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже.
В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (т.е. при угле обзора 120°-140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160° [см рис. 2.6], и есть все основания предполагать, что технология будет совершенствоваться и в дальнейшем. Активная матрица может отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, кроме того, контрастность мониторов с активной матрицей выше, чем у ЭЛТ-мониторов. Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофором ЭЛТ-монитора сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD мониторов достаточной является частота вертикальной развертки, равная 60 Гц.

Функциональные возможности LCD мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Частично проблема отсрочки затухания изображения в пассивных матрицах решается за счет использования большего числа жидкокристаллических слоев для увеличения пассивности и уменьшения перемещений, теперь же, при использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые "Thin Film Transistor" (или просто TFT).
Thin Film Transistor (TFT), т.е. тонкопленочный транзистор - это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1 - 0,01 микрона.
В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972г., использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si).
Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Заметим, что монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей в SVGA режиме и только с тремя цветами имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD дисплее. Правда, у каждого производителя свое мнение о том, какое количество транзисторов могут не работать.
Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов [см. рис. 2.7]. Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15.1" дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0.0188 дюйма (или 0.30 мм), а для 18.1" дисплея TFT - около 0.011 дюйма (или 0.28 мм).

TFT обладают рядом преимуществ перед ЭЛТ-мониторами, среди которых - пониженное потребление энергии и теплоотдача, плоский экран и отсутствие следа от движущихся объектов. Последние разработки позволяют получить изображение более высокого качества, чем обычные TFT.

Совсем недавно специалистами компании Hitachi была создана новая технология многослойных ЖК-панелей Super TFT, которая значительно увеличила угол уверенного обзора ЖК панели. Технология Super TFT использует простые металлические электроды, установленные на нижней стеклянной пластине и заставляет молекулы вращаться, постоянно находясь в плоскости, параллельной плоскости экрана [см. рис. 2.8]. Так как кристаллы обычной ЖК-панели поворачиваются к поверхности экрана оконечностями, то такие ЖКД более зависимы от угла зрения, чем ЖК-панели Hitachi с технологией Super TFT, В результате изображение на дисплее остается ярким и четким даже при больших углах обзора, достигая качества, сопоставимого с изображением на ЭЛТ-экране.

Японская компания NEC недавно объявила, что по качеству изображения ее LCD дисплеи вскоре достигнут уровня лазерных принтеров, перешагнув порог в 200 ppi, что соответствует 31 точке на мм 2 или шагу точек 0,18 мм. Как сообщили в NEC, применяемые сегодня многими производителями жидкие кристаллы TN (twisted nematic) позволяет строить дисплеи с разрешение до 400 точек на дюйм. Однако главным сдерживающим фактором в повышении разрешения является необходимость создания соответствующих светофильтров. В новой технологии "color filter on TFT" светофильтры, закрывающие тонкопленочные транзисторы, формируются с помощью фотолитографии на нижней стеклянной подложке. В обычных дисплеях светофильтры наносятся на вторую, верхнюю подложку, что требует очень точного совмещения двух пластин.

На прошедшей в 1999 году в США конференции "Society for information Display" было сделано несколько докладов, свидетельствующих об успехах в создании жидкокристаллических дисплеев на пластиковой подложке. Компания Samsung представила прототип монохромного дисплея на полимерном субстрате с диагональю 5,9 дюйма и толщиной 0,5 мм. Толщина самой подложки составляет около 0,12 мм. Дисплей имеет разрешение 480х320 точек и контрастность 4:1. Вес - всего 10 грамм.

Инженеры из Лаборатории кинотехники Университете Штуттгарта использовали не тонкопленочные транзисторы (TFT), а диоды MIM (металл-изолятор-металл). Последнее достижение этой команды - двухдюймовый цветной дисплей с разрешением 96х128 точек и коэффициентом контрастности 10:1.

Группа специалистов IBM разработала технологию производства тонкопленочных транзисторов с применением органических материалов, позволяющую изготавливать гибкие экраны для электронной книги и других устройств. Элементы разработанных IBM транзисторов напыляются на пластиковую подложку при комнатной температуре (традиционные LCD-дисплеи изготавливаются при высокой температуре, что исключает применение органических материалов). Вместо обычного диоксида кремния для изготовления затвора используется цирконат титоната бария (BZT). В качестве полупроводника применяется органическое вещество под названием пентацен (pentacene), представляющее собой соединение фенилэтиламмония с иодидом олова.

Для повышения разрешения LCD-экранов компания Displaytech предложила не создавать изображение на поверхности большого LCD-экрана, а вывести картинку на маленький дисплей высокого разрешения, а затем с помощью оптической проекционной системы увеличить ее до нужных размеров. При этом Displaytech использовала оригинальную технологию Ferroelectric LCD (FLCD). Она основана на так называемых кирально-смектических жидких кристаллах, предложенных для использования еще в 1980 г. Слой материала, обладающего ферроэлектрическими свойствами и способного отражать поляризованный свет с вращением плоскости поляризации, наносится на подающую управляющие сигналы CMOS-подложку. При прохождении отраженного светового потока через второй поляризатор возникает картинка из темных и светлых пикселов. Цветное изображение получается за счет быстрого чередования освещения матрицы красным, зеленым и синим светом.. На базе FLCD-матриц можно производить экраны большого размера с высокой контрастностью и качеством цветопередачи, с широкими углами обзора и малым временем отклика. В 1999 году альянс корпораций Hewlett-Packard и DisplayTech объявил о создании полноцветного микродисплея на базе технологии FLCD. Разрешение матрицы составляет 320х240 точек. Отличительными особенностями устройства являются малое энергопотребление и возможность воспроизведения полноцветного “живого” видео. Новый дисплей предназначен для использования в цифровых камерах, камкодерах, портативных коммуникаторах и мониторах для надеваемых компьютеров.

Развитием низкотемпературной технологии с использованием поликристаллического кремния LTPS занимается Toshiba. По словам представителей этой корпорации, они позиционируют новые устройства пока только как предназначенные для рынка мобильных устройств, не включая сюда ноутбуки, где господствует технология a-Si TFT. Уже выпускаются VGA-дисплеи размером 4 дюйма, а на подходе 5,8-дюймовые матрицы. Специалисты полагают, что 2 млн. пикселов на экране - это далеко не предел. Одной из отличительных черт данной технологии является высокая разрешающая способность.

По оценкам экспертов корпорации DisplaySearch, занимающейся исследованиями рынка плоских дисплеев, в настоящее время при изготовлении практически любых жидкокристаллических матриц происходит замена технологий: TN LCD (Twisted Nematic Liquid Crystal Display) на STN (Super TN LCD) и особенно на a-Si TFT LCD (amorphous-Silicon Thin Film Transistor LCD). В ближайшие 5-7 лет во многих областях применения обычные LCD-экраны будут заменены или дополнены следующими устройствами:

• микродисплеи;
• светоизлучающие дисплеи на базе органических материалов LEP;
• дисплеи на базе автоэлектронной эмиссии FED (Field Emisson Display);
• дисплеи с использованием низкотемпературного поликристаллического кремния LTPS (Low Temperature PolySilicon);
• плазменные дисплеи PDP (Plasma Display Panel).

Взято с http://monitors.narod.ru