论文总字数：23694字

摘 要

微型显示器迎合了当今时代对于显示器大信息量、高分辨率、低功耗、小尺寸等特性的要求。在以单晶硅为衬底的CMOS集成电路设计技术和以透明平板硬质基底为封装盒的LCD显示技术都发展日益成熟的同时，硅基液晶微型显示器(LCOS)顺理成章地成为了这个时代的产物。

硅基液晶微型显示器的像素电路设计需要考虑图片显示的亮度、对比度和清晰度等问题。像素电路的发展也经历了从Shields电路到改进的Mcknight电路，到本文研究的S.Lee的像素电路。像素电路的改进一直在推进。

本文重点对S.Lee的帧缓冲电路进行仿真、参数调整和分析，并尽可能地在减小电压损失以及提高工作帧频上对该电路提出改进。

本论文可以分为四个部分：

第一部分：介绍硅基液晶微型显示器的现状和研究背景，说明本论文研究的必要性。

第二部分：说明液晶显示器的工作原理和工作状态。

第三部分：介绍轨迹液晶微型显示器像素点路的发展历程和各自电路的工作原理。

第四部分：对S.Lee像素电路进行cadence电路仿真并优化电路参数。

第五部分：提出对S.Lee像素电路提出改进方案及个人想法，并仿真验证。

关键词： 硅基液晶，S.Lee像素电路，帧频，输出电压

Abstract

The technology of micro-display satisfies the demand of important display features like large-scale information, high resolution ratio, low power dissipation and small size. While the technology of CMOS integrated design on Silicon together with the technique of LCD display adapting the firm transparent plane base as packaging box is getting maturer and maturer, liquid crystal on Silicon, LCOS is the product of this era.

The design of LCOS should take the brightness of the picture, contrast ratio and definition into consideration. The pixel circuit has been improved from Shields pixel circuit to Mcknight pixel circuit and then to S.Lee pixel circuit in this article. The improvement of the pixel circuit never ends.

In this article, we mainly do some simulations, parameters’ adjustments and analysis based on S.Lee frame buffer pixel circuits, and will try to promote some useful advice on reducing the loss of output voltage and increasing the frame frequency.

This essay can be divided into five parts:

1. Introducing the current situation and background information about LCOS and explaining the necessity of writing this article.
2. Illustrating the theory and working mode of LCOS.
3. Introducing the history of pixel circuits of LCOS and giving a detailed presentation about different pixel circuits.
4. Simulating the S.Lee pixel circuit of LCOS in cadence environment and adjusting the parameters through simulation in order to improve the performance of the circuit.
5. Promoting some improvements on S.Lee pixel circuit and putting them into simulation and testing.

KEY WORDS: LCOS, S.Lee pixel circuits, frame frequency, output voltage

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 液晶显示器的背景知识 1

1.2.1 液晶的发展 1

1.2.2 液晶的分类 1

1.2.3 液晶显示器的工作原理 2

1.3 硅基液晶显示技术 4

1.3.1 LCOS工艺结构和工作原理 4

1.3.2 LCOS液晶显示器的特点 4

1.3.3 LCOS液晶显示器的应用和发展前景 5

1.4本文主要研究内容 5

1.4论文的结构安排 6

第二章 像素电路中的数字电路和模拟电路 7

2.1 像素电路设计中的CMOS数字集成电路知识 7

2.1.1晶体管的特性 7

2.1.2 CMOS反相器 8

2.1.3 CMOS传输门 9

2.2 像素电路设计中的模拟电路知识 9

2.2.1 模拟开关 10

2.2.2 有源负载 11

2.2.3 电容器 12

第三章 像素电路 13

3.1 像素电路的准备工作 13

3.1.1 电路设计仿真环境和工具 13

3.1.2 单元像素电路的工作原理 15

3.1.3单元像素电路的电压自举现象 15

3.1.4像素电路的驱动 16

3.2多种像素电路 18

3.2.1 Shields像素电路 18

3.2.2 Mcknight像素电路 19

3.2.3 宋玉龙像素电路 20

3.2.4 S.Lee像素电路 21

3.2.5 四种像素电路的对比 22

3.3 S.Lee像素电路的仿真和优化 22

3.3.1 S.Lee像素电路的参数调节和仿真 22

3.3.2 S.Lee像素电路的优化 24

第四章 总结 28

4.1 课题任务总结 28

4.2 课题展望 29

致谢 30

参考文献 31

第一章 绪 论

1.1 引言

二十一世界是信息大爆炸的时代，图像、声音是信息传播的主要方式。时代的发展催生了显示技术的发展，形成了当今显示器种类多样、发展迅速的行情。

传统阴极射线管和现代数字化平板显示器是显示器的两个主要分类。传统阴极射线管发展成熟，分辨率高；其缺点是体积大、耗电快，重量大。现代数字化平板显示器后来居上，在前者的缺点上都有很好的弥补。在现代数字化平板显示器中，液晶显示的有点十分突出。在不断的自身突破中，实现了自身的薄、轻、高分辨率，耗电少等突出的特性，在现代数字化应用中占有不可代替的一席之位。

空间利用率是人们始终追求的一项指标，越来越多的电子屏往小屏幕，高分辨率的方向发展。随着集成电路的发展和液晶显示屏的不断改进，硅基液晶显示器应运而生。硅基液晶显示器充分利用了液晶显示器的可控性和高分辨率等特点，结合集成微电子电路的低功耗、小体积等特点，将显示器的发展推向了新的台阶。

1.2 液晶显示器的背景知识

1.2.1 液晶的发展

液晶的发展开始于1888年，是一种介于液体和固体状态之间分子排列规则的有机化合物。其分子排列容易受到外界电场和磁场的影响。通过改变外界电场，可以控制液晶分子的排列结构，从而控制光线的通过和阻断两种状态。

1984年，TFT-LCD（薄膜式电晶体）被欧美科学家提出。随后，液晶显示器开始向两个方向发展：一个方向朝着价格低、成本低的STN-LCD显示器方向发展，而另一个朝高质量的薄膜式电晶体TFT-LCD发展。自从1985年世界第一台笔记本电脑诞生开始，LCD液晶显示屏一直作为笔记本电脑的标准显示设备。随着社会上的显示屏使用越来越广泛，液晶显示屏的应用也越来越广。21世纪，液晶显示器得到了飞速的发展。

液晶分子具有两种显著的特征：

1)具有液体的流动特性

2)具有分子排列的空间各向异性特性

1.2.2 液晶的分类

根据液晶分子排列的平移和取向有序性不同，将液晶分为以下三种：近晶相、向列相和胆甾相。近晶相液晶是由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列。因为它的高度有序性，近晶相液晶经常出现在较低温度范围内。

图1-1 近晶相液晶分子排列

向列相液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有近晶相液晶中那种层状结构。向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界作用相当敏感，因而应用广泛。目前液品显示器，例如扭曲向列相液晶显示器、超扭曲向列相液晶显示器等所用的液晶材料均属向列相液晶材料。

图1-2 向列相液晶分子排列

胆甾相液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋结构。

1.2.3 液晶显示器的工作原理

利用液晶分子的固体排列特性：外界电场可以让分子排列有序，在不同电流/电场控制下分子可以做规则90°旋转，从而影响透光率。因此通过关断和加上电场来控制液晶对光线的导通与否。下面以TN型液晶显示器为例阐述液晶显示器的工作原理。

在外加电场的作用下，具有偶极矩的晶体分子排列状态随之改变。通过液晶显示器件的光受到调制，从而可以控制通过的光线强弱。独立的像素单元可以单独受到电场的控制，根据需要显示的图片的图样和灰度，分别调控对应像素单元的不同排列状态即可获得目标图像。

液晶的驱动可以使用直流也可以使用交流电。然而如果液晶显示器长时间用直流驱动，在直流电压的作用下，液晶屏的电极表面会发生电化学反应，那么液晶将发生电分解现象，性能也将退化，从而容易造成液晶屏品质的迅速劣化。为了延长液晶材料寿命，防止老化现象，液晶显示屏都采用交流驱动信号。将信号电极上驱动信号电压的平均值保持与公共电极电压的平均值一致，并保持施加在液晶上的平均直流电压值为零。也就是说液晶应该工作在交流对称的电压驱动下。这种信号电平的反转目前主要集中为以下几种方法：帧反转、行反转、列反转、像素反转等。如下图1.3，给出了帧反转、行反转、列反转和像素反转四种电平工作方式的示意图。

图1-3 四种液晶反转驱动方式

如图1-4所示，两个偏振片呈现90°垂直放置，如果光线从射入到射出不发生任何偏转，则偏振光不能透过。在极板中间加上液晶，使用电场控制液晶分子的方向和排列，使得光线在液晶分子中产生90°的偏转，这样光线就可以全部通过；如果光线在液晶分子中产生非90°的偏转，那么光线就会部分通过，这样像素点上的灰度就得到了调节。可见，可以通过控制电场，使得加上电场时光线射出，不加电场时光线关断。实现 “通电亮，断电暗”的工作模式。但是出于省电节能情况考虑，因为计算机屏幕亮是常态，，所以综合考虑 “通电暗，断电亮”是更加节能省电的工作模式。

图1-4 TN型液晶显示器的显示原理

1.3 硅基液晶显示技术

微型显示技术按照像素材料的发光原理主要分为三大类：自发光型微显示，投射型微显示和反射型微显示。其中，反射型微显示器有两种技术，一是硅基液晶显示技术，另一种是微机电技术。硅基液晶显示技术(LCOS)是结合了硅基CMOS集成电路技术和液晶显示技术的新兴技术。近几年，LCOS显示技术在头盔式显示设备和大屏显示如投影仪上都有突出表现和迅猛发展。

1.3.1 LCOS工艺结构和工作原理

LCOS作为一种新型的反射式显示技术，其结构是通过在硅晶圆上生长电晶体，然后利用半导体工艺流程制作驱动面板，接着在电晶体上使用研磨技术将其磨平，再镀上铝作为反射镜，从而形成CMOS基板，最后，通过将CMOS基板和含有透明点击的玻璃基板相结合在一起，并注入液晶，封装测试即可。其结构如图1-5。

图1-5 硅基液晶芯片剖面图

如上图，LCOS基本结构按照剖面图从上到下是：盖板玻璃、透明金属点击、液晶取向层和液晶层以及镀铝膜的单晶硅基片。电平由单晶硅控制铝电极实现，液晶的指向矢方向变化由率电极和ITO电极之间的电压控制实现，电平和液晶的指向矢方向变化共同控制实现了液晶光通过率的控制。

1.3.2 LCOS液晶显示器的特点

LCOS液晶显示器作为时代发展的产物，相比较同类产品具有不可替代的独特之处。主要有如下特点：

1. 工作电压低，功耗低。电路可以工作于3-5V电压下，电流工作在微安级。配合超大规模集成电路，可以实现超低功耗的工作电路。

2)像素分辨率高，承载信息量大。由于在CRT结构上做出了大的改变，所以单个像素点的占用面积大大缩小，使得单位面积可置像素点变多，承载的信息量自然变大。

3)高密度，高开口率。开口率是指除去每一个像素的配线部、晶体管部（通常采用黑色矩阵隐藏）后的光线通过部分的面积和每一个像素整体的面积之间的比例。LCoS直接在硅基板上设计并集成高性能的CMOS电路，电路位于反射面下方，并不占表面面积，所以只有像素间隙占用开口面积，不像穿透式LCD的TFT及导线皆占用开口面积，

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