LCoS(硅基液晶)显示屏设计与应用

　　3 芯片功耗分析

　　功率损耗是制允集成电路的一个重要因素，而CMOS电路的主要特点就是低功耗。由于LCoS芯片上的像素尺寸非常小(7～20μm)，制作相应微滤色片(microfilter)的工艺复杂，且成本高。通常采用无微滤色片工艺，在单片LCoS芯片上使用时间混色模式(时序彩色化)实现彩色显示。表面上看时序彩色模式的LCoS芯片，要求其帧频为普通VGA显示的3倍以上来刷新屏幕，似乎功耗会增加许多倍 ，但实际并非如此。在图2所的实际电路结构中，我们设计了行锁存器。这样，就可以采用逐行写入方式，把每场的图像信号输入到像素显示矩阵中。纵向数据驱动器中视频串-行转换移位寄存器的工作频率约为25MHz，其它大部分电路的时钟频率不超过300kHz。LCoS芯片的功耗包括以下三部分：

　　(1)静态功耗Ps。由反向漏电流造成的直流功耗，CMOS电路一般可以忽略不计。

　　(2)动态功耗PD。主要指逐行写入图像信号时，每行像素(电容)充放电产生的交流功耗。

　　(3)场反转功耗PF。上盖板电极作周期性电场反转需要的功耗。

　　综合以上三项功耗，总的功耗为

　　P=Ps+PD+PF≈PD+PF(1)

　　可采用数字电路瞬态功耗估算公式得到：

　　P=CL fc VDD2 (2)

　　这里，每个象素的电容量CP约为0.2pF,

　　每行象素的电容量为：

　　Crow=640×CP=128pF (3)

　　每屏象素的电容量为：

　　Cpanel=480×Crow=61.44nF (4)

　　另外，已知逐行写放频率接近300kHz，场反转频率150Hz，VDD=5V,把这些值连同(2)、(3)、(4)式代入(1)式，得到LCoS芯片的功耗估计值：

　　P=Crow f行 VDD2+Cpanel f场 VDD 2≈1.2nW，可见，LCoS显示器的确属于低功耗器件。

　　我们利用0.6μmCMOS工艺设计制作的LCoS芯片，象素截跟为12μm;象素驱动矩阵的占有面积为(640×12)μm(480×12)μm=7.68mm×5.68mm×5.76mm。考虑到需要预留液晶盒的胶线封装区，最后整个LCoS显示芯片的尺寸为：11.0mm×9.4mm，对角线约为15mm。

　　4 LCoS芯片研制策略与现代EDA技术

　　由前面分析器件结构及整个芯片的工作模式表明，LCoS芯片是一块复杂的数模混合电路芯片。这类电路的复杂性不仅要求同一条生产线能同时兼容数字和膜拟IC的生产工艺，更重要的是针对市场需要如何准确、快速地设计出LCoS显示芯片。对于前者有一定规模的现代半导体加工工厂都能相对容易地实现，而后者很大程序上决定于将采用的EDA设计平台。

　　所谓EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作：IC设计、电子电路设计以及PCB设计。我们将使用具备全定制设计功能的Cadence EDA设计工具，按照"自顶向下"的规则来设计LCoS芯片的版图。

　　设计从行为级开始，首先确定LCoS芯片的功能、性能、允许的芯片面积和成本等。按着进行结构设计，分化出尽可能简单的子系统。然后把各子系统间的逻辑关系转换成电路图，进行电路逻辑设计和电路仿真，这期间要遵循标准5V-0.6μm-CMOS工艺设计规则，采用全定制方法研制LCoS芯片的基本单元库。最后按照半定制设计流程综合出整个LCoS芯片版图。

　　5 在CADENCE平台上设计LCoS芯片版图

　　根据中国微电子行业的加工条件，选择包含丰富EDA工具的Cadence软件，尝试着建立了一套0.6μm工艺LCoS芯片版图，其中包括电路符号库、电路设计库、单元版图库及其用于布局布线的Phanton库和仿真库等。主要设计流程如图4所示。

　　首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适的CMOS工艺流程。多面手根据具体的CMOS元器件参数设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分析。LCoS芯片电路在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。

　　EDA技术使得LCoS设计人员在实际的芯片产生之前，就可以全面了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。

　　前端设计检查完毕后，进行版图布局、寄存参数的提取和静态时序分析。在后仿真验证过程中，可先用从版图中提取的寄生参数文件计算出延迟文件，再反标回逻辑网表进行后仿真。仿真通过后则设计完毕，便可进行下一步的投片生产。

　　6 LCoS生产与应用

　　如上所述，LCoS显示器是半导体VLSI技术和液晶显示技术巧妙结合的高新技术产品，因此LCoS可利用常规的CMOS技术批量生产，并随半导体工艺的发展进一步微型化。

　　从IC产品结构的角度来说，LCoS显示芯片是一块多功能、多结构、与现代CMOS制造工艺息息相关的SoC;从IC生产工艺角度来说，当初在IC工艺中建立CMP(化学机械抛光)技术是为了填平复杂的电路走线提高各金属布线层的平面光刻精度，防止电荷光端积累效应。现在，这些优势都成为制作LCoS芯片像素反射镜面的必然方法。其它如遮光层工艺也源于IC技术。

　　众所周知，IC技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。然而，这种技术一旦与其它学科相结合，便会诞生出崭新的学科和重大的经济增长点。笔者认为LCoS技术就是硅平面技术与平板显示技术结合而诞生的典型例子。

　　由于LCoS显示器具有尺寸小、功耗低、分辨率高的优点，在与其它平面显示技术竞争中越来越占有利地位。比如，一般移动电话都使用ECB TN-LCD和STN-LCD，但是越来越多的用户希望看到E-mail、视频图像及网上浏览，这就需要移动电话配置分辨率不低于QVGA(320×240)的虚拟显示屏。这也是LCoS技术的潜在市场之一。

　　另一个潜在应用是数码摄像机的取景器。与传统的直视型AMLCD(对角线2～4英寸)相比，LCoS技术提供的图像大到5～10倍，分辨率不低于QVGA，功耗仅为原来的1/15～1/30，重量约1/5。投影显示器的主要应用将仍然是投影机。而最大的增长潜力是消费类产品LCoS虚拟显示器非常适合许多消费产品应用，包括上面提到的数字摄像机、可视移动电话以及PDA和头盔显示器等需要嵌入微型显示器的电子产品。

　　LCoS显示屏是硅平台技术与平板显示技术发展到相对成熟阶段且二者相结合而诞生的，因而具有VLSI技术的全部设计特征。然而LCoS显示芯片也是混合信号市场的一个产品，而"time to market"同样对LCoS显示芯片的设计提出巨大挑战。Cadence设计环境下丰富的EDA工具，保障了设计人员可以把精力集中于创造性的概念构思与方案上。这样，新的概念才得以迅速有效的成为产品，大大缩短了产品的研制周期。不仅如此，基于我们为LCoS显示芯片建立的一套综合基本库，Cadence平台上的综合优化工具将能按不同显示模式，如QVGA(240×320)、VGA(640×480)、SVGA(600×800)等，自动规则布局成为对应版图，从而使开发LCoS平板显示技术系统产品变得轻松容易。