等离子显示屏的构造原理及逻辑驱动电路

等离子显示屏的构造原理及逻辑驱动电路
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
等离子显示屏的构造原理及逻辑驱动电路
等离子屏显示屏的构造原理及逻辑驱动电路（一）
一、等离子显示屏的构造及工作原理
什么是等离子显示屏？
等离子显示屏是由气体放电体作为像素单元组成的显示屏。

等离子电视的显示屏在工作时，我们拿一个放大镜去近距离观察显示屏，会发现等离子屏和普通的CRT显像管一样，是由一个个红、绿、蓝，红、绿、蓝的小发光点排列组成。

对于CRT的显像管，我们已经了解：这是一个个红、绿、蓝发光点是排列的红、绿、蓝荧光粉由显像管内部电子枪射出的高速电子流轰击下发光，并组成图像。

而对于等离子显示屏是怎么回事呢？等离子显示屏上面看到的红、绿、蓝排列的发光点也是红、绿、蓝荧光粉在发光，而这一个个红、绿、蓝发光点是一个个类似于我们常用的日光灯管构造的小小“日光灯管”的荧光粉在发光。

也就是说等离子显示屏就是千千万万个小小的微型的“日光灯管”组合排列组成。

这些“日光灯管”在外加电压的作用下内部气体产生电离放电，气体电离放电产生大量紫外线，紫外线激发管壁涂覆的荧光粉发光。

组成等离子屏的这些微型“日光灯管”管壁涂覆的是红、绿、蓝三基色荧光粉发光，和普通日光灯管不同的是：这些微型的组成等离子屏的“日光灯管“的发光强度要受到图像信号的控制，就像普通CRT显像管上面荧光粉的发光要受显像管阴极所加的图像信号的控制一样。

因为等离子屏内部没有类似CRT里面的电子枪，所以等离子屏可以做的很薄，可以称为平板电视。

尽管原理、构造类似日光灯管，但是为了能在图像信号的控制下产生明暗变化的光点，最终组成图像，所以组成等离子屏的小“日光灯管”内部还有一个能控制这个小日光灯管发光强度的电极；这样这个组成等离子屏的小小“日光灯管”内部就有3个电极；两个外加电压维持放电发光的电极，叫放电维持电极或X、Y 电极，接较高的脉冲放电电压；一个是控制放电以便达到发光和熄灭的电极叫地址电极或D电极，接经过处理的图像信号，图1所示：
图1
现在的等离子屏都是彩色显示屏，每一个像素单元是有3个类似于“日光灯管”的气体放电体组成，在三个放电腔体内表面分别涂敷红、绿、蓝荧光粉；组成一个像素的三色体单元，图2所示。

目前的等离子屏有标清屏（SDTV）和高清屏（HDTV）之分，长宽比例都是16：9。

标清屏适用于收看目前电视台播放的普通电视节目（SDTV信号），高清屏着适用于收看以后的真正意义的高清晰度数字电视节目（HDTV信号）；例如1081i及1080P标准的数字电视信号。

对于标清屏分辨率要求有480×852显示，要有40万个像素，那么3个小小“日光灯管”组成一个像素，这样一个标清屏就必须有120万个这样的类似日光灯管的放电体组成。

对于高清屏分辨率则要求有1080×1920显示，要有200万个像素，这样一个高清屏就必须有600万个这样的类似日光灯管的放电体组成，图3所示。

（以下我们把这些小小“日光灯管”称为气体放电体）
图2
图3 通过以上简单的介绍对等离子显示屏有了初步的了解；下面进一步介绍等离子屏的具体结构及工作原理。

等离子屏气体放电体组成矩阵方式显示图像，每一个发光的气体放电体都有3
个电极，图1所示：
X电极：也叫维持电极，主要就是和Y电极共同形成维持期，波形简单是放电维持电极。

Y电极：也是维持电极，但还承担着全屏写、建立壁电荷、和X电极共同形成维持期等任务，波形较复杂。

D电极：本质是一个数据输入的电极，正是在它的作用下；控制X、Y电极放电的产生，达到控制像素点发光亮度的目的，类似于CRT显像管阴极的作用，所施加的就是经过处理的图像信号，也称地址电极。

气体放电体在屏上排列方式和CRT屏上的彩色荧光粉排列方式类似，由于放电的需要，等离子屏上的每一个气体放电体都有3根电极线引出，并且和放电维持脉冲及地址寻址脉冲相连接，为了方便连接显示图像，采用矩阵方式连接；如图4所示；图4中水平的虚线是X电极连线和Y电极连线，X电极引入端在右边是全部连在一起；接X电极驱动信号，Y电极的引入端在左边，每一根一个引入端，由Y驱动信号上下扫描引入（便于和地址电极共同完成决定点亮某一个像素点），图中垂直的竖线是D地址电极连线；图中的圆圈表示等离子显示像素的气体放电体，如图4上排列；可以看出每一个气体放电体里都有三根引线经过；一根是X 电极线；一根是Y电极线；一根是地址电极线。

等离子屏放电体三电极的工作关系，
在X电极接X驱动电路，由X驱动电路提供X放电维持驱动电压；Y电极经过上下扫描控制电路接Y驱动电路提供Y放电维持驱动电压，这两个电压在放电体内均略低于放电临界电压，此时不能产生放电，而放电的产生、控制就由垂直的D 地址电极上的电压决定，也就是X、Y电极上所加的电压使放电体具有放电的条件，具体的放电开始、放电熄灭则由D地址电极上的电压控制决定，而D地址电极接的就是图像信号，这样就是由图像信号控制放电的产生、及放电的熄灭从而在屏上控制产生图像。

图3
等离子屏上决定某个放电体放电的控制的过程；称为“寻址”，这个过程是由Y 电极的上下位移和D地址电极的左右位移共同决定，如图4所示，Y电极扫描驱动决定放电的垂直位置；D地址电极水平移动决定放电水平位置，最终不同的明暗变化的亮点，完成图像的组合。

【郝铭原创请勿转载】
图4
气体放电体的驱动原理及驱动波形：
CRT荧光屏上的荧光粉，在一个聚焦的电子束轰击下产生了一个亮点，这个亮点就是组成图像的像素单元，根据图像内容变化的要求；这个亮点的“亮”、“暗”，亮度的强弱都可以很容易的由加到CRT阴极上的电压（图像信号）来控制，再在扫描的组合下形成图像，但是对于组成等离子显示屏像素单元的气体放电体的亮度控制，就不这么容易了。

它是一个具有负阻特性的非线性器件，点亮和熄灭控制都有滞后现象，特别是发光强度的控制就更困难了，它是一个类似日光灯原理的气体放电器件，只有“亮”、“不亮”两种状态，要靠改变所加电压的大小来控制亮度是不行的，就像有些人试图用调压器对市电调压的办法来来达到控制日光灯亮度的方法一样；其结果是不可能的。

但是这个问题不解决，等离子图像显示就不能成为现实。

经过研究人员的多年潜心研究；应用了完全不同于CRT和液晶显示屏完全不同的驱动技术；这就是把我们接收到的电视信号或视频信号，采用计算机技术、数字技术对信号进行分解，重新组合转；在普通电视显示的一个场周期内由8帧图像叠加为一帧完整图像（子场显示技术）以便形成灰度等级；并且形成等离子屏显示图像所需要的X驱动、Y驱动和D地址驱动信号。

这就是是等离子显示屏的逻辑驱动技术。

这项技术的运用包括两项内容：1： X、 Y、 D放电脉冲产
生 2：子场数据信号产生
为了便于对气体放电单元内部的放电能做到灵活的控制，目前的等离子显示屏均采用具有电解质层（绝缘层）涂覆的X、Y、D电极，在放电X和Y电极工作时；会产生大量的壁垒电荷，就是利用D地址电极对壁垒电荷的控制作用来达到控制发光和不发光点目的，为了达到对壁垒电荷的控制，对X、Y、D电极的驱动激励波形是有严格的要求，在时间上、幅度上和波形上都有精确的要求，如图5所示
图5
图5所示是一个等离子放电体单元，该放电单元有三个电极，左面是Y 电极、右面是X电极，下面是D地址电极。

在Y电极输入Y驱动信号；波形如左边的“Y 驱动波形”图；在X电极幅度输入X驱动信号；波形如右边的“X驱动波形”图；下面的D地址电极，输入图像驱动信号，不过这个图像信号是经过专门处理，的数字脉冲信号。

对于Y驱动信号、X驱动信号极D地址驱动信号，都有及其严格的要求，在时间上、幅度上、波形上都有精确的规定，图6所示。

对于不同型号的屏，这些标准还不同。

图6
图6是Y电极、X电极、D电极的驱动波形及三个波形时间对于关系。

结论：X电极、Y电极是产生放电的条件，D电极来控制放电，D电极施加的就是视频图像信号（经过处理），D电极的作用有点类似于CRT的阴极。

（我们拿 CRT来做比喻：CRT的阳极高压（2.5万伏）和加速极电压（400伏）是CRT内部电子束产生射向荧光屏的条件，而控制电子束强弱、有无是阴极）
图7所示是等离子显示屏逻辑驱动系统电路框图。

等离子屏显示屏的构造原理及逻辑驱动电路原理分析（二）
等离子屏放电单元（子像素）的放电发光控制原理
一、放电单元（子像素）的构造
在CRT显示屏上，产生像素的亮点；是由图像信号通过CRT的阴极控制电子束轰击屏荧光粉而产生的；最终在扫描的作用下组成图像。

等离子屏产生像素的亮点；是由图像信号通过对等离子屏放电单元的地址电极（D）；控制放电单元的放电激发放电单元内部的荧光粉发光；产生亮度像素点；最终；众多的有一定亮度的像素点在矩阵电路排列下组成图像。

CRT屏和等离子屏虽然都是由图像信号控制荧光粉发光组成图像，但是荧光粉产生亮点的方式、原理；却截然不同。

图1是一个基色像素（子像素）三电极交流等离子放电管断面结构图。

图1
图1是等离子屏的断面图，图中标注“射出光线”部分是屏幕正面，下面的两个“隔离墙”之间是一个单色放电体内部放电腔体，腔体内部充有一定压力的混合惰性气体；腔体的下部涂敷有荧光粉（图中显示是绿色放电腔体的结构），上部有“X电极”和“Y电极”，下部是“地址电极”，电极的表面涂敷一层绝缘的电解质层（黑色边线）。

“X电极”和“Y电极”施加维持放电电压（波形是交流方波，幅度略低于触发电压幅度；使X、Y电极间处于临界放电状态）；“地址电极”施加控制放电脉冲（控制放电脉冲就是经过处理的图像信号，这个信号通过地址电极；引燃处于临界状态的X、Y电极间的惰性气体产生放电）；在电场的作用下；腔体内部气体电离产生放电；放电产生大量的波长为147nm （纳米）的紫外线；紫外线射向腔体下部的荧光粉；荧光粉在紫外线的激发下发光；光线由屏正面射出（正面的玻璃也是防止紫外线伤人的防护层）。

和CRT 显像管一样；一个像素的是由红、绿、蓝（R、G、B）三个发光的单色发光体组成，这个单色的发光体称为：“子像素”，图1所示；就是一个绿色子像素的组成结构，它的两边是蓝色和红色子像素的放电腔体。

图2是多个R、G、B三基色等离子放电管排列在一起的断面结构图。

图2
上一节谈到组成等离子屏的放电单元——子像素；实际上是一个小小的“日光灯管”更确切来说是一个：“冷阴极日光灯管”（现在液晶屏的背光管也是冷阴极日光灯管只不过大罢了），要使这个只有像素点大小的“冷阴极日光灯管”要在图像信号的控制下；产生相应明暗变化的亮度，是极其困难的。

要解决许多原理上、技术上复杂的问题。

在今天实现了；这是科学技术、电子技术发展的结晶。

二、气体放电器件作为等离子像素显示要解决的问题
等离子屏上的一个小小的作为像素发光的“冷阴极日光灯管”实际上是一个气体放电管，要让它和CRT荧光屏上的像素点一样发光；并受控于图像信号产生明暗亮度的变化；要解决如下几个问题：
1、低压触发放电；现在的日光灯管及液晶屏的冷阴极背光灯管；都是气体放电器件
；点亮的触发电压都在1000V以上，每个灯管都有一个高压变压器，而作为组成等离子屏的“冷阴极日光灯管”不可能每个像素点；带一个高压变压器，必须解决采用低压（小于100V，无需升压装置）触发放电问题（解决方法：腔体内充惰性混合气体降低触发电压）。

2、图像信号控制等离子放电腔体点亮与熄灭：我们用的日光灯及液晶屏的背光灯；在开启接通电源；都不是立即就亮；有一个时间上的滞后；作为像素点的小小“日光灯管”必须随时高速的随图像信号的控制产生相应的点亮与熄灭（解决方法：由地址电极输入图像信号，控制壁垒电荷达到控制放电和熄灭）。

3、灰度的产生及亮度的控制：像素点的亮度对应于图像信号，亮度可以由暗到亮、由亮到暗逐步变化，也就是图像的灰度等级；必须有256个变化级别。

但是气体放电器件是一旦放电就产生亮度、放电停止就无亮度，也无法做到改变电压达到控制亮度的目的的，例如把日光灯管接到调压器上；改变调压器的电压；日光灯管的亮度不会随电压的改变而变化（只能有亮和不亮两种状态）。

作为像素点发光它必须跟随图像信号的变化；亮度相应变化，虽然困难但是必须要做到（解决方法：采用8子场显示技术达到256级灰度显示）。

详细叙述上述三个问题的解决方法及原理
三、低压触发放电：
一般的日光灯管内部充有氖气及微量的水银，在1000V以上的电压激发下；氖电离放电；致使水银蒸发；变为水银蒸汽共同参与放电；放电产生大量的紫外线激发管壁涂敷的荧光粉发光。

等离子像素发光的气体放电器件原理；和日光灯管基本相同；只不过作为像素发光的千千万万个小小的气体放电管；不可能每一个放电管（像素）都配备一个1000多伏特的升压变压器；只能采用降低触发电压（小于100伏特）省去变压器的气体放电管作为像素发光；才能使等离
子图像显示成为现实。

现在采用放电管内部充混合惰性气体的技术解决了降低触发电压的技术来解决这一难题：把氙气、氦气、氖气按照规定的不同的比例混合，就会产生Penning effect （潘宁效应：混合气体气体被击穿的电位明显低于单纯气体的击穿电位从而极大地降低了启动电压，这一现象就是著名的潘宁效应，潘宁效应决定了混合气具有非常优越的性质，为等离子显示屏的成功奠定了基础。

）；从而大大的降低了触发电压；只需直接采用一般开关电源输出的几十伏特至一百伏特电压就可以触发其放电发光。

图3所示是单纯充氖气的放电管放电示意图；外加电压需要达到1000V以上才能产生放电。

图3
图4所示；是采用了混合气体（注意图中管内气体）的等离子像素放电管，由于“潘宁效应”电压低至100V以下下；仍然可以正常产生放电。

图4 、
四、等离子放电腔体的持续放电控制：
气体放电发光的点亮都有一个滞后的现象；如开启日光灯电源开关；日光灯管不是立即就亮，这样就难以达到采用图像信号直接控制等离子气体放电管的发光随图像信号的变化而迅速变化。

现在的实用的等离子屏是采用三电极交流等离子放电管，由图像信号通过地址电极控制壁垒电荷的临界控制的方法来实现图像信号对放电灵敏的控制。

等离子放电管结构示意图如图5所示：
图5
1、三电极交流等离子放电管的构造：
图5 是为了方便进行分析；根据图1绘制的等离子放电管腔体放电简图。

图中；在等离子放电管（腔体）内部；充有按一定比例混合的氖、氙、氦惰性气体；在两端安装两个放电电极；左边是Y电极；右边是X电极；Y、X电极组成放电维持电极。

下面是地址电极 D；地址电极是放电控制电极；其作用类似于CRT
的阴极；起到控制放电的作用。

在管下部地址电极的两边；涂敷有荧光粉（由三个这样的放电管分别涂敷红、绿、蓝荧光粉组成一个像素显示的三色体）。

大家要注意的是：在Y电极、X电极和D电极的表面涂敷有一层电解质层（图中红色表示）；涂敷在全部电极表面；电解质的本身是绝缘的；用以在放电的同时产生的电荷聚集在表面；以形成“壁垒电荷”，控制“壁垒电荷”数量起到维持放电及熄灭放电的作用。

2、维持放电电压的施加：
Y电极和X电极是维持放电的电极；在X、Y电极两端；施加略低于触发电压的交流（方波）电压；使之处于触发的临界状态；图6所示；（在图6的下部画出维持放电脉冲的波形图；波形的上面和下面有“+”“—”两根虚线；虚线之间的距离所示，就是X、Y电极的触发电压，可见维持放电脉冲的幅度略小于X、Y电极的触发电压；）也就是X、Y电极施加的维持放电脉冲最大幅度小于触发电压的幅度，等离子放电管是不会引起放电的。

图6
3、壁垒电荷的产生及对放电的维持作用：
假如；我们暂时用外加电池作为维持放电电压接于X电极和Y电极两端并且此时电池的电压高于触发电压的幅度；如图7所示（Y电极接电池的正极、X电极接电池的负极）；由于电池电压高于触发电压；立即会引发了放电的产生，放电的产生就会引起电荷的移动，负电荷就会由电池的负极经由X电极、放电腔体内部、Y电极流入电池的正极，由于X电极和Y电极的表面涂敷有一层绝缘的电解质层，放电引起的电荷移动无法经过电极经由电池的正负极流通，但是由于电场的引力作用；放电产生的正、负电荷会在电场引力作用下；负电荷会聚集在Y电极的表面；正电荷会聚集在X电极的表面，这个聚集的电荷称为：“壁垒电荷”，如图7的Y电极和X电极表面聚集电荷所示；
图7
随着放电的持续；Y电极表面聚集的负电荷越来越多；X电极的表面聚集的正电荷也越来越多；这个Y电极表面聚集的正电荷和X电极表面聚集的负电荷之间也形成了一个电场；而电场的方向是左正、右负；和外加电池的方向是反向关
系，图8所示；这个壁垒电荷形成的电场抵消了外电池电场（等于降低了外电池的电压）；使放电减弱；随着放电时间的持续；壁垒电荷越聚集越多；壁垒电荷形成的电场越来越强；放电越来越弱，最终会造成外电池的电压形成的电场在壁垒电荷电场的抵消下；放电停止，图9所示；
图8
图9
壁垒电荷的电压和外加电池电压的等效图，如图10所示；图10中下面红色的电池就表示壁垒电荷的电压和外电池（黑色）和等离子放电管的放电腔体是串联关系，但是壁垒电荷电势和外加电池电压是反方向串联关系（等离子腔体放电电场；等于外电池电压减去壁垒电荷电压，放电电场减弱），随着放电的继续；必然造成腔体内部放电强度的减弱甚至放电停止。

图10
如果在放电刚要减弱时；迅速把外电池的极性反转过来；那么外电池的电压等于和壁垒电荷的电势顺向串联；等效于大大的加强了腔体放电的电场强度（等离子腔体放电电场；等于外电池电压加壁垒电荷电压，放电电场加强），放电将继续持续下去，图11所示（此时降低外加电池的电压，使外加电池电压小于等离子放电腔体的触发电压，这个电压再和壁垒电荷形成的电压叠加下也高于等离子放电腔体的触发电压，放电会继续下去，如图11中所示；外加电池（黑色）比图10中的外加电池（黑色）少了一组）。

图11
当电池极性反转后；放电持续进行；放电腔体内部的负电荷；又由Y电极的表面反方向的向X电极移动，在Y电极表面的负电荷逐步向X电极移动；负电荷又逐步的聚集在X电极表面；正电荷逐步的聚集在Y电极表面，其壁垒电荷形成的电场方向，仍然和外电池的方向相反；图12所示；同上面的道理；随着放电的持续进行；壁垒电荷电压不断上升；仍将逐步减弱放电的强度；此时再把外电池极性反转过来，此时；外电池的电压又等于和壁垒电荷的电势顺向串联；
大大的加强了腔体放电的电场强度，只要电池（电池电压低于触发电压）极性不断的反转，放电就可以维持下去。

图12
把电池换成电压相同的交流方波（等效于自动反转电池电压）；就可以连续不断的持续放电了，图13所示。

图13
通过以上的介绍；就可以容易的理解；在放电开始后只要在Y电极和X电极加上略低于等离子放电腔体放电的方波；放电就可以持续不断的进行；如图13接于X、Y电极的维持放电脉冲的幅度小于触发电压的幅度。

结论：子像素腔体放电的持续的条件是；第一；Y或X电极表面有壁垒电荷存在。

第二、X、Y电极外加交流方波；方波的幅度略低于X、Y电极触发电压值，壁垒电荷的极性不断反转和外加方波方向不断反转；放电电场始终是叠加的强电场作用于等离子的放电腔体。

五、等离子放电腔体的触发（点亮）和停止放电（熄灭）的控制
上一节；介绍到了等离子放电管（像素）持续放电的原理；要掌握壁垒电荷产生的原理、过程及维持放电的作用，还要知道X、Y电极所加的电压幅度是略低于放电管腔体触发电压的幅度。

作为等离子放电管（像素亮点显示）它的放电是要受到图像信号的控制的；在图像信号亮电平到来放电开始；图像信号全黑电平到来放电停止；这是怎么控制的？
1、等离子屏一个子像素在一个场周期的工作过程：
我们先来分析一下；电视机屏幕图像的特点（以帧屏50周为例）；屏幕上的图像是活动图像，是每秒50幅静止图像连续变换形成的，也就是在等离子的荧光屏上；在20毫秒时间是一副静止图像，也就是等离子屏实际上是每秒产生50
幅静止图像；如果简单的以一个2位图像（像素只有“亮”“和”黑两种状态）举例来说明问题；也就是在一个20毫秒场周期内；等离子屏的子像素放电腔体是进行一次20毫秒的持续的放电（在20毫秒内：放电是持续稳定的；产生的光线也是持续稳定的；产生一幅静止的稳定的图像）。

到20毫秒结束；放电停止（停止放电后还要清除掉腔体内部的残余壁垒电荷；以防影响下一场周期的正常放电），在下一个场周期又开始一个新的20毫秒时间的放电；出现下一场静止稳定的图像，这样每秒时间内；子像素放电腔体被触发放电50次；有50
次的开始放电及50次的停止放电，这里面就出现了两个问题：
问题一、是放电的开始是怎么触发的？也就是加到X、Y电极的交流方波幅度低于触发电压幅度，要有壁垒电荷协助才能开始并持续放电，开始放电的壁垒电荷从那里来的？像素是“亮”；就要有壁垒电荷；促使连续（20毫秒）放电，像素是“黑”就不能有壁垒电荷；就不放电。

问题二、既然在“亮”时；腔体内部持续放电产生亮度；那么20毫秒结束（一幅图像显示时间完毕）；必须熄灭停止放电，并清除残余壁垒电荷，迎接下一场图像的放电开始；那么；放电是怎么停止的？壁垒电荷是如何清除的？
2、腔体怎么开始放电？（问题一的解决）
像素是组成图像的最小单元；在电视机屏幕上也是如此；电视机屏幕的像素的明暗变化是对应于图像信号的；也是受图像信号控制的；作为等离子显示屏的子像素的亮度；也必须对应于相应的图像信号；也就是要受到图像信号的控制，前面已经叙述过；X、Y电极开始放电的条件是：X、Y电极间具有交变方波电压和电极上有壁垒电荷，那么组成等离子屏的放电腔体在一场周期开始放电，就是由图像信号转换的有一定幅度的脉冲波（引燃脉冲）；通过地址电极；首先强迫在地址电极和Y电极之间放电，如图14所示；形成Y电极表面的壁垒电荷的建立，该壁垒电荷也作用于X电极。

Y电极表面的壁垒电荷形成后在X、Y电极外加方波的叠加下，使X、Y电极间的电场幅度；超过X、Y电极触发电压幅度，X、Y电极就可以持续不断的维持放电；此像素点的一个场周期就“亮”了。