Схемотехника TFT мониторов. Основные блоки мониторов и их функции. Основные концепции построения LCD-мониторов компании LG

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

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