等离子显示器的工作原理

液晶显示器(LCD)之后的最新显示技术之一。这种显示器能够用作适应数字化时代的各种多媒体显示器，适用于制造大屏幕和薄型彩色电视机等，有着广阔的应用前景。等离子体显示器具有体积小、重量轻、无X射线辐射的特点，由于各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现CRT显像管常见的图像几何畸变。等离子体显示器屏幕亮度非常均匀，没有亮区和暗区，不像显像管的亮度--屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等离子体显示器不会受磁场的影响，具有更好的环境适应能力。等离子体显示器屏幕也不存在聚焦的问题，因此，完全消除了CRT显像管某些区域聚焦不良或使用时间过长开始散焦的毛病;不会产生CRT显像管的色彩漂移现象，而表面平直也使大屏幕边角处的失真和色纯度变化得到彻底改善。同时，其高亮度、大视角、全彩色和高对比度，意味着等离子体显示器图像更加清晰，色彩更加鲜艳，感受更加舒适，效果更加理想，令传统显示设备自愧不如。与LCD液晶显示器相比，等离子体显示器有亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对快速变化的画面响应速度快等优点。由于屏幕亮度很高，因此可以在明亮的环境下使用。另外，等离子体显示器视野开阔，视角宽广(高达160度)，能提供格外亮丽、均匀平滑的画面和前所未有的更大观赏角度。下面我们来介绍一下等离子体显示器件的工作原理。  

　　一、等离子体放电简介  

　　等离子体是物质存在的第四种形态。当气体被加热到足够高的温度，或受到高能带电粒子轰击，中性气体原子将被电离，空间中形成大量的电子和离子，但总体上又保持电中性。等离子体在我们日常生活中的自然存在很少，但实际上它又无处不在。远到宇宙天体，近到大气中的电离层，又如生活中常用的日光灯，都充满了等离子体。图1为日光灯的原理图。  

　　若在图1中的低气压放电管中升高电压V，同时测量放电电流I，将得到图2所示的高度非线性电压-电流曲线。  

　　在曲线上 A、B间的区域是本底电离区，不断升高电压就描出一个由宇宙线和其他形式的电离本底辐射所产生的越来越多的单个离子和电子的电流。在B和C间的饱和区，由本底辐射所产生的所有离子和电子从放电区中逸出，电子并不具有产生新电离的足够能量。从C到E的区为汤生区，放电管中的电子从电场获得足够的能量，可以电离一些本底中性气体，在电压增高时导致电流非常迅速地指数上升。在D和E间将发生单极电晕放电，这是由于在尖端、尖端边缘或粗糙的电极表面的局部电场集中而引起的;这些强的局部电场超过了周围中性气体的击穿强度。当电压增加至E点的电压Vb时，发生电击穿。在伏-安特性上，A和E之间的区域被称为暗放电区，因为除了电晕放电和电火花击穿外，放电是肉眼看不到的。  

　　一旦在E点发生电击穿，放电转变为辉光放电，电流足够高，激发的中性气体数量足够多，放电肉眼可见。经从E点到F点跃变后，进入正常辉光放电区域，在放电电流变化几个数量级的范围内，放电电压几乎不变。当电流从F增加到G，阴极被等离子体占据的部分增加，直到G点，整个表面被覆盖。从G到H，放电进入异常辉光放电区。若放电从曲线的G点向左移动，则在伏-安特性曲线上有一滞后，正常辉光放电方式将被维持到F’，此处电流和电流密度比F点低很多，然后跃迁返回汤生区。  

　　等离子体显示屏及日光灯都工作于正常辉光放电区。当电源电压增加到Vb而内阻又不大时，气体将会被击穿，放电管中产生大量的高能量电子，并碰撞激发中性气体原子发出可见光或紫外光。气体一旦被击穿，就能以一较低的电压Vs将放电维持在辉光放电区，这一特性对等离子体显示器件具有重要意义。  

　　二、PDP简介  

　　PDP分为直流(DC)驱动型和交流(AC)驱动型两种不同方式。直流型电极与放电气体直接接触，紫外线的产生效率高，但显示屏的结构比较复杂，在目前商用彩色PDP中已很少用。交流型的电极表面涂敷一层介质层，使其结构类似于一个电容器。交流型PDP又分对向放电和表面放电两种，对向放电型PDP的结构类似于图1，两电极分别制作在前后玻板上，等离子体放电在整个放电室中进行，优点是放电空间利用充分且比三电极表面放电型PDP减少1/3电极;缺点是荧光粉直接暴露在放电等离子体中，容易退化，须采用特别的保护措施。目前的主流彩色PDP为三电极表面交流放电型。  

　　1. 结构  

　　表面放电型AC-PDP的结构如图3所示。扫描电极Y和维持电极Z位于放电介质的同一侧，使放电在前表面进行，减少了带电粒子对荧光粉的轰击。放电电极与放电介质间由绝缘介质层隔开，使得壁电荷可以在电极表面聚集。壁电荷形成的电场与电极电场反向，随壁电荷的积累空间电场逐步减弱，当空间电场减小到低于维持电压Vs(见图2)时，直流放电终止，但该放电单元处于交流放电的激活态，当Z、Y电极的电压反向后，电极电场与壁电荷形成的电场同向，即使所加电压不到击穿电压，只要电极电压与壁电荷电压之和大于Vb，就能再次起辉，如此反复，交流放电得以维持。  

　　前后玻板被压紧密封后，抽真空并充以惰性气体(Ne+Xe或He+Xe或Ne+Ar+Xe等)就成了一个复杂的辉光放电器件。若每祯图像由n行，每行m个象素组成，则需n对放电电极，它们水平方向平行、均匀排列，其中n个等电位，故连在一起以一个端子引出，称Z维持电极，另n个分别引出，称Yi(i=1，2，…，n)扫描电极。垂直平行排列的数据电极有m组，每组3个电极，分别对应三基色，用Xjk(j=1，2，…，m;k=r，g，b)表示并分别引出。正交布置的维持电极和数据电极构成n×3m个小放电管阵列，每个对应一个基色单元，而每个象素的亮度和色调由n+3m+1个端口信号控制。  

　　2. 灰度等级的实现  

　　辉光放电的电流(对应于发光强度)不容易控制，PDP利用的是其亮与不亮的两态特性，以改变发光时间的长短来实现灰度等级的控制，所以PDP是一种数字显示器件。PDP发光时间的控制(即灰度)由子场驱动技术实现，如图4所示。每场周期被分为八个子场(或更多)。在常用的寻址-显示分离驱动法中，每个子场又分为启动期、寻址期和维持期。启动期和寻址期在各子场中时间长短相同，期间全屏不发光，只是激活应发光的象元。维持期的长短则各不相同，正比于其中包含的脉冲数(图4所示为采用二进制编码时各子场内放电脉冲的比值)，期间被激活的象元同时点亮。某象元的灰度等级由一帧期间加在其上的总的放电脉冲数决定，当采用8子场驱动时，二进制编码一共可以获得256个灰度等级。  

　　3.驱动  

　　图5所示为寻址-显示分离驱动法中一个子场期间各电极所加电压的波形及所形成的壁电荷示意图。启动期分两步：(1)为启动升压阶段，数据电极X和维持电极Z加0电压，扫描电极Y上的电压逐渐从维持电压(如180V)升到超过击穿电压(如460V)，在扫描电极和维持电极、数据电极间都引起放电，形成如图所示的壁电荷;(2)为降压阶段，维持电极上加维持电压，扫描电极的电压逐渐降到0，由于壁电荷产生电场的迭加，在扫描电极和维持电极间发生放电，维持电极上的壁电荷被泄放掉，使全部象元处于预激活状态。  

　　寻址期如(3)-(5)所示，期间依次给数据电极Xjk施加方波寻址电压Va(例70V)，这个寻址脉冲的作用是列选象元，每一瞬间有n个象元被选中。在扫描数据电极Xjk的同时，各扫描电极加有不同的电压，如果Xjk与Yi交叉点对应的象元本子场应不亮，寻址到它时，对应的Y电极为70伏，A电极也是70伏，不会点火，壁电荷分布不变，如(3)所示，未激活;对应点亮的象元，寻址到它时扫描电极Yi加0伏，电极电压形成的电场与(2)留下的壁电荷形成的电场正好同向迭加，于是点火，然而Va位于熄灭电压区，Y与X间的放电很快熄灭。此时X极上加有维持电压Vs(例180V)，点火虽在Y与A间发生，却引发了Z和Y极间的放电，留下如(5)的壁电荷，被激活;于是寻址期结束时全屏各象元都根据要求留下了激活(相当于存1)和未激活(相当于存0)的信息。  

　　维持放电期间(6)-(7)，各数据电极保持0电压，各扫描电极Y电压波形相同，是Vs与0相间的方波，维持电极电压波形与Y相同，但相位相反，这样凡被激活的象元将维持放电而未被激活的象元则不会放电。在每个子场结束或开始时，还要进行一次擦除放电，维持电极上的电压逐渐从0升到维持电压，另两个电极保持0伏，将所以电极上的壁电荷都全部泄放掉。  

　　AC-PDP的特性使得数据电极与放电电极交叉点形成的小放电管不仅是一个可控发光元件，而且是一个可控存储单元，整屏既是发光单元的二维阵列，又是一个矩阵存储器，每个发光元件也只有发光和不发光两个状态。这样AC-PDP实际上是一个数字器件，可以大量采用数字图像处理技术，且数字图像信号无须经过D/A变换，可直接用于驱动显示屏。