Как работает dmd чип
Обновлено: 14.05.2024
Первая в мире DMD микросхема или матрица была изобретена не так давно, в 1987 году. Ее создал ученый Ларри Хорнбек, работающий в компании DARPA, для решений различных задач Пентагона. Топ-менеджеры компании по достоинству оценили новую разработку и начали изучение коммерческого применения микросхемы.
Спустя 7 лет после изобретения мир увидел первый DLP-проектор с применением матрицы. Специалисты со всего мира оценили новую технологию как очень перспективную и с того времени DLP вытеснило все прочие технологии на второй план на рынке. Патент на DMD-чип выкупила компания Texas Instruments и до сегодняшнего дня является собственником микросхем, поставляя их мировым производителям.
Устройство микросхемы
Матрица формируется на кремниевом кристалле КМОП-памяти. Она состоит из большого количества микрозеркал из алюминия, которые могут менять свой угол наклона. Таким образом, они могут отражать или поглощать свет, передавая на экран светлые и темные точки.
Стандартная технология использования кремния предполагает формирование матрицы запоминающих элементов. Размеры ее начинаются от 800х600, 1024х768 и больше, где выстраивается два слоя металлизации для соединения. Для ускорения доступа столбцы и строки разбивают на отдельные группы, каждая из которых управляется собственными дешифраторами и демультиплексорами.
В третьем слое металлизации собраны адресные электроды, а также шина смешения, на которой расположены посадочные зоны. Окантовку вокруг поля с микрозеркалами специально зачерняют. Это делается для того, чтобы избежать засветки вокруг экрана проектора, поддерживая высокое качество изображения.
Сам кристалл помещают в корпус с кварцевым стеклом, выполненный из металлокерамики. Для соединения контактных площадок кристалла с выводами корпуса используют проводники из золота. В самом корпусе также устанавливают специальное поле, которое будет отводить тепло от матрицы, защищая ее от перегрева.
В первых прототипах и моделях размер зеркал составлял 16x16 мкм, при этом они могли поворачиваться на угол в 10°. И это уже было достаточно много для того времени. Сегодня же размер зеркал в матрицах зависит от разрешения, а угол отклонения достигает 12°.
Зеркала крепят на торсионные подвесы, обеспечивая долговечность работы матрицы. Повороты зеркал осуществляются при помощи электростатики. Для подвесов используется сверхпрочный металл, который и гарантирует надежность технологии. Как оценивает сама компания Texas Instruments, работать такая микросхема может до 76 000 часов.
Как работает матрица
Состояние каждого пикселя изображения фиксируется в триггерах, специальных ячейках памяти. Именно они влияют на положение зеркал во время трансляции. Это происходит благодаря адресным электродам, которые подключают триггеры к микроструктуре.
Всю работу DMD-матрицы можно разделить на 6 состояний:
- Сброс. Микрозеркала притягиваются к электродам через импульс повышенного напряжения. Эта фаза защищает зеркала от “залипания” и предотвращает задержки в работе проектора.
- Освобождение. После прохождения импульса микрозеркала выстраиваются в одной плоскости, это состояние называют нейтральным положением.
- Дифференциация. На шину смещения передается промежуточное напряжение, которое выстраивает каждое зеркало в нужном положении, в зависимости от ячейки памяти.
- Приземление. На шину подается уже другой импульс напряжения, который ускоряет поворот зеркал, притягивая их к нужным электродам под максимальным углом наклона.
- Загрузка памяти. Зеркала в этой фазе не двигаются, а на ячейках памяти построчно обновляется информация.
- Готовность памяти. Во все триггеры последовательно загружена необходимая информация.
Фазы проходят попеременно, обеспечивая работу матрицы. Отразившись от зеркал, изображение через объектив проецируется на экран. Управление зеркалами осуществляется благодаря изменению напряжения в шине смещения. Оно регулируется микросхемами, которые размещают вне матрицы. Стоит отметить, что все зеркала в комплексе работают максимально синхронно. Это обеспечивает динамику работы матрицы, которая может качественно передавать движение.
За более чем четверть века работы над технологиями компанией Texas Instruments сменилось несколько поколений матриц. Каждая новая разработка получает все больше улучшений, значительно повышая характеристики моделей. Компания не планирует останавливаться на достигнутом, и продолжает исследования и разработки, поставляя миру матрицы, которые соответствуют растущим требованиям потребителя.
MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 2
В первой части рассказа о MEMS мы разобрали несколько примеров микроэлектромеханических сенсоров – устройств, преобразующих механическое воздействие в электрические импульсы. Теперь настало время обсудить MEMS-актуаторы – системы, которые превращают информацию в движение.
Одни из самых ярких представителей устройств с MEMS-актуаторами – DLP-проекторы (DLP – Digital Light Processing). В основе этих проекторов лежит относительно крупная – по общему размеру готового чипа – микроэлектромеханическая система под названием DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство). Это эксклюзивная разработка одного из гигантов полупроводниковой индустрии, компании Texas Instruments.
DMD-чип представляет собой матрицу микрозеркал, количество «боевых единиц» в которой равно разрешению итогового устройства. Скажем, для разрешения 1920х1080 – чуть больше 2 миллионов. Каждое микрозеркало – крошечная алюминиевая пластинка размером порядка 0,00001 на 0,00001 метра. Или, выражаясь в более удобных для микромира величинах – 10x10 микрон.
В одном из этих двух положений зеркальце отражает попадающий на него свет в сторону линзы и далее на экран. В другом положении – направляет световой поток в сторону, на теплоотвод. В первом случае на экране получается белая точка, во втором – черная. В результате слаженного действия всей матрицы создается картинка, состоящая из двух цветов: черного и белого.
Два микрозеркала. Одно в «черном» положении, другое – в «белом». Среднее – «горизонтальное» – положение зеркала занимают только в припаркованном состоянии, когда проектор выключенРазумеется, такое однобитное изображение – не совсем то, что нужно в XXI веке. Для начала, к чистым черному и белому возникает желание добавить градации серого. Поскольку полупрозрачность, в отличие от ЖК-матриц, здесь использовать нельзя, свет приходится отмерять механически. Для этого зеркальце «мигает» с большой частотой. Эти «подмигивания» способны обеспечить до 1024 градаций серого. Между прочим, это в 16 раз больше, чем у среднестатистической ЖК-матрицы.
Итак, градации серого есть. Остается лишь добавить цвет. Непосредственно DMD-чип к этому уже не имеет почти никакого отношения (равно как не имеют непосредственного отношения к цвету и жидкие кристаллы). Но раз уж мы начали разбираться, как работают DLP-проекторы, то имеет смысл дойти до конца. Для добавления к изображению цветовой составляющей используется колесо с несколькими секторами, каждый из которых представляет собой светофильтр.
К базовым красному, синему и зеленому для большей яркости изображения обычно добавляется еще и прозрачный сектор. Иногда для более аккуратной передачи полутонов используются дополнительные светофильтры – как дополнительные ванночки с чернилами у фотопринтеров. Колесо вращается, опять-таки, очень-очень быстро, – микрозеркальная матрица выдает для каждого светофильтра свой кадр.
В итоге зеркалам приходится «подмигивать» несколько тысяч раз в секунду: для обеспечения градаций серого, по полному «серому» кадру на каждую из цветовых составляющих, да умножить на требуемое количество кадров в секунду. И все это – чистая механика. Миниатюрная настолько, что даже на кончике иглы помещается несколько десятков элементов матрицы.
Похожие на DMD устройства разработаны Фраунгоферовским институтом полупроводниковых технологий (Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie). Используются они исключительно в научных целях. Зеркала в устройствах Фраунгоферовского института более крупные и выполнены несколько более грубо.
Микрозеркальные матрицы – частный случай оптических MEMS. Но есть и многие другие микросистемы, работающие со светом. Например, в астрономии существует весьма важная задача борьбы с искажениями, возникающими при прохождении света через неоднородную среду – атмосферу. Та же проблема актуальна и для микроскопии.
Задача решается с помощью адаптивной оптики – в частности, зеркал с изменяемой геометрией. Разумеется, существуют и макроскопические устройства такого рода. Но MEMS, как обычно, позволяет снизить цены и значительно увеличить компактность – если для телескопов последнее не так уж важно, то для микроскопов это очень даже актуально. Такие MEMS состоят из массива микрозеркал, которые могут наклоняться, подстраивая форму поверхности массива для борьбы с искажениями.
Еще один интересный случай использования микрозеркал – коммутация оптоволоконных сетей. В сложных системах задействуются зеркала, умеющие поворачиваться не по одной оси, как в DMD-чипе, а сразу по двум осям. Это позволяет создавать коммутаторы с большим количеством обслуживаемых каналов.
Современные принтеры оперируют с каплями краски объемом порядка пиколитра. А что такое пиколитр? Это шарик диаметром около 13 микрон. В одном кубическом миллиметре таких капелек помещается с десяток тысяч! Для того чтобы сформировать столь малый объем жидкости – и сформировать его строго в нужный момент – очевидно, требуется тончайшая механика. Так что и тут работает MEMS.
Происходит это следующим образом. Печатающая головка представляет собой массив из множества микроотверстий. Под отверстиями – миниатюрные полости, в которые чернила поступают из основного резервуара картриджа.
Сами собой чернила через дюзы не выливаются: диаметр отверстий настолько мал, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости просто так вытечь наружу. Краску необходимо выдавить принудительно. Для этого можно воспользоваться несколькими различными технологиями.
Например, можно разместить в микрополости пьезоэлемент. Примерно такой же, как те, что используются в зажигалках. Только процесс в данном случае идет в обратную сторону. В зажигалках пьезоэлемент вырабатывает электричество от деформации (следующей от нажатия кнопки) кристалла. В печатающей головке принтера на пьезокристалл подается ток, вследствие чего кристалл увеличивается в объеме и толкает мембрану, которая, в свою очередь, выталкивает краску наружу. Именно такой метод использует компания Epson.
Более популярный подход, который практикуют компании HP, Canon и Lexmark: термоструйная печать. В полости размещается нагревательный элемент, который мгновенно нагревает чернила до очень высокой температуры. Жидкость вскипает, увеличивается в объеме и выплескивается из полости на поверхность.
Технология развития DMD чипа и DLP проекторов
Крохотные зеркальца построены на CMOS клетке как "качели". Электростатические силы позволяют сваливаться "качелям" в указанном направлении. Если клетка ослабевает, зеркало отражает, свет лампы наталкивается на зеркала и направляется либо в поглатитель света, либо к объективу проекции, где возникает соответствующая точка изображения . Электроды получателя заботятся о том, чтобы зеркало точно позиционировалось. Это происходит с невообразимой скоростью- 10 микросекунд за движение.
По техническим причинам невозможно в течение длительного периода держать зеркало при сохранении одного цвета части изображения.
Зеркала, следовательно, в определенной частоте смещаются со своего поста. Это может иногда вызывать мерцающий пиксель.
На доске тысячи маленьких зеркал. Количество уровней зависит от разрешения чипа. Таким образом, чип с разрешением 1024 x 768, например, количеством 786 432 отдельных зеркал или HDTV чип с разрешением 1280 х 720 пикселей общей сложностью 921 600 отдельных зеркал. Каждое из этих зеркал размером около 13,7 мкм (13,7 тысячных долей миллиметра) с углом наклона от + / - 10 ° до + / - 12.
Видео сигнал осуществляется с помощью ASICS (Application Specific Integrated Circuit) на чипе передачи DMD. Чем быстрее передача, тем лучше качество изображения. Чип с DDR (Double Data Rate ") работают со скоростью передачи 7,6 Гбайт / с. Новые чипы с LVDS (Low Voltage Differential Signaling) достигают скорость до 12,8 ГБ / с. Чем быстрее чип может переключить зеркала в два положениях, тем больше глубина цвета и частота обновления.
В следующей таблице представлен обзор наиболее часто используемых DMD чипов от Texas Instruments.
Поколение.
Существуют различные системы - одна, двух или трех DMD чиповые.
3-чиповые DLP, до сих пор, являются довольно сложным типом проекторов , цена на 3 DLP проекторы от € 20 000 для домашней проекции, а для цифровой проекции в кинотеатры стоимость, как правило, даже больше чем 100 000 €
1-чиповые DLP проекторы.
Это - 1DMD-чип, цветовое колесо с использованием трех основных цветов: красный, зеленый и синий (для создания цвета). Это цветное колесо освещается лампой проектора и вращается около 3600 раз в секунду. При таком вращении цвет колеса получает 256 различных оттенков серого.
256 х 256 х 256 около 16,7 миллионов цветов.
Схема 1-чипового DLP проектора.
1 чиповые DMD проекторы часто используют цветное колесо W RGB и для избавления эффекта радуги
используется 2-RGB цветное колесо.
2 чиповые DLP проекторы.
В 2-чиповых проекторах, в цвете колеса используются пурпурный и желтый. Цветовое колесо работает как фильтр. Свет поступает через цветовое колесо в призму и распадается на два DMD чипа, красный чип и зеленый с синим. Это имеет смысл, потому что красный-DMD чип даст 300% и зеленый-синий-DMD-чип 50% яркости. Система работает так, что теперь при прохождение потока света через колесо яркость не теряется.
3-чиповые DLP проекторы.
Ниже приводится краткая информация о наиболее традиционных колесах цвета.
RGB круг. колесо цвета RGB
часто используется в кино проекторах
для дома, потому что в отличие от
цвета RGB колеса W можно достичь
более высокой контрастности.
Яркость при этом пострадает .
7-ми сегментное цветное колесо.
При добавление зелёного цвета
мы получаем заметный эффект
сглаживания.
Спиральный фильтр(SCR).
При использовании такого
колеса эффект радуги может
быть благополучно забыт -
все три цвета сочетаются
в проекторе.
Замена матрицы (DMD чипа) p/n 8060-6039B в DLP проекторе
Если на вашем DLP проекторе появились полосы / звездное небо — то эта статья для вас :)
Возникает такая неисправность из-за частичного выхода из строя DMD-чипа — массива микроскопических подвижных зеркал, сформированных в матрицу. Эта матрица устанавливается перед выходным объективом проектора, и занимается избирательным отражением лучей света проекторной лампы (который предварительно пропускается через разноцветный вращающийся диск-светофильтр).
Итак, MDM-чип p/n 8060-6039B применяется в большом количестве DLP проекторов разных производителей.
Мой список (наверняка неполный):
BENQ MS502 — сегодняшний пациент, BENQ MP515, MP515ST, MP610, MP612ST, MS510, MS513, MP615P, MS524, MS614, MS504
LG BS254, BS274, BS275
OPTOMA ES526, ES522, DS326, PRO150S
NEC NP110, NP115, VE282B
VIEWSONIC PJD5112, PJD5132
SANYO PDG-DSU30
INFOCUS IN102, IN2112
DELL 1210S
TOSHIBA TDP-S23
ACER X1161
Упаковка посылки выше всяких похвал: пупырка, внутри картонная коробка, внутри ложе из «пенки», в котором лежит запаянный антистатик-пакетик с героем обзора:
Сам DMD — чип упакован в керамический корпус, с лицевой стороны термостойкое стекло, с тыльной нанесен термоинтерфейс толщиной 1,5 мм под защитной пленкой:
Далее частично покажу разборку именно BENQ MS502 (другие проекторы будут отличаться).
Выкручивается болт на правом торце над выхлопной вент. решеткой.
Выкручиваются все на панели входов
Выкручиваются саморезы со стороны днища (фото делать не стал там все видно)
Снимается декоративная панель на верхней части корпуса, защелки по направлению стрелок
Под ней находится единственный болт, фиксирующий верхнюю крышку.
Далее снимаются шлейфы и выкручивается основная плата (main) вместе с металлической несущей рамкой (фото делать не стал)
Выкручиваются три самореза, фиксирующие шахту с радиатором и платой переходником.
Вместе с шахтой вынимается правая часть с мотором и блоком лампы (они в корпусе не фиксируется).
Выкручиваются 4 подпружиненных болта фиксации радиатора и переходной платы с DMD-чипом (сверху видна контактная гребенка)
Вид сбоку (над платой радиатор, под платой шахта, болты проходят насквозь и имеют фаску под центровку платы.
Радиатор снимается вместе с платой. После демонтажа защитите от пыли места указанные желтыми стрелками.
Сам чип центруется по двум шпенькам в углублении шахты (синие стрелки)
Кладем плату лицом к себе, открываем замок
Снимаем старую матрицу
Снимаем термоинтерфейс с новой матрицы, сравниваем — приехало то что надо ;)
Увлажняю теплосъемник оригинальной МХ-2 (если есть МХ-4 — мажьте ее)
Сборка идет в обратном порядке.
Включаю, проверяю картинку — все ок.
Читайте также: