TFTLCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理

1、TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理(一) 副標(biāo)題:    前兩次跟大家介紹有關(guān)液晶顯示器操作的基本原理, 那是針對液晶本身的特性,與TFT LCD本身結(jié)構(gòu)上的操作原理來做介紹. 這次我們針對TFT LCD的整體系統(tǒng)面來做介紹, 也就是對其驅(qū)動(dòng)原理來做介紹, 而其驅(qū)動(dòng)原理仍然因?yàn)橐恍┘軜?gòu)上差異的關(guān)系, 而有所不同. 首先我們來介紹由于Cs(storage capacitor)儲(chǔ)存電容架構(gòu)不同, 所形成不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)的原理. Cs(storage capacitor)儲(chǔ)存電容的架構(gòu)    一般最常見的儲(chǔ)存電容架構(gòu)有兩

2、種, 分別是Cs on gate與Cs on common這兩種. 這兩種顧名思義就可以知道, 它的主要差別就在于儲(chǔ)存電容是利用gate走線或是common走線來完成的. 在上一篇文章中, 我曾提到, 儲(chǔ)存電容主要是為了讓充好電的電壓,能保持到下一次更新畫面的時(shí)候之用. 所以我們就必須像在CMOS的制程之中, 利用不同層的走線, 來形成平行板電容. 而在TFT LCD的制程之中, 則是利用顯示電極與gate走線或是common走線,所形成的平行板電容,來制作出儲(chǔ)存電容Cs.     圖1就是這兩種儲(chǔ)存電容架構(gòu), 從圖中我們可以很明顯的知道, Cs on

3、gate由于不必像Cs on common一樣, 需要增加一條額外的common走線, 所以它的開口率(Aperture ratio)會(huì)比較大. 而開口率的大小, 是影響面板的亮度與設(shè)計(jì)的重要因素. 所以現(xiàn)今面板的設(shè)計(jì)大多使用Cs on gate的方式. 但是由于Cs on gate的方式, 它的儲(chǔ)存電容是由下一條的gate走線與顯示電極之間形成的.(請見圖2的Cs on gate與Cs on common的等效電路) 而gate走線, 顧名思義就是接到每一個(gè)TFT的gate端的走線, 主要就是作為gate driver送出信號, 來打開TFT, 好讓TFT對顯示電極作充放電的動(dòng)作. 所以當(dāng)下

4、一條gate走線, 送出電壓要打開下一個(gè)TFT時(shí) ,便會(huì)影響到儲(chǔ)存電容上儲(chǔ)存電壓的大小. 不過由于下一條gate走線打開到關(guān)閉的時(shí)間很短,(以1024*768分辨率, 60Hz更新頻率的面板來說. 一條gate走線打開的時(shí)間約為20us, 而顯示畫面更新的時(shí)間約為16ms, 所以相對而言, 影響有限.) 所以當(dāng)下一條gate走線關(guān)閉, 回復(fù)到原先的電壓, 則Cs儲(chǔ)存電容的電壓, 也會(huì)隨之恢復(fù)到正常. 這也是為什么, 大多數(shù)的儲(chǔ)存電容設(shè)計(jì)都是采用Cs on gate的方式的原因.    至于common走線, 我們在這邊也需要順便介紹一下. 從圖2中我們可以發(fā)現(xiàn),

5、不管您采用怎樣的儲(chǔ)存電容架構(gòu), Clc的兩端都是分別接到顯示電極與common. 既然液晶是充滿在上下兩片玻璃之間, 而顯示電極與TFT都是位在同一片玻璃上, 則common電極很明顯的就是位在另一片玻璃之上. 如此一來, 由液晶所形成的平行板電容Clc, 便是由上下兩片玻璃的顯示電極與common電極所形成. 而位于Cs儲(chǔ)存電容上的common電極, 則是另外利用位于與顯示電極同一片玻璃上的走線, 這跟Clc上的common電極是不一樣的, 只不過它們最后都是接到相同的電壓就是了. 整塊面板的電路架構(gòu)    從圖3中我們可以看到整片面板的等效電路, 其

6、中每一個(gè)TFT與Clc跟Cs所并聯(lián)的電容, 代表一個(gè)顯示的點(diǎn). 而一個(gè)基本的顯示單元pixel,則需要三個(gè)這樣顯示的點(diǎn),分別來代表RGB三原色. 以一個(gè)1024*768分辨率的TFT LCD來說, 共需要1024*768*3個(gè)這樣的點(diǎn)組合而成. 整片面板的大致結(jié)構(gòu)就是這樣, 然后再藉由如圖3中 gate driver所送出的波形, 依序?qū)⒚恳恍械腡FT打開, 好讓整排的source driver同時(shí)將一整行的顯示點(diǎn), 充電到各自所需的電壓, 顯示不同的灰階. 當(dāng)這一行充好電時(shí), gate driver便將電壓關(guān)閉, 然后下一行的gate driver便將電壓打開, 再由相同的一排source

7、driver對下一行的顯示點(diǎn)進(jìn)行充放電. 如此依序下去, 當(dāng)充好了最后一行的顯示點(diǎn), 便又回過來從頭從第一行再開始充電. 以一個(gè)1024*768 SVGA分辨率的液晶顯示器來說, 總共會(huì)有768行的gate走線, 而source走線則共需要1024*3=3072條. 以一般的液晶顯示器多為60Hz的更新頻率來說, 每一個(gè)畫面的顯示時(shí)間約為1/60=16.67ms. 由于畫面的組成為768行的gate走線, 所以分配給每一條gate走線的開關(guān)時(shí)間約為16.67ms/768=21.7us. 所以在圖3 gate driver送出的波形中, 我們就可以看到, 這些波形為一個(gè)接著一個(gè)寬度為21.7us

8、的脈波, 依序打開每一行的TFT. 而source driver則在這21.7us的時(shí)間內(nèi), 經(jīng)由source走線, 將顯示電極充放電到所需的電壓, 好顯示出相對應(yīng)的灰階. 面板的各種極性變換方式    由于液晶分子還有一種特性,就是不能夠一直固定在某一個(gè)電壓不變, 不然時(shí)間久了, 你即使將電壓取消掉, 液晶分子會(huì)因?yàn)樘匦缘钠茐? 而無法再因應(yīng)電場的變化來轉(zhuǎn)動(dòng), 以形成不同的灰階. 所以每隔一段時(shí)間, 就必須將電壓恢復(fù)原狀, 以避免液晶分子的特性遭到破壞. 但是如果畫面一直不動(dòng), 也就是說畫面一直顯示同一個(gè)灰階的時(shí)候怎么辦? 所以液晶顯示器內(nèi)的顯示電壓就

9、分成了兩種極性, 一個(gè)是正極性, 而另一個(gè)是負(fù)極性. 當(dāng)顯示電極的電壓高于common電極電壓時(shí), 就稱之為正極性. 而當(dāng)顯示電極的電壓低于common電極的電壓時(shí), 就稱之為負(fù)極性. 不管是正極性或是負(fù)極性, 都會(huì)有一組相同亮度的灰階. 所以當(dāng)上下兩層玻璃的壓差絕對值是固定時(shí), 不管是顯示電極的電壓高, 或是common電極的電壓高, 所表現(xiàn)出來的灰階是一模一樣的. 不過這兩種情況下, 液晶分子的轉(zhuǎn)向卻是完全相反, 也就可以避免掉上述當(dāng)液晶分子轉(zhuǎn)向一直固定在一個(gè)方向時(shí), 所造成的特性破壞. 也就是說, 當(dāng)顯示畫面一直不動(dòng)時(shí), 我們?nèi)匀豢梢越逵烧?fù)極性不停的交替, 達(dá)到顯示畫面不動(dòng), 同時(shí)液晶

10、分子不被破壞掉特性的結(jié)果. 所以當(dāng)您所看到的液晶顯示器畫面雖然靜止不動(dòng), 其實(shí)里面的電壓正在不停的作更換, 而其中的液晶分子正不停的一次往這邊轉(zhuǎn), 另一次往反方向轉(zhuǎn)呢!    圖4就是面板各種不同極性的變換方式, 雖然有這么多種的轉(zhuǎn)換方式, 它們有一個(gè)共通點(diǎn), 都是在下一次更換畫面數(shù)據(jù)的時(shí)候來改變極性. 以60Hz的更新頻率來說, 也就是每16ms, 更改一次畫面的極性. 也就是說, 對于同一點(diǎn)而言, 它的極性是不停的變換的. 而相鄰的點(diǎn)是否擁有相同的極性, 那可就依照不同的極性轉(zhuǎn)換方式來決定了. 首先是frame inversion,  它整個(gè)畫面所有

11、相鄰的點(diǎn), 都是擁有相同的極性. 而row inversion與column inversion則各自在相鄰的行與列上擁有相同的極性. 另外在dot inversion上, 則是每個(gè)點(diǎn)與自己相鄰的上下左右四個(gè)點(diǎn), 是不一樣的極性. 最后是delta inversion, 由于它的排列比較不一樣, 所以它是以RGB三個(gè)點(diǎn)所形成的pixel作為一個(gè)基本單位, 當(dāng)以pixel為單位時(shí), 它就與dot inversion很相似了, 也就是每個(gè)pixel與自己上下左右相鄰的pixel,是使用不同的極性來顯示的. Common電極的驅(qū)動(dòng)方式    圖5及圖6為兩種不

12、同的Common電極的電壓驅(qū)動(dòng)方式, 圖5中Common電極的電壓是一直固定不動(dòng)的, 而顯示電極的電壓卻是依照其灰階的不同, 不停的上下變動(dòng). 圖5中是256灰階的顯示電極波形變化, 以V0這個(gè)灰階而言, 如果您要在面板上一直顯示V0這個(gè)灰階的話, 則顯示電極的電壓就必須一次很高, 但是另一次卻很低的這種方式來變化. 為什么要這么復(fù)雜呢? 就如同我們前面所提到的原因一樣, 就是為了讓液晶分子不會(huì)一直保持在同一個(gè)轉(zhuǎn)向, 而導(dǎo)致物理特性的永久破壞. 因此在不同的frame中, 以V0這個(gè)灰階來說, 它的顯示電極與common電極的壓差絕對值是固定的, 所以它的灰階也一直不曾更動(dòng). 只不過位在Clc

13、兩端的電壓, 一次是正的, 稱之為正極性, 而另一次是負(fù)的, 稱之為負(fù)極性. 而為了達(dá)到極性不停變換這個(gè)目的, 我們也可以讓common電壓不停的變動(dòng), 同樣也可以達(dá)到讓Clc兩端的壓差絕對值固定不變, 而灰階也不會(huì)變化的效果, 而這種方法, 就是圖6所顯示的波形變化. 這個(gè)方法只是將common電壓 一次很大, 一次很小的變化. 當(dāng)然啦, 它一定要比灰階中最大的電壓還大, 而電壓小的時(shí)候則要比灰階中最小的電壓還要小才行. 而各灰階的電壓與圖5中的一樣, 仍然要一次大一次小的變化.    這兩種不同的Common驅(qū)動(dòng)方式影響最大的就是source driver的使

14、用. 以圖7中的不同Common電壓驅(qū)動(dòng)方式的穿透率來說, 我們可以看到, 當(dāng)common電極的電壓是固定不變的時(shí)候, 顯示電極的最高電壓, 需要到達(dá)common電極電壓的兩倍以上. 而顯示電極電壓的提供, 則是來自于source driver. 以圖七中common電極電壓若是固定于5伏特的話, 則source driver所能提供的工作電壓    范圍就要到10伏特以上. 但是如果common電極的電壓是變動(dòng)的話, 假使common電極電壓最大為5伏特, 則source driver的最大工作電壓也只要為5伏特就可以了. 就source driver的設(shè)計(jì)制造

15、來說, 需要越高電壓的工作范圍, 制程與電路的復(fù)雜度相對會(huì)提高, 成本也會(huì)因此而加高. 面板極性變換與common電極驅(qū)動(dòng)方式的選用    并不是所有的面板極性轉(zhuǎn)換方式都可以搭配上述兩種common電極的驅(qū)動(dòng)方式. 當(dāng)common電極電壓固定不變時(shí), 可以使用所有的面板極性轉(zhuǎn)換. 但是如果common電壓是變動(dòng)的話, 則面板極性轉(zhuǎn)換就只能選用frame inversion與row inversion.(請見表1) 也就是說, 如果你想使用column inversion或是dot inversion的話, 你就只能選用 common電極電壓固定不動(dòng)的驅(qū)動(dòng)

16、方式. 為什么呢? 之前我們曾經(jīng)提到 common電極是位于跟顯示電極不同的玻璃上, 在實(shí)際的制作上時(shí), 其實(shí)這一整片玻璃都是common電極. 也就是說, 在面板上所有的顯示點(diǎn), 它們的common電壓是全部接在一起的. 其次由于gate driver的操作方式是將同一行的所有TFT打開, 好讓source driver去充電, 而這一行的所有顯示點(diǎn), 它的common電極都是接在一起的, 所以如果你是選用common電極電壓是可變動(dòng)的方式的話, 是無法在一行TFT上, 來同時(shí)做到顯示正極性與負(fù)極性的. 而column inversion與dot inversion的極性變換方式, 在一行的

17、顯示點(diǎn)上, 是要求每個(gè)相鄰的點(diǎn)擁有不同的正負(fù)極性的. 這也就是為什么 common電極電壓變動(dòng)的方式僅能適用于frame inversion與row inversion的緣故. 而common電極電壓固定的方式, 就沒有這些限制. 因?yàn)槠鋍ommon電壓一直固定, 只要source driver能將電壓充到比common大就可以得到正極性, 比common電壓小就可以得到負(fù)極性, 所以common電極電壓固定的方式, 可以適用于各種面板極性的變換方式. 表1 面板極性變換方式可使用的common電極驅(qū)動(dòng)方式Frame inversion固定與變動(dòng)Row inversion固定與變動(dòng)C

18、olumn inversion只能使用固定的common電極電壓Dot inversion只能使用固定的common電極電壓各種面板極性變換的比較    現(xiàn)在常見使用在個(gè)人計(jì)算機(jī)上的液晶顯示器, 所使用的面板極性變換方式, 大部分都是dot inversion. 為什么呢? 原因無它, 只因?yàn)閐ot inversion的顯示品質(zhì)相對于其它的面板極性變換方式, 要來的好太多了. 表2是各種面板極性變換方式的比較表. 所謂Flicker的現(xiàn)象, 就是當(dāng)你看液晶顯示器的畫面上時(shí), 你會(huì)感覺到畫面會(huì)有閃爍的感覺. 它并不是故意讓顯示畫面一亮一滅來做出閃爍的視覺效果, 而是

19、因?yàn)轱@示的畫面灰階在每次更新畫面時(shí), 會(huì)有些微的變動(dòng), 讓人眼感受到畫面在閃爍. 這種情況最容易發(fā)生在使用frame inversion的極性變換方式, 因?yàn)閒rame inversion整個(gè)畫面都是同一極性, 當(dāng)這次畫面是正極性時(shí), 下次整個(gè)畫面就都變成了是負(fù)極性. 假若你是使用common電壓固定的方式來驅(qū)動(dòng), 而common電壓又有了一點(diǎn)誤差(請見圖8), 這時(shí)候正負(fù)極性的同一灰階電壓便會(huì)有差別, 當(dāng)然灰階的感覺也就不一樣. 在不停切換畫面的情況下, 由于正負(fù)極性畫面交替出現(xiàn),你就會(huì)感覺到Flicker的存在. 而其它面板的極性變換方式, 雖然也會(huì)有此flicker的現(xiàn)象, 但由于它不像

20、frame inversion 是同時(shí)整個(gè)畫面一齊變換極性, 只有一行或是一列, 甚至于是一個(gè)點(diǎn)變化極性而已. 以人眼的感覺來說, 就會(huì)比較不明顯. 至于crosstalk的現(xiàn)象, 它指的就是相鄰的點(diǎn)之間, 要顯示的資料會(huì)影響到對方, 以致于顯示的畫面會(huì)有不正確的狀況. 雖然crosstalk的現(xiàn)象成因有很多種, 只要相鄰點(diǎn)的極性不一樣, 便可以減低此一現(xiàn)象的發(fā)生. 綜合這些特性, 我們就可以知道, 為何大多數(shù)人都使用dot inversion了.表2 面板極性變換方式Flicker的現(xiàn)象Crosstalk的現(xiàn)象Frame inversion明顯垂直與水平方向都易發(fā)生Row inversion

21、不明顯水平方向容易發(fā)生Column inversion不明顯垂直方向容易發(fā)生Dot inversion幾乎沒有不易發(fā)生    面板極性變換方式, 對于耗電也有不同的影響. 不過它在耗電上需要考量其搭配的common電極驅(qū)動(dòng)方式. 一般來說 common電極電壓若是固定, 其驅(qū)動(dòng)common電極的耗電會(huì)比較小. 但是由于搭配common電壓固定方式的source driver其所需的電壓比較高, 反而在source driver的耗電會(huì)比較大. 但是如果使用相同的common電極驅(qū)動(dòng)方式, 在source driver的耗電來說,就要考量其輸出電壓的變動(dòng)頻率與變動(dòng)電

22、壓大小. 一般來說, 在此種情形下, source driver的耗電,會(huì)有 dot inversion > row inversion > column inversion > frame inversion的狀況. 不過現(xiàn)今由于dot inversion的source driver多是使用PN型的OP, 而不是像row inversion是使用rail to rail OP, 在source driver中OP的耗電就會(huì)比較小. 也就是說由于source driver在結(jié)構(gòu)及電路上的改進(jìn), 雖然先天上它的輸出電壓變動(dòng)頻率最高也最大(變動(dòng)電壓最大接近10伏特,而row in

23、version面板由于多是使用common電極電壓變動(dòng)的方式,其source driver的變動(dòng)電壓最大只有5伏特,耗電上會(huì)比較小), 但dot inversion面板的整體耗電已經(jīng)減低很多了. 這也就是為什么大多數(shù)的液晶顯示器都是使用dot inversion的方式.參考數(shù)據(jù):1.交通大學(xué)次微米人才培訓(xùn)課程, 平面顯示器原理講義.2.財(cái)團(tuán)法人自強(qiáng)基金會(huì)電子工業(yè)人才培訓(xùn)課程, 液晶顯示器顯示原理講義.TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理(二) 副標(biāo)題:發(fā)表日期： 2005-2-26 12:36:33   作者： 謝崇凱   點(diǎn)擊數(shù) 2612

24、60;      續(xù)  TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理(一)    上次跟大家介紹液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理中有關(guān)儲(chǔ)存電容架構(gòu),面板極性變換方式,以及common電壓的驅(qū)動(dòng)方式.這次我們延續(xù)上次的內(nèi)容,繼續(xù)針對feed through電壓,以及二階驅(qū)動(dòng)的原理來做介紹.簡單來說Feed through電壓主要是由于面板上的寄生電容而產(chǎn)生的,而所謂三階驅(qū)動(dòng)的原理就是為了解決此一問題而發(fā)展出來的解決方式,不過我們這次只介紹二階驅(qū)動(dòng),至于三階驅(qū)動(dòng)甚至是四階驅(qū)動(dòng)則留到下一次再介紹.在介紹feed through電壓之

25、前,我們先解釋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中g(shù)ate driver所送出波形的timing圖.SVGA分辨率的二階驅(qū)動(dòng)波形    我們常見的1024*768分辨率的屏幕,就是我們通常稱之為SVGA分辨率的屏幕.它的組成顧名思義就是以1024*768=786432個(gè)pixel來組成一個(gè)畫面的數(shù)據(jù).以液晶顯示器來說,共需要1024*768*3個(gè)點(diǎn)(乘3是因?yàn)橐粋€(gè)pixel需要藍(lán)色,綠色,紅色三個(gè)點(diǎn)來組成.)來顯示一個(gè)畫面.通常在面板的規(guī)劃,把一個(gè)平面分成X-Y軸來說,在X軸上會(huì)有1024*3=3072列.這3072列就由8顆384輸出channel的source driver來負(fù)責(zé)推動(dòng).

26、而在Y軸上,會(huì)有768行.這768行,就由3顆256輸出channel的gate driver來負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng).圖1就是SVGA分辨率的gate driver輸出波形的timing圖.圖中g(shù)ate 1 768分別代表著768個(gè)gate driver的輸出.以SVGA的分辨率,60Hz的畫面更新頻率來計(jì)算,一個(gè)frame的周期約為16.67 ms.對gate 1來說,它的啟動(dòng)時(shí)間周期一樣為16.67ms.而在這16.67 ms之間,分別需要讓gate 1 768共768條輸出線,依序打開再關(guān)閉.所以分配到每條線打開的時(shí)間僅有16.67ms/768=21.7us而已.所以每一條gate driver打開

27、的時(shí)間相對于整個(gè)frame是很短的,而在這短短的打開時(shí)間之內(nèi),source driver再將相對應(yīng)的顯示電極充電到所需的電壓.    而所謂的二階驅(qū)動(dòng)就是指gate driver的輸出電壓僅有兩種數(shù)值,一為打開電壓,一為關(guān)閉電壓.而對于common電壓不變的驅(qū)動(dòng)方式,不管何時(shí)何地,電壓都是固定不動(dòng)的.但是對于common電壓變動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式,在每一個(gè)frame開始的第一條gate 1打開之前,就必須把電壓改變一次.為什么要將這些輸出電壓的timing介紹過一次呢?因?yàn)槲覀兘酉聛硪懻摰膄eed through電壓,它的成因主要是因?yàn)槊姘迳掀渌妷旱淖兓?經(jīng)由寄生電容

28、或是儲(chǔ)存電容,影響到顯示電極電壓的正確性.在LCD面板上主要的電壓變化來源有3個(gè),分別是gate driver電壓變化,source driver電壓變化,以及common電壓變化.而這其中影響最大的就是gate driver電壓變化(經(jīng)由Cgd或是Cs),以及common電壓變化(經(jīng)由Clc或是Cs+Clc).Cs on common架構(gòu)且common電壓固定不動(dòng)的feed through電壓    我們剛才提到,造成有feed through電壓的主因有兩個(gè).而在common電壓固定不動(dòng)的架構(gòu)下,造成feed through電壓的主因就只有g(shù)ate drive

29、r的電壓變化了.在圖2中,就是顯示電極電壓因?yàn)閒eed through電壓影響,而造成電壓變化的波形圖.在圖中,請注意到gate driver打開的時(shí)間,相對于每個(gè)frame的時(shí)間比例是不正確的.在此我們是為了能仔細(xì)解釋每個(gè)frame的動(dòng)作,所以將gate driver打開的時(shí)間畫的比較大.請記住,正確的gate driver打開時(shí)間是如同圖1所示,需要在一個(gè)frame的時(shí)間內(nèi),依序?qū)?68個(gè)gate driver走線打開的.所以每個(gè)gate走線打開的時(shí)間,相對于一個(gè)frame的時(shí)間,是很短的.    當(dāng)gate走線打開或關(guān)閉的那一瞬間,電壓的變化是最激烈的,大約

30、會(huì)有3040伏特,再經(jīng)由Cgd的寄生電容,影響到顯示電極的電壓.在圖3中,我們可以看到Cgd寄生電容的存在位置.其實(shí)Cgd的發(fā)生,跟一般的CMOS電路一樣,是位于MOS的gate與drain端的寄生電容.但是由于在TFT LCD面板上gate端是接到gate driver輸出的走線,因此一但在gate driver輸出走在線的電壓有了激烈變化,便會(huì)影響到顯示電極上的電壓.在圖2之中,當(dāng)Frame N的gate走線打開時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的feed through電壓到顯示電極之上.不過此時(shí)由于gate走線打開的緣故,source driver會(huì)對顯示電極開始充電,因此即便一開始的電壓不對(因?yàn)閒

31、eed through電壓的影響),source driver仍會(huì)將顯示電極充電到正確的電壓,影響便不會(huì)太大.但是如果當(dāng)gate走線關(guān)閉的時(shí)候,由于source driver已經(jīng)不再對顯示電極充電,所以gate driver關(guān)閉時(shí)的電壓壓降(3040伏特),便會(huì)經(jīng)由Cgd寄生電容feed through到顯示電極之上,造成顯示電極電壓有一個(gè)feed through的電壓壓降,而影響到灰階顯示的正確性.而且這個(gè)feed through電壓不像gate走線打開時(shí)的feed through電壓一樣,只影響一下子,由于此時(shí)source driver已經(jīng)不再對顯示電極充放電,feed through電壓

32、壓降會(huì)一值影響顯示電極的電壓,直到下一次gate driver走在線的電壓再打開的時(shí)后.所以這個(gè)feed through電壓對于顯示畫面的灰階的影響,人眼是可以明確的感覺到它的存在的.而在Frame N+1的時(shí)候,剛開始當(dāng)gate driver走線打開的那一瞬間,也會(huì)對顯示電極產(chǎn)生一個(gè)向上的feed through電壓,不過這時(shí)候由于gate已經(jīng)打開的緣故,source driver會(huì)開始對顯示電極充電,因此這個(gè)向上的feed through電壓影響的時(shí)間便不會(huì)太長.但是當(dāng)gate走線再度關(guān)閉的時(shí)候,向下的feed through電壓便會(huì)讓處在負(fù)極性的顯示電極電壓再往下降,而且受到影響的負(fù)極性

33、顯示電壓會(huì)一直維持到下一次gate走線再打開的時(shí)候.所以整體來說,顯示電極上的有效電壓,會(huì)比source driver的輸出電壓要低.而減少的電壓大小剛好為gate走線電壓變化經(jīng)由Cgd的feed through電壓.這個(gè)電壓有多大呢?    在圖4中,我們以電荷不滅定律,可以推導(dǎo)出feed through電壓為 (Vg2 Vg1) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs) .假設(shè)Cgd=0.05pF,而Clc=0.1pF, Cs=0.5pF且gate走線從打開到關(guān)閉的電壓為 35伏特的話. 則feed through電壓為 35*0.05 / (0.05

34、+0.1+0.5) = 2.69伏特. 一般一個(gè)灰階與另一個(gè)灰階的電壓差約僅有30到50 mV而已(這是以6 bit的分辨率而言,若是8 bit分辨率則僅有3到5 mV而已).因此feed through電壓影響灰階是很嚴(yán)重的.以normal white的偏光板配置來說,會(huì)造成正極性的灰階會(huì)比原先預(yù)期的來得更亮,而負(fù)極型的灰階會(huì)比原先預(yù)期的來得更暗.不過恰好feed through電壓的方向有一致性,所以我們只要將common電壓向下調(diào)整即可.從圖2中我們可以看到,修正后的common電壓與原先的common電壓的壓差恰好等于feed through電壓. Cs on common架

35、構(gòu)且common電壓變動(dòng)的feed through電壓    圖5為Cs on common且common電壓變動(dòng)的電壓波形,由于其common電壓是隨著每一個(gè)frame而變動(dòng)的,因此跟common電壓固定的波形比較起來.其產(chǎn)生的feed through電壓來源會(huì)再多增加一個(gè),那就是common電壓的變化.這個(gè)common電壓的變化,經(jīng)由Clc+Cs的電容,便會(huì)影響到顯示電極的電壓.且由于整個(gè)LCD面板上所有顯示點(diǎn)的Clc與Cs都是接到common電壓,所以一但common電壓有了變化,受影響的就是整個(gè)面板的所有點(diǎn).跟前面gate電壓變化不一樣的是,gate電壓變

36、化影響到的只是一整行的顯示點(diǎn)而已.不過Common電壓變化雖然對顯示電極的電壓有影響,但是對于灰階的影響卻沒有像gate電壓變化來的大.怎么說呢?如果我們使用跟前面一樣的電容參數(shù)值,再套用圖6所推導(dǎo)出來的公式,再假設(shè)Common電壓由0伏特變到5伏特,則common電壓變化所產(chǎn)生的feed through電壓為(5 -0)*(0.1pF+ 0.5pF) / (0.05pF + 0.1pF +0.5pF) = 5 * 0.6/0.65=4.62伏特.雖然顯示電極增加這么多電壓,但是common電極也增加了5伏特.因此在Clc兩端,也就是液晶的兩端,所看到的壓差變化,就只有4.62-5=0.38伏

37、特而已.跟之前gate走線電壓變化所產(chǎn)生的feed through電壓2.69伏特比較起來要小的多了,所以對灰階的影響也小多了.且由于它所產(chǎn)生的feed through電壓有對稱性,不像Gate走線所產(chǎn)生的feed through電壓是一律往下,所以就同一個(gè)顯示點(diǎn)來說,在視覺對灰階的表現(xiàn)影響會(huì)比較小.當(dāng)然啦,雖然比較小,但是由于對整個(gè)LCD面板的橫向的768行來說, common電壓變化所發(fā)生的時(shí)間點(diǎn),跟gate走線打開的時(shí)間間隔并不一致,所以對整個(gè)畫面的灰階影響是不一樣的.這樣一來,就很難做調(diào)整以便改進(jìn)畫面品質(zhì),這也是為什么common電壓變動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式,越來越少人使用的緣故.Cs on g

38、ate架構(gòu)且common電壓固定不動(dòng)的feed through電壓    圖7是Cs on gate且common電壓固定不動(dòng)的電壓波形圖.它并沒有common電壓變化所造成的feed through電壓,它只有由于gate電壓變化所造成的feed through電壓.不過它跟Cs on common不一樣的是,由gate電壓變化所造成的feed through電壓來源有兩個(gè)地方,一個(gè)是自己這一條gate走線打開經(jīng)由Cgd產(chǎn)生的feed through電壓,另一個(gè)則是上一條gate走線打開時(shí),經(jīng)由Cs所產(chǎn)生的feed through電壓.經(jīng)由Cgd的feed th

39、rough電壓跟前面所討論過的狀況是一樣的,在這邊就不再提了.但是經(jīng)由Cs的feed through電壓,是因?yàn)镃s on gate的關(guān)系,如圖3所示.Cs on gate的架構(gòu),它的儲(chǔ)存電容另一端并不是接到common電壓,而是接到前一條gate走線,因此在我們這一條gate走線打開之前,也就是前一條gate走線打開時(shí),在前一條gate走線的電壓變化,便會(huì)經(jīng)由Cs對我們的顯示電極造成feed through電壓.依照圖8的公式,同時(shí)套用前面的電容參數(shù)與gate電壓變化值,我們可得到此一feed through電壓約為 35*0.5pF/(0.5pF+0.1pF+0.05pF)=26.92伏特

40、.這樣的feed through電壓是很大的,不過當(dāng)前一條gate走線關(guān)閉時(shí),這個(gè)feed through電壓也會(huì)隨之消失.而且前一條gate走線從打開到關(guān)閉,以SVGA分辨率的屏幕來說,約只有21.7us的時(shí)間而已.相對于一個(gè)frame的時(shí)間16.67ms是很短的.再者當(dāng)前一條gate走線的feed through電壓影響顯示電極后,我們這一條的gate走線也隨之打開,source driver立刻將顯示電極的電壓充放電到所要的目標(biāo)值.從這種種的結(jié)果看來,前一條gate走線的電壓變化,對于我們的顯示電極所表現(xiàn)的灰階,幾乎是沒有影響的.因此對于Cs on gate且common電壓固定不動(dòng)的驅(qū)

41、動(dòng)方式來說,影響最大的仍然是gate走在線電壓變化經(jīng)由Cgd產(chǎn)生的feed through電壓,而其解決方式跟前面幾個(gè)一樣,只需將common電壓往下調(diào)整即可.Cs on gate架構(gòu)且common電壓變動(dòng)的feed through電壓    圖9是Cs on gate架構(gòu)且common電壓變動(dòng)的feed through電壓波形圖.這樣子的架構(gòu),剛好有了前面3種架構(gòu)的所有缺點(diǎn),那就是 gate走線經(jīng)由Cgd的feed through電壓,和前一條gate走線經(jīng)由Cs的feed through電壓,以及Common電壓變化經(jīng)由Clc的feed through電壓.可

42、想而知,在實(shí)際的面板設(shè)計(jì)上幾乎是沒有人使用這種架構(gòu)的.而這4種架構(gòu)中最常用的就是 Cs on gate架構(gòu)且common電壓固定不動(dòng)的架構(gòu).因?yàn)樗恍枰紤]經(jīng)由Cgd的feed through電壓,而Cs on gate的架構(gòu)可得到較大的開口率的緣故.二階驅(qū)動(dòng)(Two level addressing)的效應(yīng)請關(guān)注：TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理(三)來 自: 平板顯示吧 責(zé)任編輯: admin TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理(三) 副標(biāo)題:發(fā)表日期： 2005-2-26 12:50:45   作者： 謝崇凱   點(diǎn)擊數(shù) 3656

43、60;      TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理(一)>TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理(二)     上次跟大家介紹液晶顯示器的二階驅(qū)動(dòng)原理,以及因?yàn)閒eed through電壓所造成的影響. 為了解決這些現(xiàn)象, 于是有了三階驅(qū)動(dòng)甚至于四階驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì). 接下來我們先針對三階驅(qū)動(dòng)的原理作介紹. 三階驅(qū)動(dòng)的原理(Three level addressing method)    二階驅(qū)動(dòng)的原理中, 雖然有各種不同的feed through電壓, 但是影響最大的仍是經(jīng)

44、由Cgd所產(chǎn)生的feed through電壓. 也因此在二階驅(qū)動(dòng)時(shí)需要調(diào)整common電壓, 以改進(jìn)灰階品質(zhì). 但是由于Clc并非是一個(gè)固定的參數(shù), 讓調(diào)整common電壓以便改進(jìn)影像品質(zhì)目的不易達(dá)成. 因此便有了三階驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì), 期望在不必變動(dòng)common電壓的情形下, 將feed through電壓給補(bǔ)償回來.    三階驅(qū)動(dòng)的基本原理是這樣的, 利用經(jīng)由Cs的feed through電壓, 來補(bǔ)償經(jīng)由Cgd所產(chǎn)生的feed though電壓. 也就是因?yàn)樾枰肅s來補(bǔ)償, 所以三階驅(qū)動(dòng)的方法只能使用在面板架構(gòu)為Cs on gate的方式. 圖1就是三階驅(qū)動(dòng)

45、gate driver電壓的波形, 從這個(gè)三階驅(qū)動(dòng)的波形中我們可以知道, 三階驅(qū)動(dòng)波形跟二階驅(qū)動(dòng)不一樣的是, 它的gate driver驅(qū)動(dòng)波形之中, 會(huì)有三種不一樣的電壓. 當(dāng)gate driver關(guān)閉時(shí), 會(huì)將電壓拉到最低的電壓, 等到下一條的gater driver走線也關(guān)閉后,再將電壓拉回. 而這個(gè)拉回的電壓, 就是為了去補(bǔ)償下一條線的feed through電壓. 也就是說, 每一條gate driver走線關(guān)閉時(shí), 經(jīng)由Cgd所產(chǎn)生的feed through電壓, 是由上一條走線將電壓拉回時(shí),經(jīng)由Cs所產(chǎn)生的feed through電壓來補(bǔ)償?shù)? 既然是經(jīng)由拉回的電壓來補(bǔ)償, 那拉

46、回電壓的大小要如何計(jì)算呢? 上次我們有提到feed through電壓的計(jì)算方式, 我們可以依照上次的公式來計(jì)算所需的電壓 : 經(jīng)Cgd的Feed through電壓 = (Vg_high Vg_low) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs) ; Vg_high與Vg_low分別為gate driver走線打開與關(guān)閉的電壓.經(jīng)Cs的Feed through電壓 = (Vp2 Vp1) * Cs / (Cgd + Clc + Cs) ; Vp2與Vp1分別為上一條gate走線拉回前與拉回后的電壓.    如果需要兩者互相抵消, 則經(jīng)Cgd的Feed th

47、rough電壓需要等于經(jīng)Cs的Feed through電壓. 所以需拉回的電壓為Ve=Vp2-Vp1=(Vg_high Vg_low) * Cgd / Cs ,而從圖1中我們知道Vg_high Vg_low= Vg + Ve , 所以需拉回的電壓Ve= (Vg + Ve) * Cgd / Cs ,也就是Ve= Vg * Cgd / Cs Cgd .    從上述的公式推導(dǎo)中, 我們發(fā)現(xiàn)雖然Clc會(huì)影響feed through電壓的大小, 但是藉由三階驅(qū)動(dòng)的方式, Clc的影響就不見了. 因此當(dāng)我們在面板制程與gate drvier的打開電壓確定之后, 就可以精確的

48、計(jì)算出所需要的拉回電壓了.    圖2是三階驅(qū)動(dòng)的電壓分布示意圖. 我們可以看到最左邊的是由source driver所輸出的電壓分布, 這是顯示電極所充電電壓的最原始狀況. 而中間的電壓分布, 就是顯示電極受到經(jīng)由Cgd的feed through電壓影響的變化. 一般二階驅(qū)動(dòng)就是只有到這里, 所以需要修正common電壓的大小, 以便以少灰階的失真程度. 而三階驅(qū)動(dòng)藉由Cs的feed through電壓影響的情形, 則可以由最右邊的電壓分布來看出. 在這時(shí)候, 只要拿捏好拉回電壓Ve的大小, 便可以將原本受到經(jīng)由Cgd的feed through電壓影響的電壓分布, 補(bǔ)償?shù)?/p>

49、跟最左邊的電壓分布一樣, 如此一來就不必再去修正common電壓的大小了.    圖3是三階驅(qū)動(dòng)的電壓波形圖. 正如先前所說過的, 由于三階驅(qū)動(dòng)需要利用前一條的gate driver走線來補(bǔ)償, 所以只能使用于Cs on gate的架構(gòu). 而且由于有電壓補(bǔ)償?shù)年P(guān)系, common電壓就不必再做修正了. 在圖3中, 屬于gate driver電壓有兩種, 一個(gè)是前一條gate driver的電壓波形, 用虛線來表示. 而用實(shí)線表示的是屬于打開我們要討論的顯示電極電壓波形的gate driver走線電壓. 從此圖形我們可以知道, 實(shí)線的gate driver走線關(guān)閉時(shí)

50、, 會(huì)經(jīng)由Cgd產(chǎn)生一個(gè)feed through電壓, 而這個(gè)向下的電壓偏移量, 在前一條gate driver走線的拉回電壓經(jīng)Cs所產(chǎn)生的feed through電壓影響后, 便可以讓顯示電極恢復(fù)到原先的電壓準(zhǔn)位. 而前一條gate driver走線經(jīng)由Cs的Feed through電壓還有另一種狀況, 那就是在前一條gate driver走線打開時(shí)所產(chǎn)生的feed through電壓, 這個(gè)電壓值雖然很大, 不過由于其影響的時(shí)間, 相對于整個(gè)frame來說, 相當(dāng)?shù)亩? 因此對顯示畫面并不會(huì)有多大的影響.    圖四是使用三階驅(qū)動(dòng)針對gate driver走線

51、電壓變動(dòng)所形成的feed through電壓更仔細(xì)的顯示電極電壓波形圖. 跟圖三不一樣的是, 這個(gè)圖形有考慮到當(dāng)gate driver走線電壓拉回時(shí)經(jīng)由Cgd所造成的feed through電壓. 原本拉回電壓是為了補(bǔ)償下一條gate driver走在線的顯示電極, 但是它的副作用就是也會(huì)對gate driver走線所在位置的顯示電極產(chǎn)生影響. 所以拉回電壓的設(shè)計(jì)考量, 并不是一次將所有電壓補(bǔ)償回來, 而是使用兩次的feed through電壓補(bǔ)償. 一次是上一條gate driver走線經(jīng)由Cs的feed through電壓來補(bǔ)償, 一次則藉由顯示電極所在位置的gate driver走線,它

52、的拉回電壓經(jīng)由Cgd的feed through電壓來補(bǔ)償.    總括來說, 使用三階驅(qū)動(dòng)的方式比起二階驅(qū)動(dòng)的方式來說, 可以不用調(diào)整common電壓就可以克服feed through電壓的影響. 而且也可以避免由于Clc的非線性關(guān)系所造成的灰階問題. 不過跟底下要介紹的四階驅(qū)動(dòng)比較起來, 它仍然需要使用較高輸出電壓的source driver. 接下來要介紹的四階驅(qū)動(dòng), 它在common電壓固定不變的狀況下, 并不需要使用高電壓輸出的source driver,就可以達(dá)到分別出正負(fù)極性電壓的結(jié)果了. 四階驅(qū)動(dòng)的原理(Four level addressing m

53、ethod)    圖5是四階驅(qū)動(dòng)gate driver走線的電壓基本波形. 我們可以看到負(fù)責(zé)正極性與負(fù)極性的gate driver走線電壓是不一樣的. 負(fù)責(zé)負(fù)極性的gate driver走線電壓在電壓關(guān)閉時(shí), 會(huì)往下拉到一個(gè)比一般關(guān)閉時(shí)的電壓更低的準(zhǔn)位, 等到下一條走線的電壓關(guān)閉后, 再將電壓拉回到一般關(guān)閉電壓的準(zhǔn)位. 而負(fù)責(zé)正極性的gate driver走線電壓則是在電壓關(guān)閉時(shí), 電壓并沒有一口氣拉到一般關(guān)閉的電壓位準(zhǔn), 而是等到下一條gate driver走線關(guān)閉后, 再將電壓下拉到一般關(guān)閉的電壓準(zhǔn)位. 而這兩種極性的電壓位準(zhǔn)總共有: 打開的電壓, 關(guān)閉的電

54、壓, 比關(guān)閉電壓高的位準(zhǔn), 以及比關(guān)閉電壓更低的電壓, 總共四種. 這是為什么叫做四階驅(qū)動(dòng)的原因. 從圖五來看, 我們會(huì)發(fā)現(xiàn), 同樣一條gate driver走在線的顯示電極, 都必須屬于同一種顯示的極性, 不是正極性, 就是負(fù)極性. 因此采用四階驅(qū)動(dòng)就只能使用line inversion的顯示方式. 不過這樣一來, 跟使用dot inversion驅(qū)動(dòng)方式的面板來說, 顯示畫面的品質(zhì)變會(huì)變的更差, flicker與cross talk的效應(yīng)會(huì)更明顯. 這也是為什么四階驅(qū)動(dòng)很少有人使用的緣故, 雖然它可以使用驅(qū)動(dòng)電壓較低的source driver, 但是它的gate driver復(fù)雜度升高,

55、 而且畫面品質(zhì)下降,(當(dāng)然啦, 想要讓四階驅(qū)動(dòng)的面板使用dot inversion并不是不可以, 只是需要更改面板上的TFT薄膜晶體管的配置方式,以及加大顯示控制器內(nèi)的內(nèi)存大小,來同時(shí)儲(chǔ)存兩條gate driver走在線的所有顯示電極的數(shù)據(jù), 整個(gè)硬件的復(fù)雜度會(huì)更高, 成本又會(huì)加大.) 比較起來倒不如使用line inversion且common電壓變動(dòng)的面板極性顯示方式.    四階驅(qū)動(dòng)原理簡單的來說, 是利用前一個(gè)gate driver走線經(jīng)由Cs的feed through電壓, 在正極性時(shí)將顯示電極的電壓提升到很高的電壓, 而在負(fù)極性時(shí) 將顯示電極的電壓,

56、下拉到很低的電壓, 以便將顯示電極的電壓分別出給正極性或是負(fù)極性的電壓位準(zhǔn)之用. 如此一來, source driver的驅(qū)動(dòng)電壓范圍雖然不大, 但是卻可以同時(shí)給正極性以及負(fù)極性的顯示電極電壓來用. 圖6是四階驅(qū)動(dòng)的電壓分布示意圖, 圖中最左邊的是source driver輸出電壓的范圍. 不管是正極性的畫面, 或是負(fù)極性的畫面, 都是使用相同的輸出電壓范圍. 因此使用于四階驅(qū)動(dòng)的source driver, 其輸出電壓范圍比起一般的source driver要小的多. 而圖6中間則是受到gate driver走線關(guān)閉時(shí), 經(jīng)由Cgd的feed through電壓影響的顯示電極電壓范圍. 而圖

57、6右邊則是最后分別出正負(fù)極性的顯示電壓范圍. 從圖中我們可以知道, 因?yàn)槭艿浇?jīng)過Cgd的feed through電壓影響, 若是要將正負(fù)極性的電壓范圍分開的話, 對于正極性的電壓范圍, 往上提升的電壓會(huì)比較大, 而其往上提升的電壓, 是由上一條gate drive走線電壓往上拉經(jīng)由Cs的feed through電壓來形成. 因?yàn)槠渌璧碾妷罕容^大, 所以上一條gate driver走在線的拉回電壓 也會(huì)比較大. 而對于負(fù)極性的顯示電壓范圍的形成, 也是利用上一條gate driver走在線的電壓變化來完成. 跟正極性的顯示電極電壓不一樣的是, 它需要的是下拉的feed through電壓, 以便形成負(fù)的顯示電極電壓范圍. 它所需要的下拉電壓 跟正極性的上拉電壓比較起來會(huì)比較小. 不過對于調(diào)整后正負(fù)極性的顯示電壓范圍來說, 它們相對于common電壓的距離要一樣, 這樣對于同一個(gè)灰階的正負(fù)極性電壓, 顯示出來的畫面才會(huì)一致. 從整個(gè)圖6來說, 我們