LED液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理

1、僅供個(gè)人參考LED 液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理艾布納科技有限公司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(duì)液晶本身的特性, 與TFT LCD本身結(jié)構(gòu)上的操作原理來(lái)做介紹.這次我們針對(duì)TFT LCD的整體系統(tǒng)面來(lái)做介紹 , 也就是對(duì)其驅(qū)動(dòng)原理來(lái)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(lái)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(jiàn)的儲(chǔ)存電容架構(gòu)有兩種,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

2、,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(lái)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(huà)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(lái)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(lái) 制作出儲(chǔ)存電容Cs.For personal use only in study and research; not for commercial use不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考圖 1 就是這兩種儲(chǔ)存電容架構(gòu),從圖中我們

3、可以很明顯的知道, Cs on 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(kāi)口 率(Aperture ratio)會(huì)比較大 .而開(kāi)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(qǐng)見(jiàn)圖 2 的 Cs ongate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(hào) ,來(lái)打開(kāi)

4、TFT, 好讓 TFT 對(duì)顯示電極作充放電的動(dòng)作 . 所以當(dāng)下一條 gate 走線 ,送出電壓要打開(kāi)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(guò)由于下一條gate 走線打開(kāi)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(lái)說(shuō). 一條 gate 走線打開(kāi)的時(shí)間約為20us,而顯示畫(huà)面更新的時(shí)間約為16ms,所以相對(duì)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 .For personal

5、use only in study and research; not for commercial use不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考至于 common走線 , 我們?cè)谶@邊也需要順便介紹一下. 從圖2 中我們可以發(fā)現(xiàn), 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(lái) , 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

6、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(guò)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)For personal use only in study and research; not for commercial use不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考從圖 3中我們可以看到整片面板的等效電路, 其中每一個(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(lái)代表RGB三原色 .以一個(gè)1024*768分辨率的TFT LCD來(lái)說(shuō) ,共需要1024*768*3個(gè)這

7、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(kāi) ,好讓整排的 sourcedriver 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(kāi) ,再由相同的一排source driver對(duì)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(guò)來(lái)從頭從第一行再開(kāi)始充電. 以 一個(gè) 1024*768 SVGA分辨率的液晶顯示器來(lái)說(shuō), 總共會(huì)有768 行的 gat

8、e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(lái)說(shuō) ,每一個(gè)畫(huà)面的顯示時(shí)間約為1/60=16.67ms.由于畫(huà)面的組成為768行的 gate走線 , 所以分配給每一條 gate走線的開(kāi)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的脈不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考波,依序打開(kāi)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(duì)應(yīng)

9、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(wú)法再因應(yīng)電場(chǎng)的變化來(lái)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(huà)面一直不動(dòng) ,也就是說(shuō)畫(huà)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

10、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(duì)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(lái)的灰階是一模一樣的 .不過(guò)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(shuō) ,當(dāng)顯示畫(huà)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(huà)面不動(dòng) ,同時(shí)液晶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(huà)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 !For personal use

11、 only in study and research; not for commercial use不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考圖 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(huà)面數(shù)據(jù)的時(shí)候來(lái)改變極性.以 60Hz的更新頻率來(lái)說(shuō), 也就是每 16ms, 更改一次畫(huà)面的極性 . 也就是說(shuō) , 對(duì)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(lái)決定了 . 首先是 frameinversion它整個(gè)畫(huà)面所有相鄰的點(diǎn) , 都是擁有相同的極性 . 而row inversion與 colu

12、mn 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(lái)顯示的 . Common 電極的驅(qū)動(dòng)方式For personal use only in study and research; not for commercial

13、use不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考圖 5及圖 6 為兩種不同的 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(lái)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)

14、灰階來(lái)說(shuō) ,它的顯示電極與 common電極的壓差絕對(duì)值是固定的 ,所以它的灰階也一直不曾更動(dòng). 只不過(guò) 位在 Clc 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(duì)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

15、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的使用 .以圖7中的不同Common電壓驅(qū)動(dòng)方式的穿透率來(lái)說(shuō),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(lái)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不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考范圍就要到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

16、大工作電壓也只要為5伏特就可以了 . 就 source driver的設(shè)計(jì)制造來(lái)說(shuō) ,需要越高電壓的工作范圍, 制程與電路的復(fù)雜度相對(duì)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 rowinversion.(請(qǐng)見(jiàn)表1) 也就是說(shuō) ,如果你想使用column inversion或是 dotinversion的話 ,你就只能選用

17、 common電極電壓固定不動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式. 為什么呢? 之前我 們?cè)?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(shuō) , 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(kāi) ,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(wú)法在一行 TFT上 ,來(lái)同時(shí)做到顯示正極性與負(fù)極性的.而 column不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人

18、參考inversion與 dot inversion的極性變換方式 , 在一行的顯示點(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(méi)有這些限制 .因?yàn)槠?common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

19、極驅(qū)動(dòng)方式Frame inversion固定與變動(dòng)Row inversion固定與變動(dòng)Column 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(jiàn)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(wú)它 ,只因?yàn)?dot inversion的顯示品質(zhì) 相對(duì)于其它的面板極性變換方式 , 要來(lái)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(huà)面上時(shí),你會(huì)感覺(jué)到畫(huà)面會(huì)有閃爍的

20、感覺(jué). 它并不是故意讓顯示畫(huà)面一亮一滅來(lái)做出閃爍的視覺(jué)效果,而是因?yàn)轱@示的畫(huà)面灰階在每次更新畫(huà)面時(shí), 會(huì)有些微的變動(dòng) , 讓人眼感受到畫(huà)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)?frame inversion整個(gè)畫(huà)面都是同一極性, 當(dāng)這次畫(huà)面是正極性時(shí), 下次整個(gè)畫(huà)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(lái)驅(qū)動(dòng) , 而 common電壓又有了一點(diǎn)誤差( 請(qǐng)見(jiàn)圖 8),不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考這時(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(jué)也就不一樣.在不停切換畫(huà)面的情況下 ,由于正負(fù)極性畫(huà)面交替出現(xiàn), 你就會(huì)感覺(jué)

21、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frameinversion是同時(shí)整個(gè)畫(huà)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(jué)來(lái)說(shuō) , 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(duì)方,以致于顯示的畫(huà)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

22、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(méi)有不易發(fā)生不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考面板極性變換方式 ,對(duì)于耗電也有不同的影響.不過(guò)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(lái)說(shuō) 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(lái)說(shuō) , 就要考量其輸出電壓的變動(dòng)頻率與變動(dòng)電壓大小 . 一般來(lái)說(shuō) ,在此種情形下 , source driver的耗電 , 會(huì)有 dotinversion > row inversion > column inversion > frame inversi