TFTLCD原理详解.docx

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1、TFT LCD液晶显示器的驱动原理TFT LCD液晶显示器的驱动原理（一）我们针对TFT LCD 的整体系统面来做介绍,也就是对其驱动原理来做介绍, 而其驱动原理仍然因为一些架构上差异的关系, 而有所不同.首先我们来介绍由于Cs(storage capacitor)储存电容架构不同,所形成不同驱动系统架构的原理.Cs(storage capacitor)储存电容的架构一般最常见的储存电容架构有两种, 分别是Cs on gate与 Cs on common 这两种 . 这两种顾名思义就可以知道, 它的主要差别就在于储存电容是利用gate 走线或是common走线来完成的 . 在上一篇文章中 ,

2、我曾提到 , 储存电容主要是为了让充好电的电压, 能保持到下一次更新画面的时候之用.所以我们就必须像在CMOS的制程之中 ,利用不同层的走线,来形成平行板电容.而在TFT LCD的制程之中,则是利用显示电极与gate走线或是common走线, 所形成的平行板电容, 来制作出储存电容Cs.图 1 就是这两种储存电容架构 , 从图中我们可以很明显的知道 , Cs on gate由于不必像 Cs on common 一样, 需要增加一条额外的common走线, 所以它的开口率 (Aperture ratio)会比较大 . 而开口率的大小 ,是影响面板的亮度与设计的重要因素 . 所以现今面板的设计大多

3、使用 Cs on gate 的方式 . 但是由于Cs on gate 的方式 , 它的储存电容是由下一条的gate 走线与显示电极之间形成的 .( 请见图 2 的 Cs on gate与 Cs on common 的等效电路 ) 而 gate 走线, 顾名思义就是接到每一个TFT的 gate 端的走线 , 主要就是作为 gatedriver 送出信号 ,来打开 TFT,好让 TFT对显示电极作充放电的动作 . 所以当下一条 gate走线, 送出电压要打开下一个TFT时 , 便会影响到储存电容上储存电压的大小. 不过由于下一条gate 走线打开到关闭的时间很短 ,( 以1024*768 分辨率

4、 60Hz 更新频率的面板来说. 一条 gate 走线打开的时间约为 20us, 而显示画面更新的时间约为16ms, 所以相对而言 , 影响有限 .) 所以当下一条gate 走线关闭, 回复到原先的电压 , 则 Cs 储存电容的电压 , 也会随之恢复到正常 . 这也是为什么 , 大多数的储存电容设计都是采用Cs on gate的方式的原因 .至于 common走线, 我们在这边也需要顺便介绍一下. 从图2 中我们可以发现 , 不管您采用怎样的储存电容架构, Clc的两端都是分别接到显示电极与common. 既然液晶是充满在上下两片玻璃之间, 而显示电极与TFT都是位在同一片玻璃上 , 则co

5、mmon电极很明显的就是位在另一片玻璃之上. 如此一来 , 由液晶所形成的平行板电容Clc,便是由上下两片玻璃的显示电极与common电极所形成 . 而位于 Cs 储存电容上的common电极, 则是另外利用位于与显示电极同一片玻璃上的走线, 这跟Clc 上的 common电极是不一样的 , 只不过它们最后都是接到相同的电压就是了.整块面板的电路架构从图 3 中我们可以看到整片面板的等效电路 , 其中每一个TFT与 Clc 跟 Cs 所并联的电容 , 代表一个显示的点 .而一个基本的显示单元 pixel, 则需要三个这样显示的点 , 分别来代表RGB三原色 .以一个1024*768 分辨率的

6、TFT LCD来说, 共需要1024*768*3 个这样的点组合而成 . 整片面板的大致结构就是这样 , 然后再藉由如图3 中 gate driver所送出的波形 , 依序将每一行的TFT 打开, 好让整排的 source driver同时将一整行的显示点 , 充电到各自所需的电压 , 显示不同的灰阶 . 当这一行充好电时 , gate driver便将电压关闭, 然后下一行的gate driver便将电压打开 ,再由相同的一排source driver对下一行的显示点进行充放电 . 如此依序下去 , 当充好了最后一行的显示点 , 便又回过来从头从第一行再开始充电 . 以一个1024*768

7、SVGA分辨率的液晶显示器来说 ,总共会有 768 行的 gate 走线, 而 source 走线则共需要 1024*3=3072 条. 以一般的液晶显示器多为60Hz 的更新频率来说 , 每一个画面的显示时间约为1/60=16.67ms. 由于画面的组成为768 行的 gate 走线, 所以分配给每一条gate走线的开关时间约为 16.67ms/768=21.7us. 所以在图3 gate driver送出的波形中 , 我们就可以看到 , 这些波形为一个接着一个宽度为21.7us 的脉波 , 依序打开每一行的TFT. 而 sourcedriver则在这 21.7us 的时间内 , 经由sou

8、rce 走线, 将显示电极充放电到所需的电压, 好显示出相对应的灰阶 .面板的各种极性变换方式由于液晶分子还有一种特性, 就是不能够一直固定在某一个电压不变, 不然时间久了 , 你即使将电压取消掉 , 液晶分子会因为特性的破坏 , 而无法再因应电场的变化来转动, 以形成不同的灰阶 . 所以每隔一段时间 , 就必须将电压恢复原状 , 以避免液晶分子的特性遭到破坏 . 但是如果画面一直不动 , 也就是说画面一直显示同一个灰阶的时候怎么办? 所以液晶显示器内的显示电压就分成了两种极性, 一个是正极性 , 而另一个是负极性 . 当显示电极的电压高于common电极电压时 , 就称之为正极性 . 而当显

9、示电极的电压低于common电极的电压时 , 就称之为负极性 . 不管是正极性或是负极性, 都会有一组相同亮度的灰阶. 所以当上下两层玻璃的压差绝对值是固定时 , 不管是显示电极的电压高, 或是common电极的电压高 , 所表现出来的灰阶是一模一样的. 不过这两种情况下 , 液晶分子的转向却是完全相反 , 也就可以避免掉上述当液晶分子转向一直固定在一个方向时, 所造成的特性破坏 . 也就是说 , 当显示画面一直不动时, 我们仍然可以藉由正负极性不停的交替, 达到显示画面不动 , 同时液晶分子不被破坏掉特性的结果. 所以当您所看到的液晶显示器画面虽然静止不动 , 其实里面的电压正在不停的作更换

10、 而其中的液晶分子正不停的一次往这边转, 另一次往反方向转呢 !图 4 就是面板各种不同极性的变换方式, 虽然有这么多种的转换方式, 它们有一个共通点 , 都是在下一次更换画面数据的时候来改变极性 .以 60Hz 的更新频率来说,也就是每16ms,更改一次画面的极性.也就是说 ,对于同一点而言,它的极性是不停的变换的.而相邻的点是否拥有相同的极性, 那可就依照不同的极性转换方式来决定了.首先是frame inversion,它整个画面所有相邻的点,都是拥有相同的极性.而row inversion与column inversion则各自在相邻的行与列上拥有相同的极性.另外在dot invers

11、ion上,则是每个点与自己相邻的上下左右四个点, 是不一样的极性.最后是delta inversion,由于它的排列比较不一样, 所以它是以RGB三个点所形成的pixel作为一个基本单位,当以pixel为单位时 ,它就与dot inversion很相似了 ,也就是每个pixel与自己上下左右相邻的pixel,是使用不同的极性来显示的.Common电极的驱动方式图 5 及图 6 为两种不同的Common电极的电压驱动方式 , 图5 中 Common电极的电压是一直固定不动的, 而显示电极的电压却是依照其灰阶的不同 , 不停的上下变动 . 图5 中是 256 灰阶的显示电极波形变化 , 以 V0

12、这个灰阶而言 , 如果您要在面板上一直显示V0 这个灰阶的话 , 则显示电极的电压就必须一次很高 , 但是另一次却很低的这种方式来变化 . 为什么要这么复杂呢 ? 就如同我们前面所提到的原因一样 , 就是为了让液晶分子不会一直保持在同一个转向 , 而导致物理特性的永久破坏 . 因此在不同的frame 中, 以V0这个灰阶来说 , 它的显示电极与 common电极的压差绝对值是固定的 , 所以它的灰阶也一直不曾更动 . 只不过位在Clc 两端的电压 ,一次是正的, 称之为正极性 , 而另一次是负的 , 称之为负极性 . 而为了达到极性不停变换这个目的 , 我们也可以让common电压不停的变动

13、 同样也可以达到让 Clc 两端的压差绝对值固定不变 , 而灰阶也不会变化的效果 , 而这种方法 ,就是图6 所显示的波形变化 . 这个方法只是将 common电压 一次很大 , 一次很小的变化 . 当然啦 , 它一定要比灰阶中最大的电压还大 ,而电压小的时候则要比灰阶中最小的电压还要小才行 . 而各灰阶的电压与图5 中的一样 , 仍然要一次大一次小的变化 .这两种不同的们可以看到 , 当Common驱动方式影响最大的就是common电极的电压是固定不变的时候source driver的使用 ., 显示电极的最高电压,以图7 中的不同 Common电压驱动方式的穿透率来说, 我需要到达com

14、mon电极电压的两倍以上 . 而显示电极电压的提供 , 则是来自于source driver.以图七中common电极电压若是固定于5 伏特的话 , 则 source driver所能提供的工作电压范围就要到10 伏特以上 . 但是如果大工作电压也只要为5 伏特就可以了 . 就高, 成本也会因此而加高 .common电极的电压是变动的话 ,source driver的设计制造来说假使common电极电压最大为, 需要越高电压的工作范围,5 伏特, 则 source driver 制程与电路的复杂度相对会提的最面板极性变换与common电极驱动方式的选用并不是所有的面板极性转换方式都可以搭配上述

15、两种 common电极的驱动方式 . 当 common电极电压固定不变时 , 可以使用所有的面板极性转换 . 但是如果 common电压是变动的话 , 则面板极性转换就只能选用 frame inversion 与 row inversion.( 请见表 1) 也就是说, 如果你想使用 column inversion 或是 dot inversion 的话, 你就只能选用 common 电极电压固定不动的驱动方式 . 为什么呢 ? 之前我们曾经提到 common 电极是位于跟显示电极不同的玻璃上 , 在实际的制作上时 , 其实这一整片玻璃都是 common电极. 也就是说, 在面板上所有的显示

16、点 , 它们的 common电压是全部接在一起的 . 其次由于 gate driver 的操作方式是将同一行的所有 TFT打开,好让 source driver去充电 , 而这一行的所有显示点 , 它的 common电极都是接在一起的 , 所以如果你是选用common电极电压是可变动的方式的话 , 是无法在一行 TFT上, 来同时做到显示正极性与负极性的 . 而 column inversion与 dot inversion的极性变换方式 ,在一行的显示点上 ,是要求每个相邻的点拥有不同的正负极性的 . 这也就是为什么 common电极电压变动的方式仅能适用于 frame inversion

17、与 row inversion的缘故 . 而 common电极电压固定的方式 , 就没有这些限制 . 因为其common电压一直固定 , 只要 source driver 能将电压充到比common大就可以得到正极性 , 比 common电压小就可以得到负极性 , 所以common电极电压固定的方式 , 可以适用于各种面板极性的变换方式 .表 1面板极性变换方式可使用的 common 电极驱动方式Frame inversion固定与变动Row inversion固定与变动Column inversion只能使用固定的common 电极电压Dot inversion只能使用固定的common 电

18、极电压各种面板极性变换的比较现在常见使用在个人计算机上的液晶显示器, 所使用的面板极性变换方式, 大部分都是dot inversion.为什么呢 ?原因无它 ,只因为dot inversion的显示品质相对于其它的面板极性变换方式, 要来的好太多了.表2 是各种面板极性变换方式的比较表.所谓Flicker的现象 ,就是当你看液晶显示器的画面上时, 你会感觉到画面会有闪烁的感觉.它并不是故意让显示画面一亮一灭来做出闪烁的视觉效果,而是因为显示的画面灰阶在每次更新画面时, 会有些微的变动,让人眼感受到画面在闪烁.这种情况最容易发生在使用frame inversion的极性变换方式,因为frame

19、inversion整个画面都是同一极性,当这次画面是正极性时,下次整个画面就都变成了是负极性 . 假若你是使用common电压固定的方式来驱动 , 而common电压又有了一点误差 ( 请见图8),这时候正负极性的同一灰阶电压便会有差别, 当然灰阶的感觉也就不一样. 在不停切换画面的情况下, 由于正负极性画面交替出现,你就会感觉到 Flicker 的存在 . 而其它面板的极性变换方式 , 虽然也会有此flicker 的现象 , 但由于它不像frame inversion是同时整个画面一齐变换极性 , 只有一行或是一列 , 甚至于是一个点变化极性而已 . 以人眼的感觉来说 , 就会比较不明显 .

20、 至于crosstalk的现象 , 它指的就是相邻的点之间 ,要显示的资料会影响到对方 , 以致于显示的画面会有不正确的状况 . 虽然crosstalk的现象成因有很多种 , 只要相邻点的极性不一样, 便可以减低此一现象的发生 . 综合这些特性 , 我们就可以知道 , 为何大多数人都使用dot inversion 了.表2面板极性变换方式Flicker 的现象Crosstalk 的现象Frame inversion明显垂直与水平方向都易发生Row inversion不明显水平方向容易发生Column inversion不明显垂直方向容易发生Dot inversion几乎没有不易发生面板极性变换

21、方式 ,对于耗电也有不同的影响 . 不过它在耗电上需要考量其搭配的common电极驱动方式 . 一般来说 common 电极电压若是固定 , 其驱动common电极的耗电会比较小 . 但是由于搭配common电压固定方式的 source driver其所需的电压比较高 , 反而在 source driver的耗电会比较大 . 但是如果使用相同的common电极驱动方式 , 在 source driver的耗电来说 , 就要考量其输出电压的变动频率与变动电压大小 . 一般来说 , 在此种情形下 , source driver的耗电 , 会有 dot inversion row inversion

22、 columninversion frame inversion的状况 . 不过现今由于 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的耗电就会比较小 . 也就是说由于source driver在结构及电路上的改进 , 虽然先天上它的输出电压变动频率最高也最大 ( 变动电压最大接近10 伏特, 而 row inversion面板由于多是使用common电极电压变动的方式, 其 source driver的变动电压最大只有 5 伏特, 耗电上

23、会比较小 ),但 dot inversion面板的整体耗电已经减低很多了 . 这也就是为什么大多数的液晶显示器都是使用dot inversion的方式 .TFT LCD液晶显示器的驱动原理(二 )上次跟大家介绍液晶显示器的驱动原理中有关储存电容架构, 面板极性变换方式, 以及common电压的驱动方式. 这次我们延续上次的内容, 继续针对feed through电压, 以及二阶驱动的原理来做介绍. 简单来说Feed through电压主要是由于面板上的寄生电容而产生的, 而所谓三阶驱动的原理就是为了解决此一问题而发展出来的解决方式, 不过我们这次只介绍二阶驱动, 至于三阶驱动甚至是四阶驱动则留

24、到下一次再介绍. 在介绍feed through电压之前 , 我们先解释驱动系统中gate driver所送出波形的timing图.SVGA分辨率的二阶驱动波形我们常见的1024*768 分辨率的屏幕 , 就是我们通常称之为SVGA分辨率的屏幕 . 它的组成顾名思义就是以1024*768=786432 个 pixel 来组成一个画面的数据 . 以液晶显示器来说 , 共需要1024*768*3 个点( 乘 3 是因为一个 pixel 需要蓝色 , 绿色, 红色三个点来组成 .) 来显示一个画面 . 通常在面板的规划 , 把一个平面分成X-Y 轴来说 , 在 X 轴上会有 1024*3=3072

25、列. 这 3072列就由 8 颗 384 输出 channel 的 source driver来负责推动 . 而在 Y 轴上, 会有 768行. 这 768 行, 就由 3 颗 256 输出 channel的 gate driver来负责驱动 . 图1 就是 SVGA分辨率的 gate driver输出波形的 timing图. 图中 gate 1 768分别代表着 768 个 gate driver的输出 . 以 SVGA的分辨率 ,60Hz的画面更新频率来计算 , 一个 frame的周期约为 16.67 ms. 对 gate 1 来说,它的启动时间周期一样为 16.67ms. 而在这16.6

26、7 ms 之间, 分别需要让gate 1 768共 768 条输出线 , 依序打开再关闭 . 所以分配到每条线打开的时间仅有16.67ms/768=21.7us 而已. 所以每一条gate driver打开的时间相对于整个frame 是很短的,而在这短短的打开时间之内 ,source driver再将相对应的显示电极充电到所需的电压 .而所谓的二阶驱动就是指gate driver的输出电压仅有两种数值, 一为打开电压 , 一为关闭电压 . 而对于common电压不变的驱动方式 , 不管何时何地 , 电压都是固定不动的 . 但是对于common电压变动的驱动方式 , 在每一个frame 开始的第

27、一条gate1 打开之前 , 就必须把电压改变一次 . 为什么要将这些输出电压的timing介绍过一次呢 ?因为我们接下来要讨论的feed through 电压, 它的成因主要是因为面板上其它电压的变化, 经由寄生电容或是储存电容, 影响到显示电极电压的正确性. 在LCD面板上主要的电压变化来源有3 个, 分别是gate driver电压变化 ,source driver电压变化 , 以及common电压变化 . 而这其中影响最大的就是gate driver电压变化 ( 经由Cgd或是 Cs), 以及 common电压变化 ( 经由Clc 或是 Cs+Clc).Cs on common 架构且

28、 common电压固定不动的feed through电压我们刚才提到, 造成有feed through电压的主因有两个. 而在common电压固定不动的架构下, 造成feed through电压的主因就只有gate driver的电压变化了 . 在图2 中, 就是显示电极电压因为feed through电压影响 , 而造成电压变化的波形图. 在图中 , 请注意到gate driver打开的时间 , 相对于每个frame 的时间比例是不正确的. 在此我们是为了能仔细解释每个frame 的动作 , 所以将gate driver打开的时间画的比较大. 请记住 , 正确的gate driver打开时间

29、是如同图1 所示, 需要在一个 frame的时间内 , 依序将768 个gate driver走线打开的 . 所以每个gate走线打开的时间, 相对于一个frame的时间 , 是很短的.当 gate 走线打开或关闭的那一瞬间 , 电压的变化是最激烈的 , 大约会有3040 伏特, 再经由 Cgd 的寄生电容 , 影响到显示电极的电压 . 在图3 中, 我们可以看到Cgd寄生电容的存在位置 . 其实 Cgd的发生 , 跟一般的CMOS电路一样 , 是位于 MOS的 gate与 drain 端的寄生电容 . 但是由于在TFT LCD 面板上 gate端是接到 gate driver输出的走线 ,

30、因此一但在 gate driver输出走在线的电压有了激烈变化 , 便会影响到显示电极上的电压 . 在图2 之中, 当 Frame N 的 gate走线打开时 , 会产生一个向上的feed through 电压到显示电极之上 . 不过此时由于gate 走线打开的缘故 ,sourcedriver会对显示电极开始充电 , 因此即便一开始的电压不对 ( 因为 feed through电压的影响 ),source driver仍会将显示电极充电到正确的电压, 影响便不会太大 . 但是如果当 gate走线关闭的时候 , 由于 source driver已经不再对显示电极充电 , 所以gate drive

31、r关闭时的电压压降 (3040伏特), 便会经由 Cgd寄生电容 feed through到显示电极之上 , 造成显示电极电压有一个feed through的电压压降 , 而影响到灰阶显示的正确性 . 而且这个 feed through电压不像 gate走线打开时的feed through电压一样 , 只影响一下子 , 由于此时source driver已经不再对显示电极充放电 ,feed through电压压降会一值影响显示电极的电压, 直到下一次gate driver走在线的电压再打开的时后 . 所以这个feed through电压对于显示画面的灰阶的影响, 人眼是可以明确的感觉到它的存在

32、的.而在 Frame N+1的时候 , 刚开始当 gate driver走线打开的那一瞬间 , 也会对显示电极产生一个向上的feed through电压,不过这时候由于gate 已经打开的缘故 ,source driver会开始对显示电极充电 , 因此这个向上的feed through电压影响的时间便不会太长 . 但是当 gate 走线再度关闭的时候 , 向下的feed through电压便会让处在负极性的显示电极电压再往下降, 而且受到影响的负极性显示电压会一直维持到下一次gate走线再打开的时候 . 所以整体来说 , 显示电极上的有效电压 , 会比source driver的输出电压要低 . 而减少的电压大小刚好为gate 走线电压变化经由Cgd 的 feed through电压. 这个电压有多大呢?在图 4 中, 我们以电荷不灭定律 , 可以推导出feed through 电压为 (Vg2 Vg1) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs) .假设Cgd=0.05pF, 而 Clc=0.1pF, Cs=0.5pF且 gate 走线从打开到关闭的电压为