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TFTLCD液晶显示器的驱动原理
针对TFTLCD的整体系统面,而其驱动原理因为一些架构上差异的关系,而有所不同.首先我们来看看因为Cs（storagecapacitor>储存电容架构不同,所形成不同驱动系统架构的原理.
Cs（storagecapacitor>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Csongate与Csoncommon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.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TFTLCD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,从图中可以很明显的看出,Csongate因为不必像Csoncommon一样,需要增加一条额外的common走线,所以它的开口率（Apertureratio>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使用Csongate的方式.但是因为Csongate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Csongate与Csoncommon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.不过因为下一条gate走线打开到关闭的时间很短,（以1024*768分辨率,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Csongate的方式的原因.
至于common走线,从图2中我们可以发现,不管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common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TFTLCD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gatedriver所送出的波形,依序将每一行的TFT打开,好让整排的sourcedriver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,gatedriver便将电压关闭,然后下一行的gatedriver便将电压打开,再由相同的一排sourcedriver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*768SVGA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.因为画面的组成为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3gatedriver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source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
因为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.所以我们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,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frameinversion, 它整个画面所有相邻的点,都是拥有相同的极性.而rowinversion与columninversion则各自在相邻的行与列上拥有相同的极性.另外在dotinversion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deltainversion,因为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dotinversion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,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Common驱动方式影响最大的就是sourcedriver的使用.以图7中的不同Common电压驱动方式的穿透率来说,我们可以看到,当common电极的电压是固定不变的时候,显示电极的最高电压,需要到达common电极电压的两倍以上.而显示电极电压的提供,则是来自于sourcedriver.以图七中common电极电压若是固定于5伏特的话,则sourcedriver所能提供的工作电压
范围就要到10伏特以上.但是如果common电极的电压是变动的话,假使common电极电压最大为5伏特,则sourcedriver的最大工作电压也只要为5伏特就可以了.就sourcedriver的设计制造来说,需要越高电压的工作范围,制程与电路的复杂度相对会提高,成本也会因此而加高.
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frameinversion与rowinversion.（请见表1>也就是说,如果你想使用columninversion或是dotinversion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点,它们的common电压是全部接在一起的.其次因为gatedriver的操作方式是将同一行的所有TFT打开,好让sourcedriver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columninversion与dotinversion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frameinversion与rowinversion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sourcedriver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
Frameinversion
固定与变动
Rowinversion
固定与变动
Columninversion
只能使用固定的common电极电压
Dotinversion
只能使用固定的common电极电压
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dotinversion.为什么呢?
原因无它,只因为dotinversion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frameinversion的极性变换方式,因为frameinversion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,因为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,但因为它不像frameinversion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.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dotinversion了.
表2
面板极性变换方式
Flicker的现象
Crosstalk的现象
Frameinversion
明显
垂直与水平方向都易发生
Rowinversion
不明显
水平方向容易发生
Columninversion
不明显
垂直方向容易发生
Dotinversion
几乎没有
不易发生
面板极性变换方式,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.但是因为搭配common电压固定方式的sourcedriver其所需的电压比较高,反而在sourcedriver的耗电会比较大.但是如果使用相同的common电极驱动方式,在sourcedriver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,sourcedriver的耗电,会有dotinversion>rowinversion>columninversion>frameinversion的状况.不过现今因为dotinversion的sourcedriver多是使用PN型的OP,而不是像rowinversion是使用railtorailOP,在sourcedriver中OP的耗电就会比较小.也就是说因为sourcedriver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rowinversion面板因为多是使用common电极电压变动的方式,其sourcedriver的变动电压最大只有5伏特,耗电上会比较小>,但dotinversion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dotinversion的方式.
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feedthrough电压,以及二阶驱动的原理来做介绍.简单来说Feedthrough电压主要是因为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到下一次再介绍.在介绍feedthrough电压之前,我们先解释驱动系统中gatedriver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列.这3072列就由8颗384输出channel的sourcedriver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gatedriver来负责驱动.图1就是SVGA分辨率的gatedriver输出波形的timing图.图中gate1~768分别代表着768个gatedriver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16.67ms.对gate1来说,它的启动时间周期一样为16.67ms.而在这16.67ms之间,分别需要让gate1~768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gatedriver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,sourcedriver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gatedriver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feedthrough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gatedriver电压变化,sourcedriver电压变化,以及common电压变化.而这其中影响最大的就是gatedriver电压变化（经由Cgd或是Cs>,以及common电压变化（经由Clc或是Cs+Clc>.
Csoncommon架构且common电压固定不动的feedthrough电压
我们刚才提到,造成有feedthrough电压的主因有两个.而在common电压固定不动的架构下,造成feedthrough电压的主因就只有gatedriver的电压变化了.在图2中,就是显示电极电压因为feedthrough电压影响,而造成电压变化的波形图.在图中,请注意到gatedriver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gatedriver打开的时间画的比较大.请记住,正确的gatedriver打开时间是如同图1所示,需要在一个frame的时间内,依序将768个gatedriver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30~40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.但是因为在TFTLCD面板上gate端是接到gatedriver输出的走线,因此一但在gatedriver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FrameN的gate走线打开时,会产生一个向上的feedthrough电压到显示电极之上.不过此时因为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feedthrough电压的影响>,sourcedriver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,因为sourcedriver已经不再对显示电极充电,所以gatedriver关闭时的电压压降（30~40伏特>,便会经由Cgd寄生电容feedthrough到显示电极之上,造成显示电极电压有一个feedthrough的电压压降,而影响到灰阶显示的正确性.而且这个feedthrough电压不像gate走线打开时的feedthrough电压一样,只影响一下子,因为此时sourcedriver已经不再对显示电极充放电,feedthrough电压压降会一值影响显示电极的电压,直到下一次gatedriver走在线的电压再打开的时后.所以这个feedthrough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的.而在FrameN+1的时候,刚开始当gatedriver走线打开的那一瞬间,也会对显示电极产生一个向上的feedthrough电压,不过这时候因为gate已经打开的缘故,sourcedriver会开始对显示电极充电,因此这个向上的feedthrough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feedthrough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sourcedriver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feedthrough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feedthrough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–35伏特的话.则feedthrough电压为–35*0.05/（0.05+0.1+0.5>=2.69伏特.一般一个灰阶与另一个灰阶的电压差约仅有30到50mV而已（这是以6bit的分辨率而言,若是8bit分辨率则仅有3到5mV而已>.因此feedthrough电压影响灰阶是很严重的.以normalwhite的偏光板配置来说,会造成正极性的灰阶会比原先预期的来得更亮,而负极型的灰阶会比原先预期的来得更暗.不过恰好feedthrough电压的方向有一致性,所以我们只要将common电压向下调整即可.从图2中我们可以看到,修正后的common电压与原先的common电压的压差恰好等于feedthrough电压.
Csoncommon架构且common电压变动的feedthrough电压
图5为Csoncommon且common电压变动的电压波形,因为其common电压是随着每一个frame而变动的,因此跟common电压固定的波形比较起来.其产生的feedthrough电压来源会再多增加一个,那就是common电压的变化.这个common电压的变化,经由Clc+Cs的电容,便会影响到显示电极的电压.且因为整个LCD面板上所有显示点的Clc与Cs都是接到common电压,所以一但common电压有了变化,受影响的就是整个面板的所有点.跟前面gate电压变化不一样的是,gate电压变化影响到的只是一整行的显示点而已.不过Common电压变化虽然对显示电极的电压有影响,但是对于
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