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| TFT LCD驅動(dòng)原理 |
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| 文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2014/7/22 10:54:00 |
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前兩期針對液晶的特性與TFT LCD本身結構介紹了有關(guān)液晶顯示器操作的基本原理。這次將針對TFT LCD的整體系統面，也就是對其驅動(dòng)原理來(lái)做介紹，而其驅動(dòng)原理仍然因為一些架構上差異的關(guān)系而有所不同。首先將介紹由于Cs(storage capacitor)儲存電容架構不同，所形成不同驅動(dòng)系統架構的原理。
Cs(storage capacitor)儲存電容的架構
一般最常見(jiàn)的儲存電容架構有兩種，分別是Cs on gate與Cs on common這兩種。顧名思義，兩者的主要差別在于儲存電容是利用gate走線(xiàn)或是common走線(xiàn)來(lái)完成。在上一期文章中曾提到，儲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，所以必須像在CMOS的制程之中，利用不同層的走線(xiàn)來(lái)形成平行板電容。而在TFT LCD的制程中，則是利用顯示電極與gate走線(xiàn)或common走線(xiàn)所形成的平行板電容，來(lái)制作出儲存電容Cs。
圖1就是這兩種儲存電容架構，圖中可以很明顯地知道，Cs on gate由于不必像Cs on common需要增加一條額外的common走線(xiàn)，所以其開(kāi)口率(Aperture ratio)比較大。而開(kāi)口率的大小是影響面板的亮度與設計的重要因素，所以現今面板的設計大多使用Cs on gate的方式。但是由于Cs on gate方式的儲存電容是由下一條的gate走線(xiàn)與顯示電極之間形成的(請見(jiàn)圖2中Cs on gate與Cs on common的等效電路)，而gate走線(xiàn)就是接到每一個(gè)TFT的gate端的走線(xiàn)，主要是作為gate driver送出信號來(lái)打開(kāi)TFT，好讓TFT對顯示電極作充放電的動(dòng)作。所以當下一條gate走線(xiàn)送出電壓要打開(kāi)下一個(gè)TFT時(shí)，便會(huì )影響到儲存電容上儲存電壓的大小。不過(guò)由于下一條gate走線(xiàn)打開(kāi)到關(guān)閉的時(shí)間很短(以1024 x 768分辨率，60Hz更新頻率的面板來(lái)說(shuō)。一條gate走線(xiàn)打開(kāi)的時(shí)間約為20μs，而顯示畫(huà)面更新的時(shí)間約為16ms，所以相較下影響有限)，所以當下一條gate走線(xiàn)關(guān)閉，回復到原先的電壓，則Cs儲存電容的電壓，也會(huì )隨之恢復到正常。這也是為什么大多數的儲存電容設計都是采用Cs on gate的方式的原因。
至于common走線(xiàn)，在這邊也需要順便介紹一下。從圖2中可以發(fā)現，不管采用怎樣的儲存電容架構，Clc的兩端都是分別接到顯示電極與common。既然液晶是充滿(mǎn)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(xiàn)，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
從圖3中可以看到整片面板的等效電路，其中每一個(gè)TFT與Clc跟Cs所并連的電容代表一個(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)，分別代表RGB三原色。以一個(gè)1024 x 768分辨率的TFT LCD來(lái)說(shuō)，共需要1024 x 768 x 3個(gè)這樣的點(diǎn)組合而成。整片面板的大致結構就是這樣，然后再藉由如圖3中g(shù)ate driver所送出的波形，依序將每一行的TFT打開(kāi)，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，以顯示不同的灰階。當這一行充好電時(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對下一行的顯示點(diǎn)進(jìn)行充放電。如此依序下去，當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 x 768 SVGA分辨率的液晶顯示器來(lái)說(shuō)，總共會(huì )有768行的gate走線(xiàn)，而source走線(xiàn)則共需要1024 x 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(xiàn)，所以分配給每一條gate走線(xiàn)的開(kāi)關(guān)時(shí)間約為16.67ms/768=21.7μs。所以在圖3 gate driver送出的波形中，就可以看到這些波形為一個(gè)接著(zhù)一個(gè)寬度為21.7μs的脈波，依序打開(kāi)每一行的TFT。而source driver則在這21.7μs的時(shí)間內，經(jīng)由source走線(xiàn)，將顯示電極充放電到所需的電壓，好顯示出相對應的灰階。
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，即使將電壓取消掉，液晶分子會(huì )因為特性的破壞而無(wú)法再因應電場(chǎng)的變化來(lái)轉動(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)是負極性。當顯示電極的電壓高于common電極電壓時(shí)，就稱(chēng)之為正極性。而當顯示電極的電壓低于common電極的電壓時(shí)，就稱(chēng)之為負極性。不管是正極性或是負極性，都會(huì )有一組相同亮度的灰階。所以當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，液晶分子的轉向卻是完全相反，也就可以避免掉上述當液晶分子轉向一直固定在一個(gè)方向時(shí)，所造成的特性破壞。也就是說(shuō)，當顯示畫(huà)面一直不動(dòng)時(shí)，我們仍然可以藉由正負極性不停的交替，達到顯示畫(huà)面不動(dòng)，同時(shí)液晶分子不被破壞掉特性的結果。所以當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，另一次往反方向轉呢！
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換方式，它們有一個(gè)共通點(diǎn)，都是在下一次更換畫(huà)面資料的時(shí)候來(lái)改變極性。以60Hz的更新頻率來(lái)說(shuō)，亦即每16ms更改一次畫(huà)面的極性。也就是說(shuō)，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換方式來(lái)決定了。首先是frame inversion，其整個(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電極的驅動(dòng)方式
圖5及圖6為兩種不同的Common電極的電壓驅動(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(huà)，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。為什么要這么復雜呢？如同前面所提到的原因一樣，這是為了讓液晶分子不會(huì )一直保持在同一個(gè)轉向，而導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(lái)說(shuō)，其顯示電極與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(guò)位在Clc兩端的電壓，一次是正的，稱(chēng)之為正極性，而另一次是負的，稱(chēng)之為負極性。
為了達到極性不停變換這個(gè)目的，也可以讓common電壓不停地變動(dòng)，同樣也可以達到讓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電壓驅動(dòng)方式的穿透率來(lái)說(shuō)，當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7中common電極電壓若是固定于5伏特的話(huà)，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(huà)，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的設計制造來(lái)說(shuō)，需要越高電壓的工作范圍，制程與電路的復雜度相對會(huì )提高，成本也會(huì )因此而加高。
面板極性變換與common電極驅動(dòng)方式的選用
并不是所有的面板極性轉換方式都可以搭配上述兩種common電極的驅動(dòng)方式。當common電極電壓固定不變時(shí)，可以使用所有的面板極性轉換。但如果common電壓是變動(dòng)的話(huà)，則面板極性轉換就只能選用frame inversion與row inversion。(請見(jiàn)表1)也就是說(shuō)，如果想使用column inversion或是dot inversion的話(huà)，就只能選用common電極電壓固定不動(dòng)的驅動(dòng)方式。為什么呢？
之前曾經(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(shuō)，在面板上所有顯示點(diǎn)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，所以如果選用common電極電壓是可變動(dòng)的方式，是無(wú)法在一行TFT上同時(shí)做到顯示正極性與負極性的。而column inversion與dot inversion的極性變換方式，在一行的顯示點(diǎn)上要求每個(gè)相鄰的點(diǎn)擁有不同的正負極性。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，因為其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。
各種面板極性變換的比較
現在常見(jiàn)使用在個(gè)人計算機上的液晶顯示器，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，因為dot inversion的顯示品質(zhì)相對于其它的面板極性變換方式好太多了。表2是各種面板極性變換方式的比較表。
所謂Flicker的現象，就是當你看液晶顯示器的畫(huà)面上時(shí)，畫(huà)面會(huì )有閃爍的感覺(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，而是因為顯示的畫(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，因為frame inversion整個(gè)畫(huà)面都是同一極性，當這次畫(huà)面是正極性時(shí)，下次整個(gè)畫(huà)面就都變成了是負極性。假若使用common電壓固定的方式來(lái)驅動(dòng)，而common電壓又有了一點(diǎn)誤差(請見(jiàn)圖8)，這時(shí)候正負極性的同一灰階電壓便會(huì )有差別，當然灰階的感覺(jué)也就不一樣。在不停切換畫(huà)面的情況下，由于正負極性畫(huà)面交替出現，就會(huì )感覺(jué)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的現象，但由于不像frame inversion是同時(shí)整個(gè)畫(huà)面一齊變換極性，只有一行或是一列，甚至是一個(gè)點(diǎn)變化極性而已，以人眼的感覺(jué)來(lái)說(shuō)，比較不明顯。至于crosstalk的現象，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(huà)面會(huì )有不正確的狀況。雖然crosstalk的現象成因有很多種，只要相鄰點(diǎn)的極性不一樣，便可以減低此一現象的發(fā)生。綜合這些特性可知，為何大多數人都使用dot inversion了。
面板極性變換方式，對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電極驅動(dòng)方式。一般來(lái)說(shuō)，common電極電壓若是固定，其驅動(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。但如果使用相同的common電極驅動(dòng)方式，source driver的耗電就要考量其輸出電壓的變動(dòng)頻率與變動(dòng)電壓大小。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(guò)現今由于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(shuō)由于source driver在結構及電路上的改進(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 inversion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的液晶顯示器都是使用dot inversion的方式。 |
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