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2007年08月12日1TFT-LCD驱动电路和模块1引言2TFT-LCD驱动原理3TFT-LCD模块接口方式4TFT-LCD模块设计5TFT-LCD模块的结构2007年08月12日21.引言首先我们来介绍由于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.在上一篇文章中,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.2007年08月12日3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,Csongate由于不必像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.2007年08月12日4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.2007年08月12日5整块面板的电路架构2007年08月12日6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.2007年08月12日72.TFT-LCD驱动原理行驱动器控制每行像素点上的TFT开／关态，即提供TFT的栅扫描电压，可简单地开或关某一行所有的TFT，在这一时刻，只允许访问这一行的像素。某一列驱动器则控制更新该列像素颜色的明暗程度。为了防止液晶器件老化，在液晶显示像素上需要加正负电压驱动。所谓直接驱动法是指在TFT-LCD的模块中列驱动器芯片“直接”提供交流电压且幅度可调。其它的驱动方式是依靠系统中附加的芯片提供正负电压，列驱动器仅能使电压可调，而需附加芯片驱动公共电极(也称COM电极)。2007年08月12日82.TFT-LCD直接驱动法（续1）一个典型的TFT-LCD显示器件，其显示像素上的信号通过行驱动器(RowDriver)和列驱动器(ColumnDriver)控制，其结构如右图所示。每行和每列的交叉点有一个TFT(ThinFilmTransistor)，TFT与一个显示单元相连接为像素。进一步的等效分析如下。2007年08月12日92.1TFT-LCD驱动原理（续1）2007年08月12日102.1TFT-LCD驱动原理（续2）如上图所示，写入的电压由于补偿电容Cs和像素等效电容CLC的作用，在撤销写入后会自行保持一段时间，可以设定保持半帧；下半帧时，改变一下输入极性，即可以保证液晶处于交流驱动状态。当TFT晶体管的开、关比达到106以上时，则可以满足液晶像素对通断比的要求。驱动路数与TFT晶体管特性有关，而与液晶的电光响应特性无关，这就彻底解决了液晶多路驱动的难题。这种驱动方式没有半选通波形，因此也就没有交叉效应以及对比度下降等缺陷。这种驱动也不受响应速度的影响，没有闪烁也没有拖尾。2007年08月12日112.2TFT-LCD的反转方式驱动原理为了得到多灰度多彩色的TFT-LCD，要求数据驱动器能够产生一系列满足灰度级要求的输出电压和显示多灰度的驱动方法。而且，对于高质量的显示，要求驱动不能由于像元的串扰而引起图像失真。目前用于TFT液晶屏，分辨率从VGA到SXGA的有4种反转驱动方法。所谓“反转”方式，就是指加在像素点上的电压正负极性是交替变化的。2007年08月12日122.2TFT-LCD的反转方式驱动原理（续1）如下图所示：图(a)是帧反转方式，如果整个显示在第一帧被正电压刷新，则第二帧被负电压刷新。图(b)是行极性反转，在一帧图像内，如果奇数行加正电压，则偶数行加负电压。在下一帧信号输入时，奇偶行的电压极性互换。图(c)是列极性反转，极性变换同行反转类似。图(d)是点反转方式，相邻像素点的电压极性相反。2007年08月12日132.2TFT-LCD的反转方式驱动原理（续2）2007年08月12日142.2TFT-LCD的反转方式驱动原理（续3）列反转和点反转在功耗和图像质量方面有较大的改进。直接驱动法能提供上述所有的4种反转方式，而Vcom反转方式仅能提供帧反转和行反转。闪烁是影响TFT-LCD图像质量的一个因素。帧反转方式的闪烁是最强的；而点反转方式闪烁是较弱的，图像质量是最好的。交叉串扰是影响图像质量的另一因素。交叉串扰是由于相邻像素具有相似电压极性而引起的误显示。相邻像素使用不同的极性反转方式有助于消除交叉串扰。直接驱动法的反转方式能消除在行方向和列方向的交叉串扰。2007年08月12日153.TFT-LCD器件的工作原理TFT寻址的矩阵液晶显示屏及其外围电路的等效电路图。图中包括三个部分：TFT寻址矩阵液晶屏；扫描电极母线驱动电路和信号电极母线驱动电路。显示屏有M条信号电极母线和N条扫描电极母线。2007年08月12日163TFT-LCD器件的工作原理（续1）如图所示。扫描电极母线（图的左部）驱动电路是由水平移位寄存器和扫描驱动器组成。水平移位寄存器是一个两相输入的N位移位寄存器，它与水平移位脉冲同步，依次扫描第一行到最后行（第N行）。移位寄存器中一对TFT中的一个，例如TFTiA截止，则另一个即TFTiB就导通，这时源电压V0将加到正被选取的扫描电极母线上，即第i条扫描电极母线。TFTij的栅极与第i条扫描电报母线直接相连，于是TFTij（j=1~M）导通。因为是逐行扫描，所以其它的扫描电极母线皆为地电位。除TFTij以外的所有TFT皆截止。2007年08月12日173.TFT-LCD器件的工作原理（续2）如图所示。信号电极母线（图的上部）驱动电路包括垂直移位寄存器、行存贮器、行开关和信号驱动器几个部分。垂直移位寄存器是一个两相输入的M位移位寄存器，寄存器中只有一位上产生一个正脉冲，所以只有取样晶体管导通。行存贮器由M个信号取样晶体管TFTj和相应的M个行存贮电容Cj组成。这些TFTj的漏极与图像信号相连。工作时，图像信号同时加在行存贮器的所有信号取样晶体管TFTj的源极上。TFTj将从左到右顺序导通。于是输入的图像信号将按一定的时间间隔被取样。结果，串行的图像信号变换成并行的模拟信号而存贮在行存贮器内的行存贮电容Cj上了（j=1~M）。2007年08月12日183.TFT-LCD器件的工作原理（续3）如图所示。当与一扫描行对应的图像信号存贮以后，由行开关脉冲SL同步，使所有的行开关晶体管TFTLj（j=1~M）导通，存贮电容Cj（j=1~M）开始放电。这个操作是在行回扫时间内完成的。行开关脉冲SL直接反馈到行开关晶体管TFTLj（j=1~M）的栅极上。当行存贮电容Cj放电时，第j列上只有位于被选取行上的液晶像素电容Cij被充电，而电荷将在存贮电容Cj和像素电容Cij之间分配。综上所述，随时间变化的模拟图像信号将变换为M位被取样的不连续的N行信号，N行这样的信号依次传输到矩阵液晶屏的N×M个像素上，从而构成一帧图像。2007年08月12日194.TFT-LCD器件参数的选择TFT-LCD器件参数必须满足一些条件。行存贮电容的选择：行存贮电容Cj必须远远大于像素电容Cij，必须满足不等式：CijCj。若Cij=1pF，Cj必须大于10pF。信号取样TFT导通电阻的选择：为使行存贮电容的充电过程在相应的信号取样TFT被寻址的短暂时间内完成，信号取样TFT的导通电阻Ron必须非常小。TFT开关比的选择：在良好的TFT-LCD中，器件的开关比都至少要大于106。2007年08月12日205.TFT-LCD模块的几种结构应用TFT-LCD模块的子系统有数字接口、显示控制器、列与门显示驱动器和电源等几大部分。早先，象素规格达SVGA（800×600）的场合，主要使用TTL接口，对于40MHz的象素时钟，电磁干扰仍符合国际标准。然而当显示分辨率增加到XGA级且相应的时钟速率达到65MHz时，TTL接口对电磁干扰和功耗就会变得难以处理。因此LVDS已成为现今用于笔记本个人电脑（NPC）平台技术的实际标准数字接口。2007年08月12日215.TFT-LCD模块的几种结构应用（续1）参考：SXGATFT-LCD驱动电路的设计，微电子学，2000年，第30卷，第4期。低压差分信号（LVDS）接口就成了图象子系统和LCD模块之间占据优势的数字接口。LVDS（专用IC由：National：DS90C031和DS90C031）提供了一个低电源低电磁干扰接口，并且减小了图象引擎和LCD屏之间的连线数量。TFT-LCD模块广泛用于彩色手机、PDA、电脑显示器、数码相机、摄像机、笔记本电脑、DVD车载电话、电视卫星导航定位系统GPS、可视电话、仪表仪器以及显示终端等产品。2007年08月12日22图(a)TFT工作原理CsGSD液晶像素扫描电极信号电极图(b)一个a-SiTFT显示单元的等效电路CsCgsCgdRoffCLCRLC公共电极图中：Cs为补偿电容；CLC为像素等效电容；RLC为像素等效电阻；Cgs、Cgd为TFT的极间电容；Ron、Roff为TFT的通断电阻；Ron1.47x106Ω，Roff3.3x1011Ω。Vg为栅极扫描电压；Vsig为源极信号电压；Vcom为公共电极电压。VgVsigVcom写入的信息电压由于补偿电容Cs和像素等效电容的作用，在撤销写入后会自行保持一段时间，可以设定保持半帧；下半帧时，改变一下输入极性，即可以保证液晶处于交流驱动状态。