TFT-LCD的驱动原理(提高篇)

TFTLCD液晶显示的驱动原理(提高篇)2014年4月13日星期日i目录第1章TFTLCD液晶显示的驱动原理(上)···············································11.1Cs(StorageCapacitor)储存电容的架构····················································11.2整块面板的电路架构·········································································21.3面板的各种极性变换方式··································································31.4Common电极的驱动方式···································································41.5面板极性变换与common电极驱动方式的选用·······································61.6各种面板极性变换的比较··································································6第2章TFTLCD液晶显示的驱动原理(中)···············································82.1SVGA分辨率的二阶驱动波形····························································82.2Csoncommon架构且common电压固定不动的feedthrough电压···············92.3Csoncommon架构且common电压变动的feedthrough电压····················112.4Csongate架构且common电压固定不动的feedthrough电压···················122.5Csongate架构且common电压变动的feedthrough电压·························13第3章TFTLCD液晶显示的驱动原理(下)··············································153.1三阶驱动的原理(Threeleveladdressingmethod)······································153.2四阶驱动的原理(Fourleveladdressingmethod)·······································17TFTLCD液晶显示的驱动原理(电子版)Sobin.Huang-1-第1章TFTLCD液晶显示的驱动原理(上)本次我们将针对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(StorageCapacitor)储存电容架构不同，所形成不同驱动系统架构的原理。1.1Cs(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和Csoncommon这两种。顾名思义，这两者的主要差别就在于储存电容是利用gate走线还是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，从图中我们可知，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)相对较大。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采用Csongate的方式。但是由于Csongate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。不过由于下一条gate走线打开到关闭的时间很短，例如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16.67ms，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。TFTLCD液晶显示的驱动原理(电子版)Sobin.Huang-2-至于common走线，我们在这里也需要顺便介绍一下。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，那么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。1.2整块面板的电路架构从图3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TFT-LCD为例，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1/60s=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，显示相对应的灰阶。TFTLCD液晶显示的驱动原理(电子版)Sobin.Huang-3-1.3面板的各种极性变换方式由于液晶分子还有一种特性,就是不能一直固定在某一个电压不变，不然时间久了，即使将电压取掉，液晶分子会因为特性被破坏，而无法再响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，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。不管是正极性还是负极性，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，还是common电极的电压高，所表现出来的灰阶是一样的。不过在这两种情况下，液晶分子的转向却是完全相反，也就可以避免上面所描述的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，我们仍然可以通过正负极性不停地交替，达到显示画面不动，同时液晶分子也不会被破坏掉的效果。所以当你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地交替变化，而其中的液晶分子也正不停地一次往这边转，另一次往反方向转。图4就是面板各种不同极性的变换方式，虽然有这么多种的变换方式，但它们有一个共通点，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16.67ms，更改一次画面的极性。也就是说，对于同一点而言，它的极性是不停地变换的。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都是不一样的极性。最后是deltainversion，由于它的排列比较特殊，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是采用不同的极性来显示的。TFTLCD液晶显示的驱动原理(电子版)Sobin.Huang-4-1.4Common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变动。只不过在CLC两端的电压，一次是正极性的，而另一次是负极性的。而为了达到极性不停变换这个目的，我们也可以让common电压不停地变动，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TFTLCD液晶显示的驱动原理(电子版)Sobin.Huang-5-很小的变化。当然啦，它一定要比灰阶里最大的电压还大，而电压小的时候则要比灰阶里最小的电压还要小才行。而各个灰阶的电压与图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为例，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7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10V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5V就可以了。就sourcedriver的设计制造来说