TFT LCD液晶显示器的驱动原理

前两次跟大家介绍有关液晶显示器操作的基本原理,那是针对液晶本身的特性,与TFTLCD本身结构上的操作原理来做介绍.这次我们针对TFTLCD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. 

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Cson gate与Cson 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,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. 

    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Cson common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Cson gate的方式.但是由于Cson 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Cson gate与Cson 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,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Cson 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,gate driver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.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3gate 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

    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,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, 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.其次由于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

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,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

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,source driver的耗电,会有dot inversion> row inversion > column inversion > frame inversion的状况.不过现今由于dotinversion的sourcedriver多是使用PN型的OP,而不是像rowinversion是使用railto rail OP,在sourcedriver中OP的耗电就会比较小.也就是说由于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面板由于多是使用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.