最新gate-Driver重要易懂的.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dategate-Driver重要易懂的GATE DRIVERGATE DRIVER使用于液晶显示器的驱动芯片主要分为两类，分别为gate driver与source driver。Gate driver的主要功用是将液晶面板上一行一行的薄膜晶体管（TFT，thin film transistor）依序打开，好让source driver将位于液晶面板上的液晶电容（Clc，capacitor on liquid crystal）与储存电容（Cs，storage capacitor），充电到所需要的电压。Gate driver名称的由来，是因为接到TFT的gate端，所以才称作gate driver。此外，由于它是依序将一行一行的TFT打开，所以也称之为scan driver。而就面板的坐标来说，连接到gate driver的走线，是位于Y轴上，所以也称为row driver。同理source driver也有许多不同的称呼，而source driver的名称来由是因为这个驱动芯片是连接到TFT的source端，所以才叫做source driver。此外当gate driver将一行行的TFT打开时，source driver会将相对应的显示数据转换成电压，把液晶面板的电容充放电到相对应灰阶的电压，因此source driver也叫做data driver。再者就整块面板的坐标来说，连接到source driver的走线是位于X轴上，因此也叫做column driver。1、Gate driver的频率与输出频道数目有关常见的TFT LCD面板分辨率分别是SVGA、XGA、SXGA、SXGA+。以SVGA的分辨率来说，它是800*600的分辨率，其中800跟source driver的输出channel数目有关。同理在各个分辨率中，每个分辨率中前面的数字是跟横向的画面分辨率有关，因此需要考虑source driver的输出channel数目。而各个分辨率中后面的数目则是与纵向的分辨率有关，所以考虑的是gate driver输出的channel数目。由于TFT LCD跟CRT显示器不同的特性，因此TFT LCD显示器的画面更新频率并不象CRT显示屏幕一样，需要调得很高，以避免画面闪烁的状况。因此TFT LCD显示器其画面更新频率多半是固定在60Hz。然而各个分辨率水平输出的数目并不相同，所以每一条水平线的打开时间也不一样。以SVGA 800*600的分辨率来说，由于画面的更新频率为60HVz，所以水平分辨率的每一条线打开的频率约为60Hz*600lines=36KHz，也就是每一条水平线打开的时间约为1/36KHz=27.8s。同理我们也可以依照此一方式来推导出各种显示模式的工作频率与水平线的打开时间。我们可以发现，随着分辨率的提高，同时每一条水平线打开的时间也会跟着变小。也就是说，当分辨率变得更高，提供给source driver充放电的时间也会跟着变少。常见的gate driver的输出channel数目为可以选择200个输出或是192个输出，以及可选择256个输出或是263个输出这两种gate driver。现在应用最广的就是256/263输出的gate driver了，因为现在出货量最大的就是属于XGA以及SXGA的液晶显示器了。这两种分辨率以256个输出channel来说，分别需要3颗以及4颗的gate driver。正因为它的出货量很大，所以也有仅256个输出的gate driver 的设计，不过为了延长产品的生命周期，大多会采取256/263的输出channel的设计。在这种设计下，当使用于XGA与SXGA的分辨率时，便会浪费了7个输出channel，而当使用于SXGA+的分辨率时，共需要使用4颗。所以总输出channel为263*4=1052，仍然比SXGA+分辨率所需的1050条线多出2条。跟前面提到的200/192输出channel与256个输出channel的gate driver，其3-4颗加起来的总输出channel数目与分辨率一致的状况是不一样的。2、Gate driver功用为依序打开薄膜晶体管Gate driver的主要功能是将液晶面板上的薄膜晶体管，一行一行的依序打开，好让source driver对面板上的电容充放电。因此整个系统需要一个clock来作同步的动作，好让gate driver依序将每一行的薄膜晶体管打开，而SPL（start pulse input）则是让gate driver的输出开始动作的同步信号。当gate driver一接收到SPL的信号之后，便会依序由OUT1、OUT2、OUT199、OUT200送出一个个的脉波，来打开液晶面板上一行一行的薄膜晶体管。在最后一个脉波送出的同时，会同时由SPO（start pulse output）送出信号到下一颗gate driver（上一颗的SPO信号，是接到下一颗gate driver的SPI信号），好让下一颗gate driver能接续下去，输出打开薄膜晶体管用的脉波，直到面板上所有的薄膜晶体管都打开过并充好电为止。以SVGA（800*600）分辨率的液晶面板来说，若是使用200个输出channel的gate driver，则共需要3颗gate driver来驱动。而这3颗的gate driver则利用上一颗的SPO接到下一颗的SPI 来协同工作，以完成共600个输出的结果。3、分析Gate driver的架构Gate driver由于负责的工作很简单，所以它的架构并不复杂。Gate driver的主要架构有3个部分，首先是双向移位缓存器（bi-directional shift register）。这个地方的主要功用就是要能依照所输入的clock产生出循序输出的脉波，所以才需要使用移位元缓存器（shift register）。但是为什么要使用双向的移位缓存器呢？主要是为了让TFT LCD棉板的机构设计更有弹性。也就是说，一旦面板的机构完成后您要选择由上到下将一行一行的薄膜晶体管打开，或是由下到上一行一行的打开都可以。虽然这样需要增加硬件上的成本，不过可以获得的设计弹性更大。既然使用了双向的移位缓存器，就需要额外的输入接脚来选择移位缓存器的移位方向（shift direction）。而此同时，start pulse的接脚也必须作成是可选择为输入或是输出的方式。当移位缓存器选择是右移时，左边的start pulse接脚就变成输入，而右边的接脚就变成输出。倘若移位缓存器选择的是左移时，则左边的start pulse接脚就变成输出，右边的接脚就变成输入了。由于gate driver的输入接口是一般的数字输入接口，所以接口的电压大约是2.33.6伏特之间。而最后的输出接口，由于是要控制薄膜晶体管的打开与关闭，它的工作电压范围很大，大约是从-2030伏特之间，所以要将双向的移位缓存器的输出传送到输出电路时，就必须使用level shifter来作升压的动作。而level shifter的设计就是整个gate driver设计中最关键的地方，虽然整个gate driver的架构很简单，电路也不复杂，但是由于最后输出电压的工作范围实在很大，即使gate driver的电路已经设计完成，还是会因为使用环境的关系，造成驱动芯片本身信赖度（reliability ）会因此降低。因此level shifter设计的精良与否，便会影响到整个gate driver驱动芯片的成败。以一般N-substrate的制程来说，由于基底（substrate）本身需要接到整个芯片系统中最低的电压，而整个gate driver的最低电压是-3-20伏特之间，所以当数字接口的信号输入之后，就必须经由第一阶段的level shifter 将整个输入信号作降压的动作，等双向的移位元缓存器将信号处理好之后，才将信号送入输出电路。而这样降压后再升压的动作，看似简单，其实一旦处理不好便会造成整个电路的动作不正确。所以现在常见的gate driver 设计多是使用triple well的制程，利用triple well制程可处理较多组电源电压的特性，来降低经由level shifter升压降压时所造成电路动作不正确的可能性。最后是输出电路（output circuit）的部分，输出电路的构造简单来说其实只是一个output buffer而已，它的主要功能就是要把level shifter的输出信号送出去而已。但是要送信号到芯片外部时，需考量到外面所接的液晶面板的负载，因此借由设计输出电路的推动能力，来达到这些要求，这就是输出电路的重要功能。4、Gate pulse 产生脉波输出间隔避免充电错误用来传送gate driver 输出信号的液晶面板上的走线，等效阻抗相当于一组串联的电阻电容网线。因此gate driver输出的脉波信号在这一条走线上传送时，会造成脉波波形失真，以及传送上的延迟效应。这样一来，靠近gate driver输出的薄膜晶体管，跟远离gate driver输出的薄膜晶体管，打开及关闭的时间点便会不一样，但是source driver却是在同时送出电压到每一个薄膜晶体管上。这样一来，会有一个错误的现象发生，那就是当上一行最后一个薄膜晶体管尚未关闭时，下一行的第一个薄膜晶体管却已经打开了。对于source driver而言，此时正好送出给下一行用的电压，因此上一行的最后几个薄膜晶体管所充电的电压便会不正确，显示出来的画面就会有错误。因此在面板的电路设计，便会尽量降低整个走线的RC阻抗。但是对于大尺寸的液晶面板来说，再怎么极力降低阻抗，还是会有一定程度的传送延迟。在实际的面板应用之中，gate driver 的输出脉波，并不是一个紧接着一个的。在连续的两个脉波之间，会有一定间隔，以确保上一行所有的薄膜晶体管都关闭后，下一行的薄膜晶体管才打开。这样一来，就可以避免掉前面所提充电错误的情形发生。此外由于每一家面板制造商的电路设计并不一样，因此所需的间隔也不尽相同。所以在gate driver 的设计中，会提供一个OE（output enable）接脚，让面板制造商来调整gate driver输出脉波的间隔。5、All output on的功能清除残存电荷在gate driver的设计中会有一个all output on的设计。这个设计是将所有的gate driver输出接脚，全部都送出打开薄膜晶体管所需的高电位电压。也就是说，这个功能启动时，是把所有液晶买拿办上的薄膜晶体管都打开的意思。乍看之下，似乎没多大用途。但是它切可以让液晶屏幕开机关机时的画面不至于太难看。以关机的画面为例，如果没有这样的功能的话，依照液晶的特性，当关机完成时，会看到最后一个画面慢慢淡去的情形，最后才是全黑的画面（如果没有all output on的功能，只要将背光板关闭，画面就是黑色的了。不过仔细看，仍然可以隐约看到这个现象）。为什么会后这种现象呢？那是因为液晶面板上各个pixel仍然有残存电荷的存在，需要一段时间电荷才会完全消失。若有all output on的功能的话，可以在关机时，让画面上所有的pixel都因为薄膜晶体管都导通了，而有相同的电压，相同的灰阶。再利用source driver输出电压，迅速将液晶面板充放电到全黑的画面，这样就不会有残影的感觉了。而开机时也可利用此一功能，将画面开机前的残存电荷清除，以免有残影，同时将液晶面板上的所有pixel充电到中间电压，以便能迅速反映开机后的第一个显示画面。6、三阶驱动gate driver输出较二阶多出补偿电压三阶驱动的gate driver的功能与二阶驱动的gate driver几乎都一样，而它们最主要的差别，就是输出电路的输出电压波形不一样。三阶驱动顾名思义就是gate driver的输出电压波形会有三种不同的电压准位。二阶驱动的电压有两种，分别是打开的电压与关闭的电压。而三阶驱动则多出了一个补偿用的电压。这个补偿用的电压主要是为了用来补偿gate driver输出电压关闭时，因为feed through的关系，造成显示电极的电压所受到的影响。实际上每一行的补偿电压都是用来补偿下一行薄膜晶体管上的显示电极电压之用的，因此仅能适用于Cs on gate的面板电路架构。既然每一行的补偿电压是用来补偿下一行的feed through（电 连通）电压，那第一行的feed through要由谁来补偿呢？为了这个缘故，我们可以看到三阶驱动的gate driver输出channel数目是不太一样的。给256输出用的会做成257或是258个输出接脚，给263输出用的会做成264或是265个输出接脚。那些多出来的输出，就是为了来补偿第一行用的。除了上述的这些差别之外，基本上像在二阶驱动中有的OE pin，all output on等等的功能，都可以在三阶驱动的gate driver上找得到。7、双脉波输出的gate driver可让高分辨率面板显示正确灰阶 在gate driver的使用上，常看到的是有另一种输出波形，称之为双脉波输出（double pulse）。双脉波输出的波形中，真正打开薄膜晶体管且充入正确电压的是属于后面一个脉波。那前面一个脉波是做什么用的？这个前面的脉波，主要是用来预先充电之用的。随着分辨率的提高，每一行薄膜晶体管打开的时间会越来越短，代表的就是给source driver的充电时间会减少。因此预先将电压充到一定准位，便可以减少真正充电时所需要的时间，让电压更容易充到正确的准位。至于为什么双脉波输出的两个脉波之间，需要间隔打开一行薄膜晶体管的时间呢？那是因为以现在常见液晶面板极性变化的line inversion与dot inversion来说，上下相邻的两个液晶面板的显示点，其极性是不一样的，代表电压分布范围是完全不同的，因此若是要预先充电，当然要选择充电极性相同的来做才行。所以在预先充电时，所充到的电压其实是上上一行的显示电压，那么这样一来，预先充的电压不是会造成显示画面是不正确的吗？这样说是没有错，不过这个错的电压只是保持了约两个gate pulse的时间而已，等到后面的pulse打开薄膜晶体管并充好电，这时候显示电极的电压便是正确的了，这个有正确电压的画面会延续到下一次更新画面的时候，因此前面那个错误的画面，因为存在的时间太短，人眼是感觉不出来的。所以经由双脉波的输出，可以让高分辨率的液晶面板，能充电到更正确的电压，以显示出更正确的电压，以显示出更正确的灰阶。-