2022年TFTLCD液晶显示器驱动原理.docx

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1、TFT LCD液晶显示器的驱动原理 一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 TFT LCD 本身结构上的操作原理来做介绍；这次我们针对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，而其驱动原理仍旧由于一些架构上差异的关系，而有所不同；第一我们来介绍由于Csstorage capacitor储存电容架构不同，所形成不同驱动系统架构的原理；Csstorage capacitor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Cs on gate 与 Cs on 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

2、容是利用gate 走线或是 common 走线来完成的； 在上一篇文章中提到，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；所以我们就必需像在 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，就是利用显示电极与 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；12 / 12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 Cs on co mmon 一样，需要增加一条额外的 common 走线，所以它的开口率 Aperture ratio会比较大

3、；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Cs on gate 的方式；但是由于 Cs on 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 Cs on gate与 Cs on 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gate driver 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

4、的时间很短， 以 1024768 辨论率，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，就 Cs 储存电容的电压， 也会随之复原到正常； 这也是为什么，大多数的储存电容设计都是采纳Cs on gate 的方式的缘由；至于 common 走线，我们在这边也需要顺便介绍一下； 从图 2 中我们可以发觉， 不管您采纳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；既然液晶是布满在上下两片玻璃之间， 而显示电极与 TFT 都是位在

5、同一片玻璃上，就 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，就是另外利用位于与显示电极同一片玻璃上的走线，这跟Cl c 上的 common 电极是不一样的，只不过它们最终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 ，就需要三个这样显示的点，分别来代表RGB 三原色；以一个 1024768 辨论

6、率的 TFT LCD 来说，共需要 10247683 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 gate driver 所送出的波形，依序将每一行的TFT 打开，好让整排的 source driver 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gate driver 便将电压打开，再由相同的一排source driver 对下一行的显示点进行充放电；如此依序下去，当充好了最终一行的显示点，便又回过来从头从第一行再开头充电；以一个 1024768 SVGA 辨论率的液晶显示器来说，

7、总共会有768 行的 gate走线，而 source走线就共需要 10243=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，所以安排给每一条 gate 走线的开关时间约为 16.67ms/768=21.7us；所以在图 3 gate 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 source driver 就在这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

8、应的灰阶；面板的各种极性变换方式由于液晶分子仍有一种特性， 就是不能够始终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，液晶分子会由于特性的破坏，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，就必需将电压复原原状，以防止液晶分子的特性遭到破坏；但是假如画面始终不动， 也就是说画面始终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

9、；所以当上下两层玻璃的压差肯定值是固定时，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；不过这两种情形下，液晶分子的转向却是完全相反，也就可以防止掉上述当液晶分子转向始终固定在一个方向时，所造成的特性破坏；也就是说，当显示画面始终不动时，我们仍旧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

10、下一次更换画面数据的时候来转变极性；以 60Hz 的更新频率来说，也就是每 16ms，更换一次画面的极性；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打算了；第一是frame inversion，它整个画面全部相邻的点，都是拥有相同的极性；而 row inversion 与 column inversion 就各悠闲相邻的行与列上拥有相同的极性；另外在 dot inversion 上，就是每个点与自己相邻的上下左右四个点，是不一样的极性；最终是delta inver sion，由于它的排列比较不一样，所以它是以RGB 三个点所形

11、成的 pixel 作为一个基本单位，当以 pi xel 为单位时， 它就与 dot inversion 很相像了， 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 电极的电压是始终固定不动的，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，假如您要在面板上始终显示V0 这个灰阶的话，就显示电极的电压就必需一次很高， 但是另一次却很低的这种方式来变化； 为什么要这么复杂

12、呢？就犹如我们前面所提到的缘由一样，就是为了让液晶分子不会始终保持在同一个转向，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 电极的压差肯定值是固定的，所以它的灰阶也始终不曾更动；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 两端的压差肯定值固定不变，而灰阶也不会变化的成效，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，它肯定要

13、比灰阶中最大的电压仍大， 而电压小的时候就要比灰阶中最小的电压仍要小才行；而各灰阶的电压与图 5 中的一样，仍旧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 source driver 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；而显示电极电压的供应，就是来自于source driver；以图七中 common 电极电压如是固定于 5 伏特的话，就 source driver 所能供应的工作电压范畴就要到 10 伏特以上；

14、但是假如 common 电极的电压是变动的话，假使 common 电极电压最大为5 伏特，就 source driver 的最大工作电压也只要为 5 伏特就可以了； 就 source driver 的设计制造来说， 需要越高电压的工作范畴，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全部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，可以使用全部的面板极性转换；但是假如common 电压是变动的话，就面板极性转换就只能选用 frame inversion 与 row inversi

15、on.请见表 1 也就是说，假如你想使用 column inversion 或是 dot inversion 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，在面板上全部的显示点，它们的common 电压是全部接在一起的；其次由于 gate driver 的操作方式是将同一行的全部 TFT 打开，好让 source driver 去充电，而这一行的全部 显示点， 它的 common 电极都是接在一起的， 所以假如你是选用 common

16、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column inversion 与 dot inversion 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frame inversion 与 row inversion 的缘故；而 common 电极电压固定的方式，就没有这些限制；由于其common 电压始终固定，只要 source driver 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

17、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Frame inversion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运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dot inversion；为什么呢？缘由无它，只由于 dot inversion 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F

18、licker 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耀的感觉；它并不是有意让显示画面一亮一灭来做出闪耀的 视觉成效， 而是由于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耀 . 这种情形最简单发生在使用 frame inversion 的极性变换方式，由于 frame inversion 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；假如你是使用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

19、的情形下， 由于正负极性画面交替显现，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frame inversion 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的现象成因有许多种，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Fl

20、icker 的现象Crosstalk 的现象Frame inversion明显Row inversion不明显垂直与水平方向都易发生水平方向简单发生Column inversion不明显垂直方向简单发生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 电极电压如是固定， 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 source driver 其所需的电压比较高， 反而在 source driver 的耗电会比较大；但是假如使用相同的

21、common 电极驱动方式， 在 source driver 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 dot inversion 的 sourcedriver 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 的耗电就会比较小；也就是说由于 source driver 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 row inversion 面板由于多是使用 common 电极电压变动的方式，其 source driver 的变动电压最大只有 5 伏特，耗电上会比较小 ，但 dot inversion 面板的整体耗电已经减低许多了；这也就是为什么大多数的液晶显示器都是使用dot inversion 的方式；