LCD行业-富相科技-LCD液晶显示器驱动系統.pptx
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1、液晶顯示器驅動系統講師 :課程大綱 液晶物質簡介 液晶的電光效應 液晶基本驅動原理 STN LCDs 驅動原理 TFT LCDs 驅動原理 影響TFT LCDs 畫面品質的因素 Driver IC 簡介 TFT LCDs 模組及介面技術簡介液晶物質的相變化固體結晶液晶液體加熱加熱冷卻冷卻液晶分子的種類Smectic LC 層狀液晶Nematic LC 線狀液晶Cholesteric LC膽固醇狀液晶液晶分子的排列CrystallineLiquid CrystallineLiquid K SmC SmA N LBiaxialUnaxialIsotropicTemperature液晶的分類層狀液晶
2、Smectic線狀液晶Nematic膽固醇狀液晶Cholesteric液晶分子排列狀態熱 致 性 液 晶Thermotropic溶 致 性 液 晶Lyotropic液 晶形 成 方 式液晶的電光特性 異向性 (Anisotropic) 排列因數 ( ) 折射率 ( ) 黏滯係數 ( ) 介電係數 ( ) 電導係數 磁化率 彈性係數 ( )oennn/332211,nS液晶的光學特性Optical PositiveOptical NegativeHelical AxisOptical AxisOptical Axis nno/nne nne222/nnnoonenonen液晶驅動原理電極電極液晶
3、Field OFFField ON0/液晶顯示器主要優缺點 優點 低電壓驅動。 低消耗電流。 體積薄,重量輕。 可實現大面積化。 彩色化容易。 缺點 視角限制。 外加被光源或投射光源。 溫度操作範圍限制。液晶顯示器的種類 液晶顯示器扭轉型 (Twinst Nematic, TN) 1971超扭轉型 (Super Twinst Nematic, STN) 1984 雙層雙扭轉型 (Double Layer STN, DSTN)1987 光相位補償超扭轉型 (Film STN, FSTN)1988 主動驅動超扭轉型 (AASTN or MLS STN) 1992強介電型 (Ferroelectri
4、c Liquid Crystal : FLC) 1980PDLC (Polymer Dispersive LC) 1988 PSCT (Polymer Stabilized Cholesteric Texture) 1993Other DS (Dynamic Scattering) 1968 PC (Phase Change) 1968 GH (Guest Host) 1968 ECB (Elcetrical Control Birefregency) 1971BTN (Bistable Twist Nematic) 1995IPS (In Plane Switch) 1995VA (Vert
5、ical Alignment)1996TN 型 LCDs 顯示原理Twist 90液晶分子Field OFFField ON利用液晶的旋光特性調變穿透光線液晶的旋光特性消失STN LCDs 顯示原理Twist 270液晶分子Field OFFField ON利用液晶的雙折射特性調變穿透光線TN & STN 電光轉移曲線V-T Curve100%90%10%VnsSTN VsSTNVsTNVnsTNTVTN 與 STN 的電壓漂移T100%VV2T1TTN ModeT100%VV2T1TSTN ModeLCDs 驅動方式直接驅動法 (Direction Addressing)靜態驅動法 (Sta
6、tic Addressing)多工驅動法 (Multiplex Addressing)主動驅動法 (Active Addressing / Multi-Line Selection)主動矩陣驅動法 (Active Matrix Addressing)兩端元件 (MIM, Diode.)三端元件 (A-Si:H TFT, Ploy-Si TFT .)Plasma Addressing (PALC)熱掃描驅動法 (雷射掃描)光掃描驅動法 (電子速掃描LCDs 靜態驅動法LC CellXORVsVcVsigVcVsigVcVsVc-VsONOFF多工驅動法 (振幅選擇驅動法, APT)1 2 3 4
7、N 1 2 3Frame 1Frame 2F0T水平掃描訊號+D-D0垂直影像訊號Row 1Row 2Row 3Row NColumn 1ONOFFONOFFF+DF-DF+DF-D+D-D0+D-D0+D-D0+D-D01 2 3 4NFrame 1液晶畫素電壓TNDNDFON221NDNDFOFF221OFFONSR NDFopt11NNSRopt多工驅動法的限制NBiasS.R.21:22.2331:21.7331:31.9241:31.7381:41.45161:51.29321:71.2641:91.151001:111.111281:121.092001:151.082401:16
8、1.064001:171.061.01.11.21.3100200APT 驅動波形432105432106543210N=10N=20N=30=1.387=1.255=1.172=1.000=1.000=1.000IAPT 驅動波形水平電壓波形垂直電壓波形液晶畫素電壓波形0+F0+D-DF+D-D+D-(F+D)F+D-D+D-(F+D)F+D+D+F0+2D0F-DF+D正極性驅動負極性驅動正極性驅動波形偏移+D負極性驅動電壓偏移+FAPT AddressingIAPT AddressingAPT 與 IAPT 方式比較 APT Addressing Low Voltage Segment
9、Driver : 2D High Voltage Common Driver : 2F IAPT Addressing Offset +D for Positive Polarity Offset +F for Negative Polarity Voltage Range of Segment Driver : F+D Voltage Range of Common Driver : F+D高容量多工驅動的對策(a)(b)(c)(d)(e)STN LCDs 規格11%1001%10011111090NNSRSRVVNVDBDNDFVoptlcdlcdOperation Voltage Vop
10、 :Bias Ratio : Steepness : NDNDFON221NDNDFOFF221OFFONSR NDFoptSelection Ratio : STN LCDs 驅動電壓計算If Voff=2V, N=240 rows, Then : 07.114.268.23120.2248.135.1240239115112222SRVONVVDNVVFVDDDNDNDNOFFVonLCDoff APT : Segment Driver : 2.96V, Common Driver : 44.40VIAPT : Segment & Common Drivers : 23.68VSTN LC
11、Ds Drivers 架構電源電壓Vlcd接地RRRR(F/D-3)RF+DFF-D2DD0.移位暫存器(Shifter Register)DCLK串列輸入訊號.閂鎖暫存器(Latch Register)LPF+D 0F-D 2D偏壓位準.DF(HLHL.H).HLHH並列輸出垂直訊號電極2D 02D2DIAPT 參考電壓IAPT 驅動 IC灰階顯示 FRCFrame Rate Control, FRC : 1stFrame 2ndFrame 3rdFrame 4thFramePixel 1Pixel 2Pixel 3Pixel 4Pixel 55/5 ON4/5 gray3/5 gray2/
12、5 gray1/5 OFFResultTime灰階顯示 PWMPulse Width Modulation, PWM :垂直影像訊號電壓波形水平掃描電壓波形液晶畫素電壓波形Tf1-fD-DFF+DF-D+D-D00灰階顯示 PHMPulse High Modulation, PHM : 垂直影像訊號電壓波形水平掃描電壓波形Tf1-f+D-DFF+DF-D+D-D00+D-DXYPWMPHM液晶畫素波形液晶畫素波形T/2T/2液晶的頻率響應10 100 1k 10k 100k1.031.021.011.000.990.980.970.96正規化處理V50頻率Vertical Crosstalk
13、of STN LCDsAB1HF-D+D-DF-D+D-D+D-DFrame NFrame N+10F+D-D+D-D正極性驅動波形負極性驅動波形水平脈波垂直驅動波形液晶畫素電壓波形ABABVertical Crosstalk 的抑制 (一)1HF-D-DF-D+D-D+DFrame N0F+D+D-D正極性驅動波形水平脈波垂直驅動波形液晶畫素電壓波形ABABF-D+D+D-DF-D+D-D+D-DFrame N0F-D+D-D正極性負極性APT AddressingImprovement Addressing每兩條水平線變換一次驅動電壓極性Vertical Crosstalk 的抑制 (二)
14、1HF-D-DF-D+D-D+DFrame N0F+D+D-D正極性驅動波形水平脈波垂直驅動波形液晶畫素電壓波形ABABF-D+D-DF-D-D+D-DFrame N0F-D+DAPT AddressingImprovement Addressing000FF0正極性驅動波形採用補償驅動週期Vertical Crosstalk 的抑制 (三)1HF-D-D-DFrame N0F+D+D-D水平脈波垂直驅動波形液晶畫素電壓波形Frame NF+DAPT AddressingIAPT Addressing-(F-D)+DF+D-(F+D)0F+D+2DF-DF+D0+2DF-DF+D0F-D-D-
15、D+D-(F-D)+DF+D-(F+D)-F一條水平掃描線的掃描週期分割成兩部份,一半的掃描時間是採用正極性的驅動訊號,另一半的時間是採用負極性的驅動訊號。Horizontal Crosstalk of STN LCDs垂直驅動訊號L Line水平掃描波形液晶畫素波形(a)(b)(c)(d)ABABLHorizontal Crosstalk 的抑制垂直驅動訊號L Line水平掃描波形液晶畫素波形(a)(b)(c)(d)傳統驅動方式水平掃描補償波形補償之液晶畫素波形(e)(f)GVLABFrame Response of STN LCDs慢速液晶快速液晶+20V-20V16.6ms液晶畫素電壓光
16、線穿透率WBActive Addressing for STN LCDs圖框週期tk=HF1(t)F2(t)F3(t)F4(t)F5(t)ON+1ON+1ON+1OFF-1OFF-1LCDs 矩陣tkG1(t)G1(t)=(+F1(t)-F2(t)+F3(t)-F4(t)+F5(t)/5Active Addressing 驅動電壓 NiiijjtFIctG1 tGtFtUjiij NmmmjjiitAINNtGtANNtFNNFOFF12112121Nc1If Voff=2V, N=240 rows, Then :F = 0.730 X 2V = 1.460V|G| = 0.954 X 2V
17、= 21.909VOutput Range of Segment Driver is about 44V.Common Driver of Common Driver is about 3V.Segment Voltage of Active Addressing不同的元素相異數目 D 所對應的垂直驅動電壓位階N01234567892-10+13-1-1/3+1/3+14-1-1/20+1/2+15-1-3/5-1/5+1/5+3/5+16-1-4/6-2/60+2/6+2/6+17-1-5/7-3/7-1/7+1/7+3/7+5/7+18-1-6/8-4/8-2/80+2/8+4/8+6/8
18、+19-1-7/9-5/9-3/9-1/9+1/9+3/9+5/9+7/9+1表一. 主動驅動法的垂直驅動電壓位階分佈 0112122212121VNFNNNVVNTDNTDNNNTDTDNNNTATINNtGOOkjkjkjkjNmkmkmjjActive Addressing 的矩陣運算列向量(Column)時間(Time)行向量(Row)Bit-Map Image MatrixRow Function Matrix時間(Time)列(Column)Column Voltage MatrixtGtGtGtGtGtGtGtGtGtGIFIIIIIIIIItFtFtFtFtFtFtFtFtFI
19、Fjijiiji333231232221131211333231232221131211333231232221131211矩陣運算方式行(Row)行向量(Row)列向量(Column)Bit-Map Image MatrixRow Vector時間(Time)列(Column)Time = tk行向量(Row)列向量(Column)第j列Row Function Matrix時間(Time)列(Column)Column Vector垂直序列運算Column Sequential時間序列運算Time SequentialColumn Sequential 硬體架構 NM圖框記憶體 NM圖框記
20、憶體影像資訊 輸入IjNXOR陣列N加法邏輯陣列NM STN LCDs液晶層間隙4.5um液晶材料:低黏滯係數水平驅動函數唯讀記憶體Row Function ROMNSTN LCDs垂直驅動晶片TFT LCDs 垂直驅動晶片1轉2多工器2轉1解多工器Time Sequential 硬體架構 NM圖框記憶體 NM圖框記憶體影像資訊 輸入IjNXOR陣列N加法邏輯陣列水平驅動函數唯讀記憶體Row Function ROMN1轉2多工器2轉1解多工器NM圖框緩衝記憶體NM圖框緩衝記憶體NM STN LCDs液晶層間隙4.5um液晶材料:低黏滯係數STN LCDs垂直驅動晶片TFT LCDs 垂直驅動
21、晶片N主動矩陣式液晶顯示器AM-LCDsTFT LCDs 等效電路Row DriversColumn DriverArrangement of Color Filter R G B R G BR G B R G BR G B R G BRBG RGBRBGRBG RGBRBGRBG RGBRBGRGGBRGGBRGGBRGGBRGW BRGW BRGW BRGW BStripe Triangle Pixel Structure of TFT LCDsClcCsClcCsCommonCommon (N-1)thScan Line (N-1)thScan LineNth Scan LineNth
22、Scan LineCs on Common Mode Cs on Gate ModeCgdCgd液晶電容儲存電容掃描電極資料電極共通電極Mth Data LineMth Data Line資料電極掃描電極:Clc:Cs:Common:Cgd寄生電容液晶畫素電容:Clc+CsClcCsCommon1 (N-1)thScan LineNth Scan LineCs on Gate ModeCgdMth Data Line資料電極Common2Cs on Common 與 Cs on Gate 架構液晶畫素TFTGate LineData LineCsCs液晶畫素TFTCommonCommonGat
23、e LineData LineCsCs Cs on CommonCs on GateTiming Chart of TFT LCDsFrame TimeGate123NTimeTFT LCDs Driving Method1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines 1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+ + + + + + + + + + + + +1 2 3 4 512345Frame
24、N+1 ColumnsLines + + + + + + + + + 1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+ + +1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+ + +1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +Column InversionDot InversionRow Invers
25、ionFrame InversionDirect Driving of TFT LCDs DC Bias of CommonGrayScale Voltage V0V1V2V3V4V5V6V7V7V6V5V4V3V2V1V01 Frame / 1 LineAC Modulation Addressing of TFT LCDsV0V1V2V3V4V5V6V7V7V6V5V4V3V2V1V0Common WaveformGraylevel Voltage1Frame / 1 LineTFT LCDs 的電光效應Direct AddressingT100%VVthVth:液晶的操作臨界電壓共通電極
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