LCD 基本驱动原理.ppt

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1、LCD LCD 基本基本基本基本驅動原理驅動原理驅動原理驅動原理PD/ACD SeaboyPD/ACD Seaboy課程大綱課程大綱 顯示的基本原理顯示的基本原理 1.偏光片的使用 2.Rubbing的定向 3.液晶的定向 4.加入電場後的液晶 5.液晶與偏光片的效應組合 LCD基基本驅動原理本驅動原理 1.液晶與外加電場的關係液晶與外加電場的關係 2.TFT的基本驅動的基本驅動 （a）TFT的機構的機構 （b）TFT的簡易等效電路的簡易等效電路 （c）面板的各種極性與）面板的各種極性與Common 的不同驅動的不同驅動 （d）Cst on Common&Cst on GateLCD的顯示原理

2、基本上，LCD是藉由電場加於液晶，改變其雙折射現像，並配合偏光片來決定光的路徑。以顯示出對比，並利用color filter來呈現出色彩。(1).偏光片的使用偏光片的使用：使用偏光片，可決定光的行進路線。(2).Rubbing的定向：的定向：可使液晶分子呈現規則的排列 (3).液晶的定向液晶的定向：可使液晶分子呈現規則的排列後，達到扭轉的功 能；不同型態之LCD有不同的扭轉角。(4).加入電場後的液晶：加入電場後的液晶：當所加的電場強度高於液晶的臨限電壓時，改變原有的扭轉排列狀態。(5).液晶與偏光片的效應組合：液晶與偏光片的效應組合：未加電壓未加電壓：當光線通過上層偏光片，以一特定的方向進入

3、LCD後，藉 由液晶的扭轉將光路徑旋轉至特定之角度，而得以穿透下 層偏光片的透過軸向。施加電壓施加電壓：原有液晶分子排列的狀態經過施加電壓後，已失去了旋轉 光路徑的功能，因此光線無法透過直交的偏光片。TFT基本驅動ClcTFT SubstrateColor Filter SubstrateRGBClcClcRBGTFT 基本的剖面圖基本的剖面圖舉例：舉例：TFT LCD 等效電路等效電路Gate DriversSource Driver1H1HClcCsCsCsCsCsCsCsCsCsClcClcClcClcClcClcClcClcGlassGlassGate Metal Deposition

4、Gate PatterningSiNx Depositioni a-Si Depositionn+a-Si DepositionActive PatterningData Metal DepositionData Metal Patterningn+a-Si EtchSiNx DepositionVia Hole PatterningITO DepositionPixel PatterningPixelDataPassivation SiNxn+a-Sii a-SiGateinsulatorSiNxGateVia holeFrame TimeGate123N1HL1L2L3DATATFT Ti

5、ming chartTFT Timing charttF=16.7mstg(gate on time)G0G1G2G3+V1+V2V3offoffoffonononoffoffoffoffoffoffCst Scanning at-a-line -Vgh is applied to a gate line -All TFTs on a gate line are turned on -Current flows from data line to pixel and pixels on the gate line are charged up to data voltage -Vgl is a

6、pplied to a gate line -All TFTs on a gate line are turned off and pixels on the gate line holds the charged voltageTFT driving principleTFT driving principleDisplay FormatResolutionVGASVGAXGASXGAUXGAQXGAGate-on-time480 x640 xRGB600 x800 xRGB768x1024xRGB1024x1280 xRGB1200 x1600 xRGB1536x2048xRGB34 s2

7、7 s21.7 s16 s13 s10 sPixel Size(in 15.1”)480 m X 160 m384 m X 128 m300 m X 100 m234 m X 78 m192 m X 64 m150 m X 50 mRefreshing time tF(Frame time)(dominated by the Pixel design tg)Refreshing rate=1/tF Gate switching time tg(Gate-on time)tg(Gate-on time)=tF(Frame time)/total Gate line(dominated by pr

8、oduct resolution)For example:tg(Gate-on time)=16.7 ms/768(for 14.1”XGA)=21.7 sTFT resolutionTFT resolutionR/G/B:若各以6 bits訊號控制,則可各得 26=64 scales1 dot:R/G/B 所組成所以螢幕上一個點由6X3=18 bits所控制故每個點顏色階數可有218=256K scalesFull color(True color)scale:24 bits=17M scales1M=1024K,1K=1024bitsColor scale Depends onThe ch

9、arging capabilityT-V(Transmission versus Voltage)curveTN liquid crystal:Normally WhiteTFT mobility(ie carrier mobility,載子移動率)Transmission(%)Voltage像素 Pixel dimension:88X264 mm2 點距 Dot dimension:264X264 mm2 TFT resolutionTFT resolutionDot Dot InversionInversionGate Gate InversionInversionData Data In

10、versionInversionCommon Common InversionInversion面板的各種極性變化方式：Column inversionLine inversionDot inversionFrame inversion1st field2nd fieldPositive voltageNegative voltageCheckerboard PatternCheckerboard Pattern246810121416Gate_EvenGate_OddData_EvenData_OddSpareVgh=+15VVgl=-15Vtg =100sVdh =+5VVref=0VVd

11、l =-5VVghVglVdhVdlVrefDot Inversion PatternDot Inversion Pattern246810121416Gate_EvenGate_OddData_EvenData_OddSpareVgh=+15VVgl=-15Vtg =100sVdh =+5VVref=0VVdl =-5VVghVglVdhVdlVrefGate Inversion PatternGate Inversion Pattern246810121416Gate_EvenGate_OddData_EvenData_OddSpareVgh=+15VVgl=-15Vtg =100sVdh

12、 =+5VVref=0VVdl =-5VVghVglVdhVdlVrefData Inversion PatternData Inversion Pattern246810121416Gate_EvenGate_OddData_EvenData_OddSpareVgh=+15VVgl=-15Vtg =100sVdh =+5VVref=0VVdl =-5VVghVglVdhVrefCommon Driving PatternCommon Driving PatternCommon電極的驅動方式Common電壓固定不變的驅動方式Common電壓不停變動的驅動方式Direct Driving of

13、TFT LCDs DC Bias of CommonGrayScale Voltage V0V1V2V62V63V63V62V2V1V01 Frame/1 LineAC Driving of TFT LCDsV0V1V2V62V63V63V62V2V1V0Common WaveformGraylevel Voltage1Frame/1 LineT100%VVthVthVth:液晶的操作臨界電壓液晶的操作臨界電壓Vcom:共通電極訊號位準共通電極訊號位準正極性正極性訊號時光電轉移曲線負極性負極性訊號時光電轉移曲線Vth負極性負極性時臨界電壓正極性正極性時臨界電壓5V3.5V6.5VTFT dri

14、ving curveTFT driving curveT100%V5V-1.5VVth正極性正極性訊號時訊號時共通電極訊號位準共通電極訊號位準負極性負極性訊號時訊號時共通電極訊號位準共通電極訊號位準正極性正極性訊號時訊號時光電轉移曲線光電轉移曲線負極性負極性訊號時訊號時光電轉移曲線光電轉移曲線VthTFT driving curveTFT driving curve面板極性變化與Common電極驅動方式的選用面板極性變化方式面板極性變化方式 可使用的可使用的CommonCommon電極驅動方電極驅動方式式Common inversion固定與變動Gate inversion固定與變動Data

15、inversion只能使用固定的Common電極電壓Dot inversion只能使用固定的Common電極電壓面板極性變化與Common電極驅動方式的選用面板極性變化方式面板極性變化方式 FlickFlick的現象的現象 CrosstalkCrosstalk的現象的現象Common inversion明顯垂直與水平方向都容易發生Gate inversion不明顯水平方向容易發生Data inversion不明顯垂直方向容易發生Dot inversion幾乎沒有不易發生在面板設計上Cst有兩种擺放位置 1.Cst on Common 2.Cst on Gate液晶畫素TFTGate LineD

16、ata LineCs液晶畫素TFTCommonGate LineData LineCsCs Cst on ComCst on GateHigher Open RatioCst Design(Cst on Com&Cst on Gate)Cst Design(Cst on Com&Cst on Gate)TFTTFTCstCstGate-lineGate-lineData-lineData-lineViaViaITOITOPixel Layout(Cst on Com&Cst on Gate)Pixel Layout(Cst on Com&Cst on Gate)Cst on Gate/ComC

17、st on Gate/Com之名稱來自於之名稱來自於CstCst所接的信號來源所接的信號來源依構成電容之層別種類可細分成依構成電容之層別種類可細分成MII&MIMMII&MIM電容設計差異電容設計差異-MIM vs.MIIMIM vs.MIIMIM MIM Cross-ViewCross-ViewMIIMIICross-ViewCross-View名詞解釋名詞解釋:M metal 金屬金屬 GE/SD/ITO I Insulator 絕緣層絕緣層 AS/BP 用來使上述金屬層間之分隔避免之間用來使上述金屬層間之分隔避免之間 ShortCst on Gate即使用即使用ITO/GE作電容儲存作電

18、容儲存PixelPixel主要組成要素主要組成要素畫面上一個點為三個畫面上一個點為三個pixel所組成所組成(R 紅紅,G 綠綠,B 藍藍 )而每個而每個pixel之組成要素則為之組成要素則為1.TFT device 主要作用為控制主要作用為控制pixel信號之傳遞信號之傳遞2.Cst 主要功用為儲存電荷之用主要功用為儲存電荷之用,確保在下一次更新確保在下一次更新 信號來臨前可將先前之信號儲存於信號來臨前可將先前之信號儲存於pixel內內3.ITO 與彩色濾光片共同組成上下兩電極板提供電場使兩者之間之與彩色濾光片共同組成上下兩電極板提供電場使兩者之間之 液晶角度變化以控制液晶角度變化以控制pi

19、xel之亮暗程度之亮暗程度TFT ConfigurationTFT ConfigurationCst on GateCst on GateMIMMIMCst on ComCst on ComMIMMIM名詞解釋GE:GE:1.1.掃描線掃描線(Scan line)Scan line)決定畫面更新決定畫面更新,可控制可控制ASAS層開關之開啟或關閉層開關之開啟或關閉 2.2.作外圍金屬線路之用作外圍金屬線路之用,避雷針避雷針.AS:AS:1.Pixel1.Pixel之開關之開關,決定決定SD SD 訊號輸入訊號輸入pixelpixel裡裡,來決定來決定pixelpixel之亮暗程度之亮暗程度 2

20、.2.Dummy pattern,mark,numbers,.not for circuit layout.Dummy pattern,mark,numbers,.not for circuit layout.3.3.絕緣層絕緣層,i.e.Repair Line cross-over pads.i.e.Repair Line cross-over pads.SD:SD:1.1.信號線信號線(Data line),Data line),決定每個決定每個pixelpixel需要到達之電壓值決定其亮度需要到達之電壓值決定其亮度 2.2.作外圍金屬線路之用作外圍金屬線路之用,避雷針避雷針.BP:BP:

21、1.1.電路橋接點電路橋接點,將金屬層藉由將金屬層藉由BPBP挖挖ViaVia洞將洞將各層金屬連接各層金屬連接,以構成所想要之電路以構成所想要之電路 2.2.絕緣層絕緣層,Dummy pattern,mark,numbers,.not for circuit layout.Dummy pattern,mark,numbers,.not for circuit layout.ITO:ITO:1.Pixel1.Pixel之電極板之電極板,可用來控制液晶可用來控制液晶,以決定以決定pixelpixel透光程度透光程度 2.2.作外圍金屬線路串接用作外圍金屬線路串接用,因厚度較薄因厚度較薄,通常用來作

22、測試信號間之串接通常用來作測試信號間之串接,於後段較易切斷於後段較易切斷,避免因避免因cutcut線造成過多金屬屑影響電路線造成過多金屬屑影響電路Cst on Common&Gate 在驅動電路上的差異ClcCsClcCsCommonCommon (N-1)thScan Line (N-1)thScan LineNth Scan LineNth Scan LineCs on Common Mode Cs on Gate ModeCgdCgd液晶电容儲存电容扫描电极资料电极共通电極Mth Data LineMth Data Line资料电极扫描电极:Clc:Cs:Com:Cgd寄生电容液晶画素电

23、容:Clc+CsCst on Common&Gate的簡單電路TFT LCD 驱动波形(Cs on Common,Common=DC Bias)1)TFT LCDs Driving Waveform-Cs on Common2)TFT LCDs Driving Waveform-Cs on GateCst on Common&Gate 在光學上的差異Cst on GateCst on GateMIMMIMCst on ComCst on ComMIMMIM由上圖看出其中的開口率不一樣！由上圖看出其中的開口率不一樣！Cst on gate Cst on Common Cst on gate Cs

24、t on CommonResult:1.1.設計上的差異設計上的差異 2.2.電路驅動的差異性電路驅動的差異性 3.3.光學上開口率不一樣光學上開口率不一樣但是爲什麽大多數的存儲電容設計都是採用但是爲什麽大多數的存儲電容設計都是採用Cst on gateCst on gate的方式：的方式：1.1.CstCst on gate on gate的開口率的開口率 CstCst on Common on Common開口率開口率 2.2.雖然黨下一條雖然黨下一條GateGate走綫送出電壓打開下一個走綫送出電壓打開下一個TFTTFT時會影響到時會影響到存儲電容上存儲電壓的大小，但是下一條存儲電容上存儲電壓的大小，但是下一條GateGate走綫打開到關閉的時走綫打開到關閉的時間很短，如：間很短，如：則很有限！則很有限！