TFT-LCD驱动原理

TFT-LCD驱动原理 1 第7章 TFT LCD的驱动 当N上升时，每个象素工作的站空比1/N也随之下降，这一方面需要提高驱动电压，同时要求更高所谓背光源。 我们希望 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一个非线性的有源器件，每个象素可以独立驱动，从而可以克服交叉效应，实现多路视频画面，如果该非线性有源器件还具有存储性能，则可以解决由于站空比变小所带来的种种问题。 有源矩阵的英文名是Active Matrix 缩写是AM.有源矩阵液晶显示器根据有源器件的种类可以分成如下图所示: MPSFE单晶硅 T CdSe Te 三端有源矩阵 TFT a-Si P-Si 有源矩陣 MIM MSM 二端有源矩阵 背对背二极管 ZnO变阻器 图2-7有源矩阵的驱动方式 二端有源方式,工艺相对简单,开口率较大，投资额度小,但图像比三端有源的差，三端有源方式由于扫描输入可以分别优化处理,所以图像质量好,但是工艺制作复制,投资大,以数十亿美元为单位..而三端有源方式中以TFT为主.TFT是Thin Film Transistor的缩写,即薄膜晶体管. 这里我们主要讨论TFT的设计. ?7.1 TFT LCD pixel的结构 一、 没有存储电容的TFT pixel， 如图2-8所示: Data line(to source driver)CommonelectrodeScan line(to gate driver) To gate driver显示电极 CLCTFT 显示电极Vcommon To source driver 图2-8 没有存储电容的TFT pixel 2 二、 存储电容的一端在common 电极上的pixel。见图2-9 Data line(to source driver) Common electrode Scan line(to gate driver) 显示电极 To gate driver C LC TFT 显示电极 Vcommon 存储电容 Cs on common To source driver 的等效电路 Cs on common 图2-9 存储电容的一端在common 电极上 三、 存储电容的一端在gate 引线上。见图2-10 Data line(to source driver) driver) Scan line(to gate 显示 电极 To gate driver C LCC S TFT Vcommon 显示电极 存储电容 Cs on gate走线 Cs on gate 的等效电路 To source driver Cs on gate 图2-10 存储电容的一端在gate 引线上 四、 电容的一端在单独引出的线上的 pixel。见图2-11 3 存储电容存储电容 To gate driver CLCCSTFT 显示电极Vcommon 存储电容 a separate line A seperateline Cs on a separate lineTo source driverC S的等效电路 图2-11 存储电容的一端在单独引出的线上 同一般的液晶显示器件类似，TFT液晶电容Clc也是由上下两块ITO，中间灌入液晶 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 而形成的，一块ITO是在color filter substrate上面，另一块ITO则是在TFT array substrate上面。在color filter substrate上面的ITO电极没有蚀刻图案，没有蚀刻的ITO电极称为common电极，在TFT array substrate上面的ITO电极被分成segments,由上下ITO电极及液晶材料就构成了所谓的象素pixel，每个象素都会通过一个TFT来和data line 相连接。 增加存储电容是为了增加象素的有效电容值，我们知道象素的电容值与液晶介电系数ξlc，液晶盒的厚度dlc,象素电极的有效面积Slc。如果我们在TFT array substrate上面另外加个存储电容，电容两极用充满很薄的绝缘介质材料，绝缘介质材料的厚度比起液晶盒的厚度小的多，由电容的计算公式C=ξ*S/d，ξ是电介质材料的绝缘系数，S为电容极板的面积，d为电容两极板的相对距离，因为存储电容的两极板的距离比起液晶盒的间隔小得多，所以存储电容的电容值比起液晶材料的电容值就大多了，也就是增加这个存储电容，象素的电容值比起原来没有存储电容时有了显著的提高。如下图所示: 2-12 TFT 结构 4 ?7.2 TFT LCD的驱动过程 当在gate电极上加个选通信号，TFT 有源器件将会被打开，这时data 信号将会通过source 电极施加到液晶象素上，当gate 上没有施加选择信号时，TFT 有源器件将会被关闭，这时液晶象素上的电荷将会被存储在存储电容上。直到下次gate电极被打开为止。 一、Source Drive IC 基本工作原理 Source Drive IC 在显示器中用来传输讯号,透过给某个象素点充到多高的电压以便在该点上显示出怎样的灰阶,最终达到成像的目的. 图2-13 source 驱动器结构 图2-13为讯号在Source Driver IC中传输的过程: a讯号经过Decoder(译码器)后透过Shift Register(移位寄存器)的作用往Line Latch中一次锁存两个像素. b经过Line Latch后,讯号在LD的控制下进入Level Shift.由于进入Line Latch中的是3.3V的讯号,但DAC中需要高达10V的讯号,所以通过Level Shift可达到电压提升的目的. c将讯号存入DAC专用寄存器中直到384个通道的讯号都已送满,再经过DA转换达到Gamma电压修正的功效. d经过DAC转换后讯号输送到Out Drive Buffer中,经此可将原讯号中的杂讯去除,输出比较平稳的讯号到TFT的source 电极. DAC中加入POL信号,其有着非常重要的作用.它是用来控制液晶分子反转的，至于为什么要反转呢,将在后面中介绍。 二、Gate Drive IC 基本工作原理 Gate Drive IC用来扫描每一行的TFT, 将其打开来显示该行的图像. 5 图2-14 Gate 驱动器结构 图2-14为讯号在Gate Drive IC中传输的过程: a时钟脉冲在经过Shift Register后在OE呈高电平的作用下,将信号输入Level Shift中. b信号在Level Shift中其电压从3V被提升至高达20V后输出对TFT进行扫描. U/D用来进行扫描方向的控制,它可以使Gate Drive IC进行从上到下的扫描或从下到上的扫描 TFT panel Gate driver 所送出的波形 To source 一个pixel driver 图2-15:整块液晶面板的等效电路(Cs on common) 6 从图2-15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TFT LCD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, 然后由图2-15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, 当充好了最后一行的显示点(从第一行扫描到最后一行所需的时间称为一个frame), 便又回过来从头从第一行再开始充电. 以一个1024*768 SVGA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更新频率为60Hz的来说, 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16.67ms/768=21.7us. 所以在图2-15 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. ?7.3TFT寄生电容及其影响 一、 TFT寄生电容 上面我们介绍了TFT-LCD的工作原理，由于TFT的沟道是连接drain和source两端的，在TFT有源器件当中，主要的寄生电容有删极和漏极间的寄生电容CGD，删极和源极的寄生电容CGS，在drain极和source极有light shield 相连，所以在源极和漏极之间有寄生电容CSD. TFT本身的电容值有将近站到总的象素电容的10,. 在这些寄生电容当中，CSD 的值比起其它的寄生电容值小得多，是可以忽略的。 gate gate source drain C C GSGD source drain light-shield SiO2 glass C SDElectrodes, light shield SiN1 +nSiN a-Si (doped) a-Si 2 图2-16 TFT 结构 由于这些寄生电容的存在，所以它们会对显示电极的电压产生影响，它们的影响到底有多大呢, 二、 电容效应 7 理想状况下，液晶象素上的电压只由source 引线及com电极的电压差来决定的，但是由于各种寄生电容的存在，实际的液晶象素电压和理想的电压有一定的偏差。 1( 电容耦合原理 ABCD CCE112switch 图2-17 两电容串联电路 图2-17是两个电容串联的电路，则 V(C1)=VA-VB V(C2)=VB-VC VA =E1 TFT switch 打开的情况: ABCD CE112Cswitch 图2-18 TFT 打开时的等效电路 t=0时，E1从0变到5V，由于VA=E1,这是VA也从0变到5V,由于switch时开的，电路中没有电流，电容电压V(C1)，V(C2)不能改变 VC= E1-( V(C1)+ V(C2)) 所以E1将会加到C上。 TFT switch 关闭的情况: A B C D CE C 112switch 图2-19 TFT 关闭时的等效电路 t=0时，E1从0变到5V，由于VA=E1,这是VA也从0变到5V,由于switch 时闭合的。所以Vc=VD=0V，由于switch 是闭合的，所以电流将回从A 端流向C端的。从而使V(C1)+ V(C2)等于5V.根据两个电容串联的理论，这时加在C1上的电压和加在C2上的电压有如下关系，V(C1),C2×V(C2)/ C1 ，ΔV(C1),C2×ΔV(C2)/ C1 8 假设VA上的电压改变量是ΔVA ΔVA=ΔV(C1)+ ΔV(C2) ΔV(C2),C1×(ΔVA- ΔV(C2))/ C2 VB= ΔV(C2),ΔVA/(1+C2/C1) 由上面这个公式，A点的电压如果发生变化将会导致加在电容C2上的电压发生变化，如果 C2《C1，则有C2/C1?0 ΔV(C2) ?ΔVA 3(寄生电容对显示电极造成的影响 首先我们考虑删极和漏极间的寄生电容CGD对TFTLCD显示有什么影响 source j source j gate i gate i C C GDGDpixel pad CCLCLC CCstorstorcommon common gate i+1 gate i+1 图2-20 gate 打开时等效电路 图2-21 gate关闭时的等效电路 图2-20，当gate电极施加个高电平，处于被选通状态，TFT有源器件被打开，这时要显示的数据就通过source电极施加到象素上，也就是source 和com两电极间的电压加到Cpix上了，Cpix,CLC+CSTOR 图2-21，当gate 电极上的电平下降时，从，15V下降到,8V，压降达到23V。这时由于TFT处于截至状态，所以在图2-21当中就可以把TFT有源器件从图中去掉了，但是由于寄生电容CGD的存在，根据公式 ΔV(C2),ΔVA/(1+C2/C1) 我们可以计算出来由于gate 电极上的电平的突然下降导致了pixel上的电压减小了 ΔV(LC)= ΔVgate/(1，Cpix/CGD) 如果CGD,38fF, Cpix=450 fF, ΔV(LC)=1.8V,因为source电极上 信号的电平不大(一般是低于10V的)，这对信号的影响是非常可怕的，会导致灰阶的变化或者引起错误的显示。 除了对TFTLCD显示有什么影响外，源极和漏极之间有寄生电容对TFTLCD显示也CGDCSD有一定的影响。 9 gate i CGDpixel pad C SD CLC C storcommon gate i+1 图2-22 C对显示电极影响电路图 SD 当gate 电极上的电平下降时，TFT处于截至状态，如果source电极的电平变化了ΔVsource, = CLC + Cstor + CGD, Cpix 这时，ΔV(LC)= ΔVsource/(1，Cpix/CSD) 如果CSD (TFT) = 6 fF, Cpix = 478 fF，Vsource,2.7V，VLC = 33 mV. 几十mV的ΔV(LC)相比几伏特的电压是可以忽略的。 2.4.4 TFT,LCD驱动的实现方式 我们知道液晶分子是响应于加在液晶象素上的均分根电压。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pixel的电压绝对值是固定时, 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, 同时液晶分子的特性也不会被破坏. 所以当我们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!即在这个frame液晶分子往这边偏转，下一frame往另一个方向偏转了。 以60Hz的更新频率(refresh rate)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.以下我们介绍几种极性转换方式。 (1) panel的各种极性变化方式 a frame inversion 这是一种最简单的inversion方式，就是一个frame时所有的pixel都是加正电压，然后在 10 下一个frame时所有的pixel都是加负电压 frame N frame N+1 - - - - + + + + - - - - + + + + - - - - + + + + - - - - + + + + Frame inversion 图2-23 frame 反转等效图 b row inversion 相邻的row在相邻的frame 的极性是相反的，如下图所示 Frame N Frame N+1 - - - - + + + + - - - - + + + + - - - - + + + + - - - - + + + + Row inversion 图2-24 row 反转等效图 c column inversion 相邻的column在相邻的frame 的极性是相反的，如下图所示 11 Frame NFrame N+1 ++++---- ++++---- ++++---- ++++---- Column inversion 图2-25 column反转等效图 d dot inversion 每个pixel的上下左右相邻的pixel电压极性在相邻的frame是相反的，如下图所示 Frame NFrame N+1 ++++---- ++++---- ++++---- ++++---- Dot inversion 图2-26 dot 反转等效图 e Delta inversion 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，Delta inversion如下图所示 12 Frame N Frame N+1 G R G B R B R G B R G B G G B R B R B R G B R G G G R B R B R G B R G B G G B R B R G B R G B R Delta inversion 图2-27delta反转等效图 (2) common电极的驱动方式 common电极的驱动方式也有两种的，一种是Common电极的电压是一直固定不动，另一种是Common电极的电压是变动的电压驱动方式。 a Common电极的电压是一直固定不动的电压驱动方式 显示电极的 V0 V0 电压 V1 V1 正 V2 V2 V252 V3 V3 …. …. 极 V253 V252 V254 性 V253 V255 V254 V255 Frame N Frame N+2 Frame N+3 Frame N+1 负 V255 V255 V254 V254 …. …. 极 V253 V253 各种不同 性 V252 V252 Common V2 V2 灰阶的显 V3 V3 电极的电压 示电极 V1 V1 电压 V0 V0 图2-28 Common电极的电压是一直固定不动的电压驱动方式 b 另一种是Common电极的电压是变动的电压驱动方式 13 V0V255V0 显示电极 的电压V1V254V1 V2V253V2 V3V252V3 各种不同….….….灰阶的显 示电极 电压V252V3V252 V253V2V253 V254V1V254 V255V0V255 Frame NFrame N+1Frame N+2 正极性负极性 Common 电极的电压 图2-29 Common电极的电压不停变动的驱动方式 图2-28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2-28中是256灰阶的显示电极波形变化, 以V0这个灰阶而言, 如果我们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. 这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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 , 就是图2-29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. 这两种不同的Common驱动方式影响最大的就是source driver的使用. 从图2-30中我们可以看到, 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source driver. 以图2-30中common电极电压若是固定于5伏特的话, 则source driver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source driver的最大工作电压也只要为5伏特就可以了，如图2-31所示。 就source driver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. 14 正极性时负极性时 CommonCommonCommon 电极电压电极电压电极电压穿穿90% 透透 负极性率率 负极性正极性 正极性10% 电压电压10V5V5V Common电压固定不动Common电压不停变动 的驱动方式的驱动方式 图2-30Common电压固定不动的驱动方式 图2-31Common电压不停变动的驱动方式 第三章 flicker现象及解决方法 3.1 Flicker现象及形成原因 3.1.1 LCD flicker的现象 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. 15 V0 V1 有误差的 V2 正极性的 正 V3 Common …. 电压变小 极 电极的电压 V252 V253 性 V254 V255 负 V255 极 V254 负极性的 …. 正确的 V253 性 电压变大 V252 Common V2 电极电压 V3 V1 V0 图3-1 flicker的成因 3.1.2 LCD flicker产生的原因 上一章中，我们介绍了为了防止液晶材料老化，LCD驱动必须采用极性转换技术，使液晶分子在这个frame当中往这个方向偏，在下个frame往相反的方向偏转，为了保证在正负极性当中有相同的灰阶，pixel的电压的绝对值在正负极性必须一致，也就是说，显示电极和common电极的电压在正负极性时要一致，否则，如果如图3-1所示，正负极性pixel的电压不一样，导致显示的灰阶不一样，这时候，如果我们显示的是一幅静止的画面，由于正负极性时相同的pixel上面的电压不一致，以NTSC的标准，显示器的标准的帧频为60hz,而人眼对10hz到70hz的频率反映是很灵敏的，导致它的灰阶发生的变化，这种变化在人眼中将会形成flicker现象的。 3.2 LCD flicker二阶驱动解决方法 3.2.1 LCD flicker二阶驱动解决方法 1024*768分辨率的屏幕,就是我们通常称之为SVGA分辨率的屏幕.它是由1024*768=786432个pixel来组成一个画面的数据.以液晶显示器来说,共需要1024*768*3个点(乘3是因为一个pixel需要蓝色,绿色,红色sub_pixel来组成.)来显示一个画面.通常在面板的规划,把一个平面分成X-Y轴来说,在X轴上会有1024*3=3072列.这3072列就由8颗384输出channel的source driver来负责推动.而在Y轴上,会有768行.这768行,就由3颗256输出channel的gate driver来负责驱动.如图3-2所示 16 图3-2 15寸显示器的panel等效图 图3-3就是SVGA分辨率的gate driver输出波形的timing图.图3-3中gate 1 ~ 768分别代表着768个gate driver的输出.以SVGA的分辨率,60Hz的画面更新频率来计算,一个frame的周期约为16.67 ms.对gate 1来说,它的启动时间周期一样为16.67ms.而在这16.67 ms之间,分别需要让gate 1 ~ 768共768条输出线,依序打开再关闭.所以分配到每条线打开的时间仅有16.67ms/768=21.7us而已.所以每一条gate driver打开的时间相对于整个frame是很短的,而在这短短的打开时间之内,source driver再将相对应的显示电极充电到所需的电压. 而所谓的二阶驱动就是指gate driver的输出电压仅有两种数值,一为打开电压,一为关闭电压.而对于common电压不变的驱动方式,不管何时何地,电压都是固定不动的.但是对于common电压变动的驱动方式,在每一个frame开始的第一条gate 1打开之前,就必须把电压改变一次。 17 电压一个gate打开的时间约为21.7usGate 1 Gate 2.....一个frame约为16.67ms...Gate 767 Gate 768 Common电压不随frame变动而改变Common 电压固定 Common 电压变动Common电压在每一個frame就变动一次 Frame Frame 时Frame NN-1N+1间 图3-3 解析度液晶显示器的gate电压与common电压波形 以下我们讨论存储电容的一端在common 电极上和存储电容的一端在gate 引线上两种情况下flicker现象。 (1) Cs on common 电极 Cs on common 电极的结构如图3-4所示 a common 电压固定不动时 当gate 引线打开或者关闭的那一瞬间，电压的变化是最激烈的，大约有几十伏的突变，由于寄生电容的存在，根据上一章公式 CGD ΔV(C2),ΔVA/(1+C2/C1) 所以一旦gate driver输出走线上的电压有了激烈的变化时便会影响到source 电极，进而影响到显示电极上的电压。 18 Data line(to source driver) Scan line(to gate driver) 显示电极 C C LCS Vcommon Cs on common 图3-4 Cs on common 电极的结构 在图3-5中，当Frame N的gate走线打开时,会产生一个向上的电压(称为feed through电压)到显示电极之上.不过此时由于gate走线打开的缘故,source driver会对显示电极开始充电,因此即便一开始的电压不对(因为feed through电压的影响),source driver仍会将显示电极充电到正确的电压,影响便不会太大.但是如果当gate走线关闭的时候,由于source driver已经不再对显示电极充电,所以gate driver关闭时的电压压降(30~40伏特),便会经由寄生电容Cgd 产生feed through电压到显示电极之上,造成显示电极电压有一个feed through的电压压降,而影响到灰阶显示的正确性. 而且这个feed through电压不像gate走线打开时的feed through电压一样,只影响一下子,由于此时source driver已经不再对显示电极充放电,feed through电压压降会一值影响显示电极的电压,直到下一次gate driver走在线的电压再打开为止，所以这个feed through电压对于显示画面的灰阶的影响,人眼是可以明确的感觉到它的存在的.而在Frame N+1的时候,刚开始当gate driver走线打开的那一瞬间,也会对显示电极产生一个向上的feed through电压,不过这时候由于gate已经打开的缘故,source driver会开始对显示电极充电,因此这个向上的feed through电压影响的时间便不会太长.但是当gate走线再度关闭的时候,向下的feed through电压便会让处在负极性的显示电极电压再往下降,而且受到影响的负极性显示电压会一直维持到下一次gate走线再打开的时候.所以整体来说,显示电极上的有效电压,会比source 19 driver的输出电压要低.而减少的电压大小刚好为gate走线电压变化经由Cgd的feed through电压.如图3-5所示。 Gate driver电压第m行gate 由于Gate driver电压变化 经由Cgd对显示电极电压Source 所造成的Feed through电压driver 电压 Common电压 Frame NFrame N+1 显示电极电压正极性负极性 图3-5 Cs on common且common电压固定不动的电压波形 那么这个feed through电压到底有多大呢? 图3-6 common 电压固定不动 20 现在我们用电荷守恒定律推导出feed through电压到底有多大呢～ Gate走线打开的时候的电荷,Vgd1*Cgd + Vpixel1*(Clc + Cs) Gate走线关闭的时候的电荷=Vgd2*Cgd + Vpixel2*( Clc + Cs) 由电荷守恒定律有Vgd1*Cgd + Vpixel1*(Clc + Cs)= Vgd1*Cgd + Vpixel1*(Clc + Cs) 所以feed through电压,Vd2– Vd1 = (Vg2 – Vg1) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs) 假设Cgd=0.05pF,而Clc=0.1pF, Cs=0.5pF且gate走线从打开到关闭的电压为 –23伏特的话. 则feed through电压为, 23*0.05 / (0.05+0.1+0.5) = ,1.77伏特. 一般一个灰阶与另一个灰阶的电压差约仅有30到50 mV而已(这是以6 bit的分辨率而言,若是8 bit分辨率则仅有3到5 mV而已).因此feed through电压影响灰阶是很严重的.以normal white的偏光板配置来说,会造成正极性的灰阶会比原先预期的来得更亮,而负极型的灰阶会比原先预期的来得更暗.这是因为由于feed through电压的存在，在正极性的显示电极的电压被拉低了feed through电压，从而使加在pixel上的电压降低，导致液晶分子的偏转角度变小，导致正极性的灰阶更亮;同理，由于在负极性时，feed through电压仍然存在，导致显示电极的电压也变小，但是由于是在负极性，common电极电压比显示电极的电压大，所以pixel上的电压变大，导致液晶分子旋转的厉害，所以在负极性是会变的更暗的。因此在正负极性会有很大的灰阶差别，在人眼当中就会看到flicker现象，从图3-6当中我们可以看出feed through电压在正极性和负极性都是减少的,所以我们只要将common电压向下调整即可. 如图3-7所示 由于Gate driver电压变化 Gate driver电压 经由Cgd 对显示电极电压 所造成的Feed through电压 Source driver 电压 原先的 common 电压 修正后的 common Common电压的 电压 修正量,恰等于 Feed through 电压 Frame N Frame N+1 显示电极 电压 正极性 负极性 图3-7:Cs on common且common电压固定不动的电压波形 21 从图3-7中我们可以看到,修正后的common电压与原先的common电压的压差恰好等于feed through电压.这样在正负极性当中灰阶差别就会被修正，从而减小了flicker现象。 b common 电压变化的情况 图3-8为Cs on common且common电压变动的电压波形，由于其common电压是随着每一个frame而变动的,因此跟common电压固定的波形比较起来.其产生的feed through电压来源会再多增加一个,那就是common电压的变化。这个common电压的变化,经由Clc+Cs的电容,便会影响到显示电极的电压.且由于整个LCD面板上所有显示点的Clc与Cs都是接到common电压,所以一但common电压有了变化,受影响的就是整个panel的所有点。跟前面gate电压变化不一样的是,gate电压变化影响到的只是一整行的显示点而已。 Gate driver电压 由于Common电压变化 经由Cs+Clc对显示电极电压Source所造成的Feed through电压driver电压 原先的Common电压 Gate driver电压变化 所产生的Feed through电压 显示电极电压Frame NFrame N+1正极性负极性 图3-8 Cs on common且common电压变动的电压波形 那么Common电极电压变化对显示电极的电压到底有多大的影响呢,对灰阶的影响又有多大呢,我们仍然可以用电荷守恒定律来计算出Common电极电压变化时所产生的feed through电压。 22 Frame N+1 Frame N Vg Vg Cgd Cgd Vd2 显示电极Vd1 C C LCSC C LCS Vcom2 Vcom1 图3-9 common 电压变化 Vcom1时的电荷,Vgd1*Cgd + Vpixel1*(Clc + Cs) Vcom2时的电荷= Vgd2*Cgd + Vpixel2*(Clc + Cs) 由电荷守恒定律:Vgd1*Cgd + Vpixel1*(Clc + Cs) = Vgd2*Cgd + Vpixel2*(Clc + Cs) 所以:feed through电压=Vd2 - Vd1 = (Vcom2 – Vcom1) * (Clc + Cs) / (Cgd + Clc + Cs) 如果我们使用跟前面一样的电容参数值,假设Common电压由0伏特变到5伏特,则common电压变化所产生的feed through电压为: Vd2 - Vd1= (Vcom2 – Vcom1) * (Clc + Cs) / (Cgd + Clc + Cs) =(5 -0)*(0.1pF+ 0.5pF) / (0.05pF + 0.1pF +0.5pF) = 5 * 0.6/0.65=4.62V 虽然显示电极增加这么多电压,但是common电极也增加了5伏特.因此在Clc两端,也就是液晶的两端,所看到的压差变化,就只有4.62-5=0.38V而已,跟之前gate走线电压变化所产生的feed through电压2.69伏特比较起来要小的多了,所以对灰阶的影响也小多了.且由于它所产生的feed through电压有对称性,不像Gate走线所产生的feed through电压是一律往下,所以就同一个显示点来说,在视觉对灰阶的表现影响会比较小.另外，由于gate电极变化引起的feed through 电压仍然存在，所以仍有对common电极的电压进行修正。如图3-10所示。 23 Gate driver电压 由于Common电压变化 经由Cs+Clc对显示电极电压 所造成的Feed through电压 Source driver 电压 原先的 Common 电压 Gate driver电压变化 修正后的 所产生的 Common Feed through电压 电压 Common电压的 修正量,恰等于 Feed through Frame N Frame N+1 电压 显示电极电压 正极性 负极性 图3-10 Cs on common且common电压变动的电压波形 (2) Cs on gate的情况 Cs on gate且common电压固定不动情况下。它并没有common电压变化所造成的feed through电压,它只有由于gate电压变化所造成的feed through电压.不过它跟Cs on common不一样的是, 由gate电压变化所造成的feed through电压来源有两个,一个是自己这一条gate走线打开或者关闭经由Cgd产生的feed through电压,另一个则是上一条gate走线打开时,经由Cs所产生的feed through电压。经由Cgd的feed through电压跟前面所讨论过的状况是一样的,在这边就不再提了.这里我们计算上一条gate走线打开时,经由Cs所产生的feed through电压。 如下图所示 24 Data line(to source driver) Scan line(to gate driver)显示电极 N条gate走线 CLCCS Vcommon N-1条gate走线 Cs另一端接到 上一条gate走线 图3-11 Cs on gate的等效电路 Cs on gate的结构,它的储存电容另一端并不是接到common电压,而是接到上一条gate走线, 所以当第N-1条gate走线, 送出电压要打开TFT时 ,便会影响到第N个pixel上储存电容上储存电压 的大小. 那么第N-1条gate走线打开引起的feed through电压又有多大呢,用电荷守恒定律便可 以算出来的。 第N-1条gate走线关闭时 第N-1条gate走线打开时 Vg Vg Cgd Cgd Vd2 显示电极Vd1 C CLCSC C LCS Vp2 Vcom Vp1 Vcom 图3-12 第N-1条gate走线变化引起的feed through电压 25 Gate N+1 ClcCs Gate N CsClc Gate N-1 ClcCs 图3-13 第N-1条 gate引线关闭到打开引起的feed through电压。 第N-1条gate走线低电平电荷,Vgd1*Cgd+Vlc*Clc+Vcs1*Cs 第N-1条gate走线高电平电荷,Vgd2*Cgd+Vlc*Clc Vcs2*Cs 由电荷守恒定律: feed through电压,Vd2 - Vd1= (Vp2 – Vp1) * Cs / (Cgd + Clc + Cs) 利用前面的电容参数与gate电压变化值,我们可得到feed through电压约为 35*0.5pF/(0.5pF+0.1pF+0.05pF)=26.92V.这样的feed through电压是很大的, 这样的feed through电压是很大的,不过当第N-1条gate走线关闭时,这个feed through电压也会随之消失.而且第N-1条gate走线从打开到关闭,以SVGA分辨率的屏幕来说,约只有21.7us的时间而已.相对于一个frame的时间16.67ms是很短的.再者第N-1条gate走线的feed through电压影响显示电极后, 第N条的gate走线也随之打开,source driver立刻将显示电极的电压充放电到所要的目标值.从这种结果看来, 第N-1条gate走线的电压变化,对于我们的显示电极所表现的灰阶,几乎是没有影响的.因此对于Cs on gate且common电压固定不动的驱动方式来说,影响最大的仍然是gate走在线电压变化经由Cgd产生的feed through电压,而其解决方式跟前面几个一样,只需将common电压往下调整即可.如图3-14所示: 26 显示电极由于前一条Gate driver电压电压Sourcegate电压变化 driver经由Cs对显示 电压电极电压所造 成的Feed through电压原先的 Common电压 修正后的 Gate driver电压Common电压 变化时 所产生的 Feed t电压Common电压的 Frame NFrame N+1修正量,等于 Feed through电压正极性负极性 图3-14 Cs on gate且common电压不变的电压波形 另外， Cs on gate且common电压变动的驱动设计,刚好有了前面3种设计的所有缺点,那就是 gate走线经由Cgd的feed through电压, 第N-1条gate走线经由Cs的feed through电压,以及Common电压变化经由Clc，Cs的feed through电压.所以在实际的panel驱动设计上几乎是没有人使用这种架构的.而这4种驱动设计当中最常用的就是 Cs on gate且common电压固定不动的架构.因为它只需要考虑经由寄生电容Cgd的feed through电压,而Cs on gate的架构可得到较大的开口率的缘故.，从而使panel得到较大的亮度，这对本来就已经是被动发光的LCD有很大的影响。 3.2.2 二阶驱动效应 上面四种设计都是针对二阶驱动方式所产生的影响.所谓的二阶驱动方式,是指gate driver的输出电压只有两种,分别是打开和关闭的电压.但是二阶的驱动方式最大的缺点,就是在gate走在线电压关闭时,经由Cgd产生影响显示电极电压的feed through电压.如图3-15所示。从图中我们可以看到,因为feed through电压的关系,造成在显示电极上的电压范围与原先预期的不一致，即导致正极性和负极性的显示电极的电压都往下降了，如果不修正common 电极的电压，那么由于 pixel 的电压为:Vpixel =Vdisplay,V common，且液晶分子只响应与pixel上的均分根电压，而与电压的正负极性没有关系的。所以正极性时，pixel的均分根电压将会比负极性时pixel 的均分根电压小，由图3-16知道，driving 电压越低，光的透过率会越大，导致画面越亮;driving 电压越高，光的透过率会越小，导致画面越暗。 27 这样在正负极性，画面的亮度将会不一致，我们人眼便会看到闪烁的现象，也就是flicker, 所以为了减少flicker现象，我们必须修正common电压的值,以便显示出正确的灰阶.如果 使用二阶驱动的panel设计方式,这种feed through电压将会得到一定的修正。Flicker的现象 也会在一定程度上得以减少。 二阶驱动所需的修正电压示意图 电 压 Source driver 正极性的所输出正极性 显示电极的电压范围 原先的电压范围Common电压 Source driver修正後的Common电压负极性的所输出负极性 显示电极的电压范围 电压范围 Common电压的修 正量,恰等於Cgs所 造成的Feed through电压 图3-15 二阶驱动所需的修正电压示意图 图3-16液晶层透过率曲线 28 由于我们修正common电极电压时，所使用的修正公式是: feed through电压,Vd2– Vd1 = (Vg2 – Vg1) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs) 上式中的Clc并不是固定值，我们知道 C=ε= εA/d LC0LCLC ε是真空介电系数，ε是液晶层的介电系数，A是pixel的面积，d是液晶层的间距，ε0LCLC 会随着pixel两端的电压的变化而发生变化的，也就是说在不同的灰阶下ε的值会发生变化LCLC的，所以C也会发生变化的，也就是说在不同的灰阶下，feed through值是不同的，所以对于LC common电极的修正并不能保证各个灰阶都表现出非常好的效果，影像的效果当然也就大打折扣了。 如果我们采用三阶驱动方式，就可以很好的改善这种缺陷。 3.3 LCD flicker三阶驱动解决方法 上一节讲了二阶驱动设计只有改变gate driver 的输出电压两次，也就是gate走线只有打开和关闭两种电压。二阶驱动的原理中, 虽然有各种不同的feed through电压, 但是影响最大的仍是经由Cgd寄生电容所产生的feed through电压. 也因此在二阶驱动时需要调整common电压, 以改进灰阶品质. 但是由于Clc并非是一个固定的参数, 让调整common电压以便改进影像品质目的不易达成. 我们想一下，在Cs on gate这种panel的设计方式，是否可以用第N-1条gate走线打开时,经由存储电容Cs所产生的feed through电压来补偿由于第N条gate引线关闭时经由 common电压的情形寄生电容Cgd产生的feed through电压呢，三阶驱动的设计,便可以在不改变 下, 将feed through电压补偿回来。 电等第N条gate 走线关闭压后再将电压拉回Vg Gate N-1 等第N+1条gate 走线关闭 后再将电压拉回 Gate N Gate N+1Ve 29 图3-17 三阶驱动gate 走线的电压波形 三阶驱动的基本原理就是上面所讲的设计思路，也就是利用经由Cs的feed through电压, 来补偿经由Cgd所产生的feed though电压. 也就是因为需要利用Cs来补偿的。所以三阶驱动的方法就只能用在Cs on gate这种panel的设计方式，图3-17就是三阶驱动设计gate driver的电压波形:在gate driver的电压波形当中，有三种不同的电压值。 现在我们考虑第N个TFT的pixel 的情况: 当第N-1条gate走线关闭时，第N-1条gate走线的电压拉到最低值，当第N条gate走线也关闭时，由于与第N条gate 走线相连的TFT的寄生电容Cgd产生的feed through电压的影响，第N个pixel的显示电极的电压将会被拉低了Δ1值，由二阶驱动设计原理，我们知道如果第N-1条gate走线电压升高时，会通过第N个pixel的Cs使第N个pixel的显示电极电压升高Δ2，利用这个思路，我们想当第N条gate 走线关闭时，把第N,1条gate 走线的的电压拉高，这样一来，第N条gate 走线通过寄生电容Cgd产生的feed through电压，如果使第N,1条gate 走线拉高的电压通过第N个pixel的Cs产生的feed through电压相当的话，并且由于他们是一正一负的，正好相互抵消。 Gate N+1 ClcCs Gate N Cgd 第N个 pixelCsClc的显示Gate N-1电极 ClcCs 图3-18 三阶驱动扫描顺序图和TFT等效电路图 这个拉回来的电压Ve又是多少呢, 由二阶驱动的推倒出来公式: 第N条gate 走线通过寄生电容Cgd产生的feed through电压Δ1, 30 (Vg_high – Vg_low) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs) Vg_high与Vg_low分别为gate driver走线打开与关闭的电压 第N,1条gate 走线拉高的电压通过第N个pixel的Cs产生的feed through电压为Δ2: (Vp2 – Vp1) * Cs / (Cgd + Clc + Cs) ; Vp2与Vp1分别为第N,1条gate走线拉回前与拉回后的电压. Δ1,Δ2 所以拉回的电压Ve=(Vp2 – Vp1)= =(Vg_high – Vg_low) * Cgd / Cs 由图3-17知道 Vg_high – Vg_low= Vg + Ve 所以 Ve= Vg * Cgd / [Cs – Cgd] 以Vg=23V,Cgd=0.05pf,Cs=0.5pf这些数值带入上式，可以得到Ve=2.56v 上述的公式推导中, 我们发现虽然Clc会影响feed through电压的大小, 但是由三阶驱动的方式, Clc的影响就不见了. 因此当我们可以精确的计算出所需要的拉回电压了。 电压补偿后所需的common电压与原先的 原先的common电压一样Common电压 受feed through电压 补偿后的正极性Source driver影响的正极显示 显示电极电极电压范围所输出正极性 电压范围的电压范围 补偿后的负极性Source driver受feed through电压显示电极所输出负极性影响的负极显示电压范围的电压范围电极电压范围 由Cs所造成Feed Common电压的修through电压的补偿, 正量,恰等于Cgs所如此一來common电 造成的Feed 压就不用修正了 through电压 图3-19 三阶驱动电压分布示意图 图3-19是三阶驱动的电压分布示意图. 我们可以看到最左边的是由source driver所输出的电压分布, 这是显示电极所充电电压的最原始状况. 而中间的电压分布, 就是显示电极受到经由Cgd的feed through电压影响的变化. 一般二阶驱动设计就是只有到这里, 所以需要修正common电压的大小, 以便减少正负极性时灰阶不一致而产生的flicker现象. 而三阶驱动设计由Cs的feed through电压影响的情形, 则可以由最右边的电压分布来看出. 在这时候, 只要拿算出拉回电压Ve的大小, 便可以将原本受到经由Cgd的feed through电压影响的电压分布, 补偿到跟最左边的电压分布一样, 如此一来就不必再去修正common电压的大小了. 31 图3-20是三阶驱动的电压波形图 第N条Gate 第N-1条driver电压Gate driver电压第N-1条gate driver电压打开时,经由Cs对显示电极电压所造成的Feed through电压 Frame N 正极性显示电极电压Frame N+1 负极性 Common电压 SourceGate driver电压driver第N-1条Gate driver电压关闭时经由Cgd所产生的拉回时经由Cs所产生的电压Feed through电压Feed through电压 图3-20 三阶驱动的电压波形图 图3-20当中， 属于gate driver电压有两种, 一个是第N-1条gate走线的电压波形, 用虚线来表示. 而用实线表示的是当第N条gate走线电压. 由图3-19我们可以知道, 实线的gate driver走线关闭时, 会经由寄生电容Cgd产生一个feed through电压, 而这个向下的电压偏移量, 在第N-1条gate走线的拉回电压经Cs所产生的feed through电压影响后, 便可以让显示电极恢复到原先的电压准位. 而第N-1条gate走线经由Cs的Feed through电压还有另一种状况, 那就是在第N-1条gate走线打开时所产生的feed through电压, 这个电压值虽然很大, 不过由于其影响的时间, 相对于整个frame来说, 相当的短, 因此对显示画面并不会有多大的影响. 1. 使用三阶驱动的方式比起二阶驱动的方式来说, 可以不用调整common电压就可以克服feed through电压的影响. 而且也可以避免由于Clc变化所造成的灰阶问题. 但是由于这种设计 方法的common电极没有变化，由前面讲的，我们知道这种设计方法，source driver需要较 高输出电压的. 这就是三阶驱动方法最大的缺点。