TFT LCD液晶显示器的驱动原理(doc 11页)_New
TFT LCD液晶显示器的驱动原理(doc 11页)
如果图不清楚，请看https://www.doczj.com/doc/ae10977417.html,/album/43/69/51466943/431163.jpg
圖1就是這兩種儲存電容架構，圖中可以很明顯地知道，Cs on gate由於不必像Cs on common需要增加一條額外的common走線，所以其開口率(Aperture ratio)比較大。而開口率的大小是影響面板的亮度與設計的重要因素，所以現今面板的設計大多使用Cs on gate的方式。但是由於Cs on gate 方式的儲存電容是由下一條的gate走線與顯示電極之間形成的(請見圖2中Cs on gate與Cs on common的等效電路)，
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而gate走線就是接到每一個TFT的gate端的走線，主要是作為gate driver 送出信號來打開TFT，好讓TFT對顯示電極作充放電的動作。所以當下一條gate走線送出電壓要打開下一個TFT時，便會影響到儲存電容上儲存電壓的大小。不過由於下一條gate走線打開到關閉的時間很短(以1024 x 768解析度，60Hz更新頻率的面板來說。一條gate走線打開的時間約為20μs，而顯示畫面更新的時間約為16ms，所以相較下影響有限)，所以當下一條gate 走線關閉，回復到原先的電壓，則Cs儲存電容的電壓，也會隨之恢復到正常。這也是為什麼大多數的儲存電容設計都是採用Cs on gate的方式的原因。
至於common走線，在這邊也需要順便介紹一下。從圖2中可以發現，不管
採用怎樣的儲存電容架構，Clc的兩端都是分別接到顯示電極與common。既然液晶是充滿在上下兩片玻璃之間，而顯示電極與TFT都是位在同一片玻璃上，則common電極很明顯的就是位在另一片玻璃之上。如此一來，由液晶所形成的平行板電容Clc，便是由上下兩片玻璃的顯示電極與common 電極所形成。而位於Cs儲存電容上的common電極則是另外利用位於與顯示電極同一片玻璃上的走線，這跟Clc上的common電極是不一樣的，只不過它們最後都是接到相同的電壓就是了。
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整塊面板的電路架構
從圖3中可以看到整片面板的等效電路，其中每一個TFT與Clc跟Cs所並連的電容代表一個顯示的點。而一個基本的顯示單元pixel則需要三個這樣顯示的點，分別代表RGB三原色。以一個1024 x 768解析度的TFT LCD 來說，共需要1024 x 768 x 3個這樣的點組合而成。整片面板的大致結構就是這樣，然後再藉由如圖3中gate driver所送出的波形，依序將每一行的TFT打開，好讓整排的source driver同時將一整行的顯示點充電到各自所需的電壓，以顯示不同的灰階。當這一行充好電時，gate driver便將電壓關閉，然後下一行的gate driver便將電壓打開，再由相同的一排source driver
對下一行的顯示點進行充放電。如此依序下去，當充好了最後一行的顯示點，便又回過來從頭從第一行再開始充電。
以一個1024 x 768 SVGA解析度的液晶顯示器來說，總共會有768行的gate 走線，而source走線則共需要1024 x 3=3072條。以一般的液晶顯示器多為60Hz的更新頻率來說，每一個畫面的顯示時間約為1/60=16.67ms。由於畫面的組成為768行的gate走線，所以分配給每一條gate走線的開關時間約為16.67ms/768=21.7μs。所以在圖3 gate driver送出的波形中，就可以看到這些波形為一個接著一個寬度為21.7μs的脈波，依序打開每一行的TFT。而source driver則在這21.7μs的時間內，經由source走線，將顯示電極充放電到所需的電壓，好顯示出相對應的灰階。
面板的各種極性變換方式
由於液晶分子還有一種特性，就是不能夠一直固定在某一個電壓不變，不然時間久了，即使將電壓取消掉，液晶分子會因為特性的破壞而無法再因應電場的變化來轉動，以形成不同的灰階。所以每隔一段時間，就必須將電壓恢復原狀，以避免液晶分子的特性遭到破壞。
但是如果畫面一直不動，也就是說畫面一直顯示同一個灰階的時候怎麼辦？所以液晶顯示器內的顯示電壓就分成了兩種極性，一個是正極性，而另一個
是負極性。當顯示電極的電壓高於common電極電壓時，就稱之為正極性。而當顯示電極的電壓低於common電極的電壓時，就稱之為負極性。不管是正極性或是負極性，都會有一組相同亮度的灰階。所以當上下兩層玻璃的壓差絕對值是固定時，不管是顯示電極的電壓高，或是common電極的電壓高，所表現出來的灰階是一模一樣的。不過這兩種情況下，液晶分子的轉向卻是完全相反，也就可以避免掉上述當液晶分子轉向一直固定在一個方向時，所造成的特性破壞。也就是說，當顯示畫面一直不動時，我們仍然可以藉由正負極性不停的交替，達到顯示畫面不動，同時液晶分子不被破壞掉特性的結果。所以當您所看到的液晶顯示器畫面雖然靜止不動，其實裡面的電壓正在不停的作更換，而其中的液晶分子正不停的一次往這邊轉，另一次往反方向轉呢！
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圖4就是面板各種不同極性的變換方式，雖然有這麼多種的轉換方式，它們有一個共通點，都是在下一次更換畫面資料的時候來改變極性。以60Hz的更新頻率來說，亦即每16ms更改一次畫面的極性。也就是說，對於同一點而言，它的極性是不停的變換的。而相鄰的點是否擁有相同的極性，那可就依照不同的極性轉換方式來決定了。首先是frame inversion，其整個畫面所有相鄰的點，都是擁有相同的極性；而row inversion與column inversion 則各自在相鄰的行與列上擁有相同的極性；另外在dot inversion上，則是每
個點與自己相鄰的上下左右四個點，是不一樣的極性；最後是delta inversion，由於它的排列比較不一樣，所以它是以RGB三個點所形成的pixel 作為一個基本單位，當以pixel為單位時，它就與dot inversion很相似了，也就是每個pixel與自己上下左右相鄰的pixel，是使用不同的極性來顯示的。
Common電極的驅動方式
src="https://www.doczj.com/doc/ae10977417.html,/album/43/69/51466943/431284.jpg" border=0> 圖5及圖6為兩種不同的Common電極的電壓驅動方式，圖5中Common 電極的電壓是一直固定不動的，而顯示電極的電壓卻是依照其灰階的不同，不停的上下變動。圖5中是256灰階的顯示電極波形變化，以V0這個灰階而言，如果您要在面板上一直顯示V0這個灰階的話，則顯示電極的電壓就必須一次很高，但是另一次卻很低的這種方式來變化。為什麼要這麼複雜呢？如同前面所提到的原因一樣，這是為了讓液晶分子不會一直保持在同一個轉向，而導致物理特性的永久破壞。因此在不同的frame中，以V0這個灰階來說，其顯示電極與common電極的壓差絕對值是固定的，所以它的灰階也一直不曾更動。只不過位在Clc兩端的電壓，一次是正的，稱之為正極性，而另一次是負的，稱之為負極性。 為了達到極性不停變換這個目的，也可以讓common電壓不停地變動，同樣也可以達到讓Clc兩端的壓差絕對值固定不變，而灰階也不會變化的效果，而這種方法，就是圖6所顯示的波形變化。這個方法只是將common電壓一次很大、一次很小的變化。當然啦，它一定要比灰階中最大的電壓還大，而電壓小的時候則要比灰階中最小的電壓還要小才行。而各灰階的電壓與圖5中的一樣，仍然要一次大一次小的變化。 這兩種不同的Common驅動方式影響最大的就是source driver的使用。以圖7中的不同Common電壓驅動方式的穿透率來說，當common電極的電壓是固定不變的時候，顯示電極的最高電壓需要到達common電極電壓的兩倍以上。而顯示電極電壓的提供，則是來自於source driver。 src="https://www.doczj.com/doc/ae10977417.html,/album/43/69/51466943/s_431285.jpg.gif" border=0>
如果土不清楚：请参阅：https://www.doczj.com/doc/ae10977417.html,/album/43/69/51466943/s_431285.jpg.gif
以圖7中common電極電壓若是固定於5伏特的話，則source driver所能提供的工作電壓範圍就要到10伏特以上。但是如果common電極的電壓是變動的話，假使common電極電壓最大為5伏特，則source driver的最大工作電壓也只要為5伏特就可以了。就source driver的設計製造來說，需要越高電壓的工作範圍，製程與電路的複雜度相對會提高，成本也會因此而加
高。
面板極性變換與common電極驅動方式的選用
並不是所有的面板極性轉換方式都可以搭配上述兩種common電極的驅動方式。當common電極電壓固定不變時，可以使用所有的面板極性轉換。但如果common電壓是變動的話，則面板極性轉換就只能選用frame inversion 與row inversion。(請見表1)也就是說，如果想使用column inversion或是dot inversion的話，就只能選用common電極電壓固定不動的驅動方式。為什麼呢？
之前曾經提到common電極是位於跟顯示電極不同的玻璃上，在實際的製作上時，其實這一整片玻璃都是common電極。也就是說，在面板上所有顯示點的common電壓是全部接在一起的。其次由於gate driver的操作方式是將同一行的所有TFT打開，好讓source driver去充電，而這一行的所有顯示點，它的common電極都是接在一起的，所以如果選用common電極電壓是可變動的方式，是無法在一行TFT上同時做到顯示正極性與負極性的。而column inversion與dot inversion的極性變換方式，在一行的顯示點上要求每個相鄰的點擁有不同的正負極性。這也就是為什麼common電極電壓變動的方式僅能適用於frame inversion與row inversion的緣故。而common 電極電壓固定的方式就沒有這些限制，因為其common電壓一直固定，只要
source driver能將電壓充到比common大就可以得到正極性，比common 電壓小就可以得到負極性，所以common電極電壓固定的方式，可以適用於各種面板極性的變換方式。
各種面板極性變換的比較
現在常見使用在個人電腦上的液晶顯示器，所使用的面板極性變換方式大部分都是dot inversion。為什麼呢？原因無它，因為dot inversion的顯示品質相對於其他的面板極性變換方式好太多了。表2是各種面板極性變換方式的比較表。
所謂Flicker的現象，就是當你看液晶顯示器的畫面上時，畫面會有閃爍的感覺。它並不是故意讓顯示畫面一亮一滅來做出閃爍的視覺效果，而是因為顯示的畫面灰階在每次更新畫面時，會有些微的變動，讓人眼感受到畫面在閃爍。這種情況最容易發生在使用frame inversion的極性變換方式，因為frame inversion整個畫面都是同一極性，當這次畫面是正極性時，下次整個畫面就都變成了是負極性。假若使用common電壓固定的方式來驅動，而common電壓又有了一點誤差(請見圖8)，
如果土不清楚：请参阅：
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這時候正負極性的同一灰階電壓便會有差別，當然灰階的感覺也就不一樣。在不停切換畫面的情況下，由於正負極性畫面交替出現，就會感覺到Flicker 的存在。而其它面板的極性變換方式雖然也會有此flicker的現象，但由於不像frame inversion是同時整個畫面一齊變換極性，只有一行或是一列，甚至是一個點變化極性而已，以人眼的感覺來說，比較不明顯。至於crosstalk 的現象，就是相鄰的點之間要顯示的資料會影響到對方，以致於顯示的畫面會有不正確的狀況。雖然crosstalk的現象成因有很多種，只要相鄰點的極性不一樣，便可以減低此一現象的發生。綜合這些特性可知，為何大多數人都使用dot inversion了。
面板極性變換方式，對於耗電也有不同的影響。不過它在耗電上需要考量其搭配的common電極驅動方式。一般來說，common電極電壓若是固定，其驅動common電極的耗電會比較小。但是由於搭配common電壓固定方式的source driver其所需的電壓比較高，反而在source driver的耗電會比較大。但如果使用相同的common電極驅動方式，source driver的耗電就要考量其輸出電壓的變動頻率與變動電壓大小。在此種情形下，source driver的耗電會有dot inversion＞row inversion＞column inversion＞frame inversion 的狀況。不過現今由於dot inversion的source driver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的耗電就會比較小。也就是說由於source driver在結構及電路上的改進，雖然先
天上它的輸出電壓變動頻率最高也最大(變動電壓最大接近10伏特，而row inversion面板由於多是使用common電極電壓變動的方式，其source driver 的變動電壓最大只有5伏特，耗電上會比較小)，但dot inversion面板的整體耗電已經減低很多了。這也就是為什麼大多數的液晶顯示器都是使用dot inversion的方式。