LED液晶顯示器的驅動原理

1、LED液晶顯示器的驅動原理艾布納科技有限公司前兩次跟大家介紹有關液晶顯示器操作的基本原理，那是針對液晶本身的特性，與TFT LCD 本身結構上的操作原理來做介紹.這次我們針對 TFT LCD 的整 體系統(tǒng)面來做介紹，也就是對其驅動原理來做介紹，而其驅動原理仍然因為一些架構上差異的關系，而有所不同.首先我們來介紹由于Cs(storage capacitor) 儲存電容架構不同,所形成不同驅動系統(tǒng)架構的原理.Cs(storage capacitor)儲存電容的架構一般最常見的儲存電容架構有兩種，分別是Cs on gate 與Cs on common 這兩種.這兩種顧名思義就可以知道 ，它的主要差別

2、就在于儲存電容是利用gate走線 或是common 走線來完成的.在上一篇文章中，我曾提到，儲存電容主要是為了讓充好電的電壓，能保持到下一次更新畫面的時候之用.所以我們就必須像在CMOS的制程之中，利用不同層的走線，來形成平行板電容.而在TFT LCD的制 程之中，則是利用顯 示電極與gate走線或是common 走線，所形成的平行板電容，來制作出儲存電容Cs.For personal use only in study and research; not for commercial useTo gate driverTFTTo source driverConurtonCs on comm

3、on信存謔容fflLCs Oil gate輿C& on common的架情圖1就是這兩種儲存電容架構,從圖中我們可以很明顯的知道,Cs on gate 由于不必像Cs on common 一樣，需要增加一條額外的common 走線，所以它的開口 率（Aperture ratio）會比較大.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(xiàn)今面板的設計大多使用Cs on gate的方式.但是由于Cs on gate 的方式，它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的Cs ongate與Cs on common的等效電路）而gate走線，顧名思義就是接到每

4、一個TFT的gate端的走線，主要就是作為gate driver送出彳t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.不過由于下一條gate走線打開到關閉的時間很短，（以1024*768分辨率，60Hz更新頻率的面板來說.一條gate走線打開的時間約為20us,而顯示畫面更新的時間約為16ms,所以相對而言，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 也是為什么，大多數(shù)的儲存電容設計都是采用Cs on gate 的方式 的原因.For

5、 personal use only in study and research; not for commercial useData liiie(to source diiver)Scan lhie(to gate driver) commonconunojiCs on CO31U11OI1的等效甯路另一端到丁 一睜g成叁走鐮Cs on gate的等效重路nFT2:Cs on gate典Cs on common的等效建路至于common 走線，我們在這邊也需要順便介紹一下.從圖2中我們可以發(fā)現(xiàn)，不管您采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

6、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.而位于Cs儲存電容上的 common 電極，則是另外利用位于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，只不過它們最后都是接到相同的電壓就是了 .整塊面板的電路架構For personal use only in study and research; not for commercial useGate driver所建出的波形TFT panelTo j g

7、ate K driverTo source diiver3：整婢液晶面板的等效重路從圖3中我們可以看到整片面板的等效電路,其中每一個 TFT與Clc跟Cs所并聯(lián)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，分別來代表 RGB 三原色.以一個1024*768 分辨率的 TFT LCD 來說，共需要 1024*768*3個這樣的點組合而成.整片面板的大致結構就是這樣，然后再藉由如圖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sourcedriver同時將一整行的顯示點，充電到各自所需的電壓，顯示不同的灰 階.當這一行 充好電時

8、，gate driver 便將電壓關閉，然后下一行的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，當充好了最后一行的顯示點，便又回過來從頭從第一行再開始充電.以一個1024*768 SVGA 分 辨率的液晶顯示器來說，總共會有768行的gate走線，而source走線則共需要 1024*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.由于畫面的組成為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

9、.7us. 所 以在圖3 gate driver 送出的波形中，我們就可以看到，這些波形為一個接著一個寬度為21.7us 的脈波，依序打開每一行的TFT,而source driver 則在這21.7us 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于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，你即使將電壓取消掉，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

10、一個灰階的時候怎么辦？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于common 電極電壓時，就稱之為正極性,而當顯示電極的電壓低于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(xiàn)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

11、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，其實里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！For personal use only in study and research; not for commercial useCohumi inversionHmraira0 BIRO應面圄4:面板的各槿棒性建換方式Delta inveision圖4就是面板各種不同極性的變換方式，雖然有這么多種的轉換方式，它們有一個共通點，都是在下一次更換畫面數(shù)據的時候來改變極性.以60Hz的更新頻率來說,也就是每16ms,更

12、改一次畫面的極性.也就是說,對于同一點而言,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frameinversion它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 后是delta inversion,由于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

13、 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For personal use only in study and research; not for commercial useV252Fra. me N+2VOVTV2V3* » *V252¥254 -V255冬間不同灰暗的 ,新示霓鞭殂朋Conunon 重趣的霰最V255M254V253V25 5Frame國+311rFrame N5:Conn】on窗屋固定不勤的勤方式品真示重擷的雷壁V254'門53各值不同灰增的V252期？52V255Fra

14、me NFrame，VTFrame N2正撞性 正蕨空6:Commo】i|E不停燮勤的（©勤方式ft®性明示鍬鞭Common雷趣的重慳圖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.為什么要這么復雜呢？就如同我們前面 所提到的原因一樣，就是 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

15、的永久破壞.因此在不同的frame 中，以V0這個灰階來說，它的顯示電極 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.而為了達到極性不停變換這個目 的，我們也可以讓 common 電壓不停的變 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

16、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，我們可以看到，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，則是來自于source driver. 以圖七中common 電極電壓若是固定于 5伏特白話，則source driver所能提供的工作電壓范圍就要到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

17、只要為 5伏特就可以了 .就source driver 的設計制造來說，需要越高電壓的工作范圍，制程與 電路的復雜度相對會提高，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并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.但是如果common電壓是變動的話，則面板極性轉換就只能選用 frame inversion 與rowinversion.（ 請見表1）也就是說，如果你想使用 column inversion 或是dot inversion 的話，你就只能選用 common電極電壓固定不

18、動的驅動方式.為什么呢？之前我們曾經提到common電極是位于跟顯示電極不同的玻璃上，在實際的制作上時，其實這一整片玻璃都是 common 電極.也就是說，在面板上所有的顯示點，它 們的common電壓是全部接在一起的.其次由于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，所以如果你是選用common電極電壓是可變動的方式的話，是無法在一行 TFT上，來同時做到顯示正極性與負極性的.而columninversion 與dot inversion的極性變換方式,在一行的顯示點上,是要

19、求每個相鄰的點擁有不同的正負極性的.這也就是為什么common電極電壓變動的方式僅能適用于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，可以適用于各種面板極性的變換方式表1板極性變換方式可使用的common電極驅動方式Frame inversion固定與變動Row inversion固定與變動Column inversion只能使用固定的co

20、mmon電極電壓Dot inversion只能使用固定的common電極電壓各種面板極性變換的比較現(xiàn)在常見使用在個人計算機上的液晶顯示器，所使用的面板極性變換方式，大部分都是dot inversion. 為什么呢？原因無它，只因為dot inversion 的顯示品質 相對于其它 的面板極性變換方式，要來的好太多了 .表2是各種面板極性變換方式的比較表.所謂Flicker的現(xiàn)象，就是當你看液晶顯示器的畫面上時，你會感覺 到畫面會有閃爍的感覺.它并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(fā)生 在

21、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.假若你是使用 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）,有差的Common雷趣的重屋正硅的Conmion 重才亞的甯IEFram NFrame N+lV253翼撞性的正榛性的 熏差爨小8:Flickei的成因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,由于正負極性畫面交替出現(xiàn)，你就會感覺到 Flicker的存在.而其它 面板的極性變換方式,雖然也會有

22、此flicker 的現(xiàn)象,但由于它不像 frameinversion是同時整個畫面一齊變換極性，只有一行或是一列，甚至于是一個點變化極性而已.以人眼的感覺來說，就會比較不明顯.至于crosstalk 的現(xiàn)象，它指的就是相 鄰的點之間，要顯示的資料會影響到對方，以致于顯示的畫面會有 不正確的狀況.雖然 crosstalk的現(xiàn)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(xiàn)象的發(fā)生.綜合這些特性，我們就可以知道，為何大多數(shù)人都使用dot inversion 了.表2“板極性變換方式Flicker 的現(xiàn)象Crosstalk 的現(xiàn)象Frame inversion明顯垂直與水平方向都易發(fā)生Row

23、 inversion不明顯水平方向容易發(fā)生Column inversion不明顯垂直方向容易發(fā)生Dot inversion幾乎沒有不易發(fā)生面板極性變換方式，對于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.但是由于搭配 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.但是如果使用相同的common電極驅動方式，在source driver 的耗電來說，就要考量其輸出電壓的變動頻率與變動電壓大小.一般來說，在此種f#形下，source driver 的耗電，會有dot inversion > row inversion > column inversion > frame inversion的狀況. 不 過現(xiàn)今由于 dot inversi