1、TFT LCD 液晶顯示器的 驅動原理(一)謝崇凱前兩期針對液晶的特性與 TFT LCD 本身結構介紹了有關液晶顯示器操作的基本原理。這次將針對 TFT LCD 的整體系統面，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係而有所不同。首先將介紹由於 Cs(storage capacitor)儲存電容架構不同，所形成不同驅動系統架構的原理。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。顧名思義，兩者的主要差別在於儲存電容是利用 gate 走線或是 common 走線
2、來完成。在上一期文章中曾提到，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，所以必須像在 CMOS 的製程之中，利用不同層的走線來形成平行板電容。而在 TFT LCD 的製程中，則是利用顯示電極與 gate 走線或 common 走線所形成的平行板電容，來製作出儲存電容 Cs。如果图不清楚，请看 http:/ 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
3、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)，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
4、條 gate 走線打開的時間約為 20s，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 C
5、lc，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。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
6、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
7、 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=21.7s。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 21.7s 的脈波，依序打開每一行的 TFT。而 source driver 則在這 21.7s 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
8、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
9、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！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
10、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 inversi
11、on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
12、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
13、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。如果土不清楚：请参阅：http:/ 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 so
14、urce 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 inv
15、ersion 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 d
16、ot 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
17、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 commo
18、n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：http:/ 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 inv
19、ersion 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 inversionrow inversioncolumn inver
20、sionframe 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。參考資料;交通大學次微米人才培訓課程，平面顯示器原理講義。;財團法人自強基金會電子工業人才培訓課程，液晶顯示器顯示原理講義。
