TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動原理（二）

發(fā)布時間：2018-12-11

前一篇文章我們跟大家介紹TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動原理中有關(guān)儲存電容架構(gòu)、面板極性變換方式，以及common電壓的驅(qū)動方式。這次我們延續(xù)上次的內(nèi)容，繼續(xù)針對feed through電壓，以及二階驅(qū)動的原理來做介紹。簡單來說Feed through電壓主要是由于面板上的寄生電容而產(chǎn)生的，而所謂三階驅(qū)動的原理就是為了解決此一問題而發(fā)展出來的解決方式，不過我們這次只介紹二階驅(qū)動，至于三階驅(qū)動甚至是四階驅(qū)動則留到下一次再介紹。在介紹feed through電壓之前，我們先解釋驅(qū)動系統(tǒng)中g(shù)ate driver所送出波形的timing圖。

SVGA分辨率的二階驅(qū)動波形 

    我們常見的1024*768分辨率的熒幕，就是我們通常稱之為SVGA分辨率的熒幕。它的組成顧名思義就是以1024*768=786432個pixel來組成一個畫面的資料。以液晶顯示器來說，共需要1024*768*3個點(乘3是因為一個pixel需要藍(lán)色，綠色，紅色三個點來組成。)來顯示一個畫面。通常在面板的規(guī)劃，把一個平面分成X-Y軸來說，在X軸上會有1024*3=3072列。這3072列就由8顆384輸出channel的source driver來負(fù)責(zé)推動。而在Y軸上，會有768行。這768行，就由3顆256輸出channel的gate driver來負(fù)責(zé)驅(qū)動。圖1就是SVGA分辨率的gate driver輸出波形的timing圖。

    圖中g(shù)ate 1 ~ 768分別代表著768個gate driver的輸出。以SVGA的分辨率，60Hz的畫面更新頻率來計算，一個frame的周期約為16.67 ms。對gate 1來說，它的啟動時間周期一樣為16.67ms。而在這16.67 ms之間，分別需要讓gate 1 ~ 768共768條輸出線，依序打開再關(guān)閉。所以分配到每條線打開的時間僅有16.67ms/768=21.7μs而已。所以每一條gate driver打開的時間相對于整個frame是很短的，而在這短短的打開時間之內(nèi)，source driver再將相對應(yīng)的顯示電極充電到所需的電壓。

    而所謂的二階驅(qū)動就是指gate driver的輸出電壓僅有兩種數(shù)值，一為打開電壓，一為關(guān)閉電壓。而對于common電壓不變的驅(qū)動方式，不管何時何地，電壓都是固定不動的。但是對于common電壓變動的驅(qū)動方式，在每一個frame開始的第一條gate 1打開之前，就必須把電壓改變一次。為什么要將這些輸出電壓的timing介紹過一次呢？

    因為接下來要討論的feed through電壓，它的成因主要是因為面板上其他電壓的變化，經(jīng)由寄生電容或是儲存電容，影響到顯示電極電壓的正確性。在LCD面板上主要的電壓變化來源有3個，分別是gate driver電壓變化，source driver電壓變化，以及common電壓變化。而這其中影響最大的就是gate driver電壓變化(經(jīng)由Cgd或是Cs)，以及common電壓變化(經(jīng)由Clc或是Cs+Clc)。

Cs on common架構(gòu) 且common電壓固定不動的feed through電壓 

    如前提到，造成有feed through電壓的主因有兩個。而在common電壓固定不動的架構(gòu)下，造成feed through電壓的主因就只有g(shù)ate driver的電壓變化了。在圖2中，就是顯示電極電壓因為feed through電壓影響，而造成電壓變化的波形圖。在圖中，請注意到gate driver打開的時間，相對于每個frame的時間比例是不正確的。在此我們是為了能仔細(xì)解釋每個frame的動作，所以將gate driver打開的時間畫的比較大。請記住，正確的gate driver打開時間是如同圖1所示，需要在一個frame的時間內(nèi)，依序?qū)?68個gate driver走線打開的。所以每個gate走線打開的時間，相對于一個frame的時間，是很短的。

當(dāng)gate走線打開或關(guān)閉的那一瞬間，電壓的變化是最激烈的，大約會有30~40伏特，再經(jīng)由Cgd的寄生電容，影響到顯示電極的電壓。在圖3中，我們可以看到Cgd寄生電容的存在位置。其實Cgd的發(fā)生，跟一般的CMOS電路一樣，是位于MOS的gate與drain端的寄生電容。但是由于在TFT LCD面板上gate端是接到gate driver輸出的走線，因此一但在gate driver輸出走在線的電壓有了激烈變化，便會影響到顯示電極上的電壓。在圖2之中，當(dāng)Frame N的gate走線打開時，會產(chǎn)生一個向上的feed through電壓到顯示電極之上。不過此時由于gate走線打開的緣故，source driver會對顯示電極開始充電，因此即便一開始的電壓不對(因為feed through電壓的影響)，source driver仍會將顯示電極充電到正確的電壓，影響便不會太大。

    但如果當(dāng)gate走線關(guān)閉的時候，由于source driver已經(jīng)不再對顯示電極充電，所以gate driver關(guān)閉時的電壓壓降(30~40伏特)，便會經(jīng)由Cgd寄生電容feed through到顯示電極之上，造成顯示電極電壓有一個feed through的電壓壓降，而影響到灰階顯示的正確性。且這個feed through電壓不像gate走線打開時的feed through電壓一樣，只影響一下子，由于此時source driver已經(jīng)不再對顯示電極充放電，feed through電壓壓降會一值影響顯示電極的電壓，直到下一次gate driver走在線的電壓再打開的時后。

    所以這個feed through電壓對于顯示畫面的灰階的影響，人眼是可以明確的感覺到它的存在的。而在Frame N+1的時候，剛開始當(dāng)gate driver走線打開的那一瞬間，也會對顯示電極產(chǎn)生一個向上的feed through電壓，不過這時候由于gate已經(jīng)打開的緣故，source driver會開始對顯示電極充電，因此這個向上的feed through電壓影響的時間便不會太長。但是當(dāng)gate走線再度關(guān)閉的時候，向下的feed through電壓便會讓處在負(fù)極性的顯示電極電壓再往下降，而且受到影響的負(fù)極性顯示電壓會一直維持到下一次gate走線再打開的時候。所以整體來說，顯示電極上的有效電壓，會比source driver的輸出電壓要低。而減少的電壓大小剛好為gate走線電壓變化經(jīng)由Cgd的feed through電壓。這個電壓有多大呢?

      在圖4中，我們以電荷不滅定律，可以推導(dǎo)出feed through電壓為(Vg2 - Vg1) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs)。假設(shè)Cgd=0.05pF，而Clc=0.1pF， Cs=0.5pF且gate走線從打開到關(guān)閉的電壓為 -35伏特的話，則feed through電壓為-35*0.05 / (0.05+0.1+0.5) = 2.69伏特。一般一個灰階與另一個灰階的電壓差約僅有30到50 mV而已(這是以6 bit的分辨率而言，若是8 bit分辨率則僅有3到5 mV而已)。因此feed through電壓影響灰階是很嚴(yán)重的。

     以normal white的偏光板配置來說，會造成正極性的灰階會比原先預(yù)期的來得更亮，而負(fù)極型的灰階會比原先預(yù)期的來得更暗。不過恰好feed through電壓的方向有一致性，所以我們只要將common電壓向下調(diào)整即可。從圖2中我們可以看到，修正后的common電壓與原先的common電壓的壓差恰好等于feed through電壓。

 

common電壓變動的feed through電壓 

    圖5為Cs on common且common電壓變動的電壓波形，由于其common電壓是隨著每一個frame而變動的，因此跟common電壓固定的波形比較起來。其產(chǎn)生的feed through電壓來源會再多增加一個，那就是common電壓的變化。這個common電壓的變化，經(jīng)由Clc+Cs的電容，便會影響到顯示電極的電壓。且由于整個LCD面板上所有顯示點的Clc與Cs都是接到common電壓，所以一但common電壓有了變化，受影響的就是整個面板的所有點。跟前面gate電壓變化不一樣的是，gate電壓變化影響到的只是一整行的顯示點而已。

    不過Common電壓變化雖然對顯示電極的電壓有影響，但是對于灰階的影響卻沒有像gate電壓變化來的大。怎么說呢？如果我們使用跟前面一樣的電容參數(shù)值，再套用圖6所推導(dǎo)出來的公式，再假設(shè)Common電壓由0伏特變到5伏特，則common電壓變化所產(chǎn)生的feed through電壓為(5 -0)*(0.1pF+ 0.5pF) / (0.05pF + 0.1pF +0.5pF) = 5 * 0.6/0.65=4.62伏特。雖然顯示電極增加這么多電壓，但是common電極也增加了5伏特。因此在Clc兩端，也就是液晶的兩端，所看到的壓差變化，就只有4.62-5=0.38伏特而已。

    跟之前gate走線電壓變化所產(chǎn)生的feed through電壓2.69伏特比較起來要小的多了，所以對灰階的影響也小多了。且由于它所產(chǎn)生的feed through電壓有對稱性，不像Gate走線所產(chǎn)生的feed through電壓是一律往下，所以就同一個顯示點來說，在視覺對灰階的表現(xiàn)影響會比較小。當(dāng)然，雖然比較小，但是由于對整個LCD面板的橫向的768行來說，common電壓變化所發(fā)生的時間點，跟gate走線打開的時間間隔并不一致，所以對整個畫面的灰階影響是不一樣的。這樣一來，就很難做調(diào)整以便改進畫面質(zhì)量，這也是為什么common電壓變動的驅(qū)動方式，越來越少人使用的緣故。

Cs on gate架構(gòu) 且common電壓固定不動的feed through電壓 

    圖7是Cs on gate且common電壓固定不動的電壓波形圖。它并沒有common電壓變化所造成的feed through電壓，它只有由于gate電壓變化所造成的feed through電壓。不過它跟Cs on common不一樣的是，由gate電壓變化所造成的feed through電壓來源有兩個地方，一個是自己這一條gate走線打開經(jīng)由Cgd產(chǎn)生的feed through電壓，另一個則是上一條gate走線打開時，經(jīng)由Cs所產(chǎn)生的feed through電壓。經(jīng)由Cgd的feed through電壓跟前面所討論過的狀況是一樣的，在這邊就不再提了。但是經(jīng)由Cs的feed through電壓，是因為Cs on gate的關(guān)系，如圖3所示。Cs on gate的架構(gòu)，它的儲存電容另一端并不是接到common電壓，而是接到前一條gate走線，因此在我們這一條gate走線打開之前，也就是前一條gate走線打開時，在前一條gate走線的電壓變化，便會經(jīng)由Cs對我們的顯示電極造成feed through電壓。

    依照圖8的公式，同時套用前面的電容參數(shù)與gate電壓變化值，我們可得到此一feed through電壓約為 35*0.5pF/ (0.5pF+0.1pF+0.05 pF)=26.92伏特。這樣的feed through電壓是很大的，不過當(dāng)前一條gate走線關(guān)閉時，這個feed through電壓也會隨之消失。而且前一條gate走線從打開到關(guān)閉，以SVGA分辨率的熒幕來說，約只有21.7us的時間而已。相對于一個frame的時間16.67ms是很短的。再者當(dāng)前一條gate走線的feed through電壓影響顯示電極后，我們這一條的gate走線也隨之打開，source driver立刻將顯示電極的電壓充放電到所要的目標(biāo)值。從這種種的結(jié)果看來，前一條gate走線的電壓變化，對于我們的顯示電極所表現(xiàn)的灰階，幾乎是沒有影響的。因此對于Cs on gate且common電壓固定不動的驅(qū)動方式來說，影響最大的仍然是gate走在線電壓變化經(jīng)由Cgd產(chǎn)生的feed through電壓，而其解決方式跟前面幾個一樣，只需將common電壓往下調(diào)整即可。

common電壓變動的feed through電壓 

    圖9是Cs on gate架構(gòu)且common電壓變動的feed through電壓波形圖。這樣子的架構(gòu)，剛好有了前面3種架構(gòu)的所有缺點，那就是gate走線經(jīng)由Cgd的feed through電壓，和前一條gate走線經(jīng)由Cs的feed through電壓，以及Common電壓變化經(jīng)由Clc的feed through電壓?？上攵趯嶋H的面板設(shè)計上幾乎是沒有人使用這種架構(gòu)的。而這4種架構(gòu)中最常用的就是 Cs on gate架構(gòu)且common電壓固定不動的架構(gòu)。因為它只需要考慮經(jīng)由Cgd的feed through電壓，而Cs on gate的架構(gòu)可得到較大的開口率的緣故。

二階驅(qū)動(Two level addres sing)的效應(yīng)  

  前面四種架構(gòu)討論的其實都是針對二階驅(qū)動方式所產(chǎn)生的影響。所謂的二階驅(qū)動方式，是指gate driver的輸出電壓只有兩種，分別是打開跟關(guān)閉的電壓。但是二階的驅(qū)動方式最大的缺點，就是在gate走在線電壓關(guān)閉時，經(jīng)由Cgd產(chǎn)生影響顯示電極電壓的feed through電壓。從圖10中我們可以知道，原本source driver的輸出電壓范圍，因為feed through電壓的關(guān)系，造成在顯示電極上的電壓范圍與原先預(yù)期的不一致。

    所以要修正common電壓的值，以便顯示出正確的灰階。這是一般常見使用two level gate driver的面板設(shè)計方式，不過傷腦筋的是，雖然這個修正值可以利用圖4中的公式來獲得，但是這公式中的Clc電容大小并不是一個固定值，會隨著Clc電容兩端的電壓不同而變化。也就是說，在不同的灰階下，Clc的大小會不一樣，連帶的會影響所產(chǎn)生的feed through電壓也跟著不一樣。

    于是對于common電壓的調(diào)整就不容易達(dá)到各個灰階表現(xiàn)都很好的結(jié)果，影像的質(zhì)量便會打了折扣。而三階驅(qū)動的方法就是為了改善這個現(xiàn)象而產(chǎn)生的，利用three level的gate driver，讓經(jīng)由Cgd與Cs的feed through電壓互相抵消。既然沒有了feed through電壓，就不用再調(diào)整common電壓了。不過這種三階驅(qū)動的方式，只能使用于Cs on gate的架構(gòu)。至于三階驅(qū)動，乃至四階TFT LCD驅(qū)動的原理，我們留到下次再跟大家介紹。

工業(yè)液晶屏：http://www.hzlmtz.com/