TFT-LCD液晶显示器的驱动原理

TFT LCD液晶显示器的驱动原理(一)前两期针对液晶的特性与TFT LCD本身结构介绍了有关液晶显示器操作的基本原理。这次将针对TFT LCD的整体系统面也就是对其驱动原理来做介绍而其驱动原理仍然因为一些架构上差异的关系而有所不同。首先将介绍由于Cs (storage capacitor) 储存电容架构不同所形成不同驱动系统架构的原理。Cs (storage capacitor) 储存电容的架构一般最常见的储存电容架构有两种分别是Cs on gate与Cs on common这两种。顾名思义两者的主要差别在于储存电容是利用gate走线或是common走线来完成。在上一期文章中曾提到储存电容主要是为了让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候之用所以必须像在CMOS的制程之中利用不同层的走线来形成平行板电容。而在TFT LCD的制程中则是利用显示电极与gate走线或common走线所形成的平行板电容来制作出储存电容Cs。图1就是这两种储存电容架构图中可以很明显地知道Cs on gate由于不必像Cs on common需要增加一条额外的common走线所以其开口率(Aperture ratio)比较大。而开口率的大小是影响面板的亮度与设计的重要因素所以现今面板的设计大多使用Cs on gate的方式。但是由于Cs on gate方式的储存电容是由下一条的gate走线与显示电极之间形成的(请见图2中Cs on gate与Cs on common的等效电路)而gate走线就是接到每一个TFT的gate端的走线主要是作为gate driver送出信号来打开TFT好让TFT对显示电极作充放电的动作。所以当下一条gate走线送出电压要打开下一个TFT时便会影响到储存电容上储存电压的大小。不过由于下一条gate走线打开到关闭的时间很短(以1024 x 768分辨率60Hz更新频率的面板来说。一条gate走线打开的时间约为20μs而显示画面更新的时间约为16ms所以相较下影响有限)所以当下一条gate走线关闭回复到原先的电压则Cs储存电容的电压也会随之恢复到正常。这也是为什么大多数的储存电容设计都是采用Cs on gate的方式的原因。至于common走线在这边也需要顺便介绍一下。从图2中可以发现不管采用怎样的储存电容架构Clc的两端都是分别接到显示电极与common。既然液晶是充满在上下两片玻璃之间而显示电极与TFT都是位在同一片玻璃上则common电极很明显的就是位在另一片玻璃之上。如此一来由液晶所形成的平行板电容Clc便是由上下两片玻璃的显示电极与common电极所形成。而位于Cs储存电容上的common电极则是另外利用位于与显示电极同一片玻璃上的走线这跟Clc上的common电极是不一样的只不过它们最后都是接到相同的电压就是了。整块面板的电路架构从图3中可以看到整片面板的等效电路其中每一个TFT与Clc跟Cs所并连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代表RGB三原色。以一个1024 x 768分辨率的TFT LCD来说共需要1024 x 768 x 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再藉由如图3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以显示不同的灰阶。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便又回过来从头从第一行再开始充电。以一个1024 x 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 x 33072条。以一般的液晶显示器多为60Hz的更新频率来说每一个画面的显示时间约为1/6016.67ms。由于画面的组成为768行的gate走线所以分配给每一条gate走线的开关时间约为16.67ms/76821.7μs。所以在图3 gate driver送出的波形中就可以看到这些波形为一个接着一个宽度为21.7μs的脉波依序打开每一行的TFT。而source driver则在这21.7μs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。面板的各种极性变换方式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。所以当上下两层玻璃的压差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不被破坏掉特性的结果。所以当您所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呢图4就是面板各种不同极性的变换方式虽然有这么多种的转换方式它们有一个共通点都是在下一次更换画面数据的时候来改变极性。以60Hz的更新频率来说亦即每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。首先是frame inversion其整个画面所有相邻的点都是拥有相同的极性而row inversion与column inversion则各自在相邻的行与列上拥有相同的极性另外在dot inversion上则是每个点与自己相邻的上下左右四个点是不一样的极性最后是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作为一个基本单位当以pixel为单位时它就与dot inversion很相似了也就是每个pixel与自己上下左右相邻的pixel是使用不同的极性来显示的。Common电极的驱动方式图5及图6为两种不同的Common电极的电压驱动方式图5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5中是256灰阶的显示电极波形变化以V0这个灰阶而言如果您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。为什么要这么复杂呢如同前面所提到的原因一样这是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这个灰阶来说其显示电极与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。只不过位在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。为了达到极性不停变换这个目的也可以让common电压不停地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就是图6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。而各灰阶的电压与图5中的一样仍然要一次大一次小的变化。这两种不同的Common驱动方式影响最大的就是source driver的使用。以图7中的不同Common电压驱动方式的穿透率来说当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7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。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。面板极性变换与common电极驱动方式的选用并不是所有的面板极性转换方式都可以搭配上述两种common电极的驱动方式。当common电极电压固定不变时可以使用所有的面板极性转换。但如果common电压是变动的话则面板极性转换就只能选用frame inversion与row inversion。(请见表1)也就是说如果想使用column inversion或是dot inversion的话就只能选用common电极电压固定不动的驱动方式。为什么呢之前曾经提到common电极是位于跟显示电极不同的玻璃上在实际的制作上时其实这一整片玻璃都是common电极。也就是说在面板上所有显示点的common电压是全部接在一起的。其次由于gate driver的操作方式是将同一行的所有TFT打开好让source driver去充电而这一行的所有显示点它的common电极都是接在一起的所以如果选用common电极电压是可变动的方式是无法在一行TFT上同时做到显示正极性与负极性的。而column inversion与dot inversion的极性变换方式在一行的显示点上要求每个相邻的点拥有不同的正负极性。这也就是为什么common电极电压变动的方式仅能适用于frame inversion与row inversion的缘故。而common电极电压固定的方式就没有这些限制因为其common电压一直固定只要source driver能将电压充到比common大就可以得到正极性比common电压小就可以得到负极性所以common电极电压固定的方式可以适用于各种面板极性的变换方式。表1面板极性变换方式可使用的common电极驱动方式Frame inversion固定与变动Row inversion固定与变动Column inversion只能使用固定的common电极电压Dot inversion只能使用固定的common电极电压各种面板极性变换的比较现在常见使用在个人计算机上的液晶显示器所使用的面板极性变换方式大部分都是dot inversion。为什么呢原因无它因为dot inversion的显示质量相对于其他的面板极性变换方式好太多了。表2是各种面板极性变换方式的比较表。所谓Flicker的现象就是当你看液晶显示器的画面上时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。这种情况最容易发生在使用frame inversion的极性变换方式因为frame inversion整个画面都是同一极性当这次画面是正极性时下次整个画面就都变成了是负极性。假若使用common电压固定的方式来驱动而common电压又有了一点误差(请见图8)这时候正负极性的同一灰阶电压便会有差别当然灰阶的感觉也就不一样。在不停切换画面的情况下由于正负极性画面交替出现就会感觉到Flicker的存在。而其他面板的极性变换方式虽然也会有此flicker的现象但由于不像frame inversion是同时整个画面一齐变换极性只有一行或是一列甚至是一个点变化极性而已以人眼的感觉来说比较不明显。至于crosstalk的现象就是相邻的点之间要显示的数据会影响到对方以致于显示的画面会有不正确的状况。虽然crosstalk的现象成因有很多种只要相邻点的极性不一样便可以减低此一现象的发生。综合这些特性可知为何大多数人都使用dot inversion了。表2面板极性变换方式Flicker的现象Crosstalk的现象Frame inversion明显垂直与水平方向都易发生Row inversion不明显水平方向容易发生Column inversion不明显垂直方向容易发生Dot inversion几乎没有不易发生面板极性变换方式对于耗电也有不同的影响。不过它在耗电上需要考虑其搭配的common电极驱动方式。一般来说common电极电压若是固定其驱动common电极的耗电会比较小。但是由于搭配common电压固定方式的source driver其所需的电压比较高反而在source driver的耗电会比较大。但如果使用相同的common电极驱动方式source driver的耗电就要考虑其输出电压的变动频率与变动电压大小。在此种情形下source driver的耗电会有dot inversionrow inversioncolumn inversionframe inversion的状况。不过现今由于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的耗电就会比较小。也就是说由于source driver在结构及电路上的改进虽然先天上它的输出电压变动频率最高也最大(变动电压最大接近10伏特而row inversion面板由于多是使用common电极电压变动的方式其source driver的变动电压最大只有5伏特耗电上会比较小)但dot inversion面板的整体耗电已经减低很多了。这也就是为什么大多数的液晶显示器都是使用dot inversion的方式。TFT LCD液晶显示器的驱动原理(二)【谢崇凯】 2002.11前期跟大家介绍液晶显示器的驱动原理中有关储存电容架构、面板极性变换方式以及common电压的驱动方式。这次我们延续上次的内容继续针对feed through电压以及二阶驱动的原理来做介绍。简单来说Feed through电压主要是由于面板上的寄生电容而产生的而所谓三阶驱动的原理就是为了解决此一问题而发展出来的解决方式不过我们这次只介绍二阶驱动至于三阶驱动甚至是四阶驱动则留到下一次再介绍。在介绍feed through电压之前我们先解释驱动系统中gate driver所送出波形的timing图。SVGA分辨率的二阶驱动波形我们常见的1024*768分辨率的屏幕就是我们通常称之为SVGA分辨率的屏幕。它的组成顾名思义就是以1024*768786432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需要蓝色绿色红色三个点来组成。)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*33072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。图1就是SVGA分辨率的gate driver输出波形的timing图。图中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/76821.7μs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。为什么要将这些输出电压的timing介绍过一次呢因为接下来要讨论的feed through电压它的成因主要是因为面板上其他电压的变化经由寄生电容或是储存电容影响到显示电极电压的正确性。在LCD面板上主要的电压变化来源有3个分别是gate driver电压变化source driver电压变化以及common电压变化。而这其中影响最大的就是gate driver电压变化(经由Cgd或是Cs)以及common电压变化(经由Clc或是CsClc)。Cs on common架构且common电压固定不动的feed through电压如前提到造成有feed through电压的主因有两个。而在common电压固定不动的架构下造成feed through电压的主因就只有gate driver的电压变化了。在图2中就是显示电极电压因为feed through电压影响而造成电压变化的波形图。在图中请注意到gate driver打开的时间相对于每个frame的时间比例是不正确的。在此我们是为了能仔细解释每个frame的动作所以将gate driver打开的时间画的比较大。请记住正确的gate driver打开时间是如同图1所示需要在一个frame的时间内依序将768个gate driver走线打开的。所以每个gate走线打开的时间相对于一个frame的时间是很短的。当gate走线打开或关闭的那一瞬间电压的变化是最激烈的大约会有30~40伏特再经由Cgd的寄生电容影响到显示电极的电压。在图3中我们可以看到Cgd寄生电容的存在位置。其实Cgd的发生跟一般的CMOS电路一样是位于MOS的gate与drain端的寄生电容。但是由于在TFT LCD面板上gate端是接到gate driver输出的走线因此一但在gate driver输出走在线的电压有了激烈变化便会影响到显示电极上的电压。在图2之中当Frame N的gate走线打开时会产生一个向上的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Cgd寄生电容feed through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。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的时后。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 N1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 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。这个电压有多大呢?在图4中我们以电荷不灭定律可以推导出feed through电压为(Vg2 - Vg1) * Cgd / (Cgd Clc Cs)。假设Cgd0.05pF而Clc0.1pF Cs0.5pF且gate走线从打开到关闭的电压为 -35伏特的话则feed through电压为-35*0.05 / (0.050.10.5) 2.69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。不过恰好feed through电压的方向有一致性所以我们只要将common电压向下调整即可。从图2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。common电压变动的feed through电压图5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ClcCs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面板的所有点。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。不过Common电压变化虽然对显示电极的电压有影响但是对于灰阶的影响却没有像gate电压变化来的大。怎么说呢如果我们使用跟前面一样的电容参数值再套用图6所推导出来的公式再假设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(5 -0)*(0.1pF 0.5pF) / (0.05pF 0.1pF 0.5pF) 5 * 0.6/0.654.62伏特。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4.62-50.38伏特而已。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。当然虽然比较小但是由于对整个LCD面板的横向的768行来说common电压变化所发生的时间点跟gate走线打开的时间间隔并不一致所以对整个画面的灰阶影响是不一样的。这样一来就很难做调整以便改进画面质量这也是为什么common电压变动的驱动方式越来越少人使用的缘故。Cs on gate架构且common电压固定不动的feed through电压图7是Cs on gate且common电压固定不动的电压波形图。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电压来源有两个地方一个是自己这一条gate走线打开经由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。但是经由Cs的feed through电压是因为Cs on gate的关系如图3所示。Cs on gate的架构它的储存电容另一端并不是接到common电压而是接到前一条gate走线因此在我们这一条gate走线打开之前也就是前一条gate走线打开时在前一条gate走线的电压变化便会经由Cs对我们的显示电极造成feed through电压。依照图8的公式同时套用前面的电容参数与gate电压变化值我们可得到此一feed through电压约为 35*0.5pF/ (0.5pF0.1pF0.05 pF)26.92伏特。这样的feed through电压是很大的不过当前一条gate走线关闭时这个feed through电压也会随之消失。而且前一条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。再者当前一条gate走线的feed through电压影响显示电极后我们这一条的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。从这种种的结果看来前一条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。common电压变动的feed through电压图9是Cs on gate架构且common电压变动的feed through电压波形图。这样子的架构刚好有了前面3种架构的所有缺点那就是gate走线经由Cgd的feed through电压和前一条gate走线经由Cs的feed through电压以及Common电压变化经由Clc的feed through电压。可想而知在实际的面板设计上几乎是没有人使用这种架构的。而这4种架构中最常用的就是 Cs on gate架构且common电压固定不动的架构。因为它只需要考虑经由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。二阶驱动(Two level addres sing)的效应前面四种架构讨论的其实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跟关闭的电压。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。从图10中我们可以知道原本source driver的输出电压范围因为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。所以要修正common电压的值以便显示出正确的灰阶。这是一般常见使用two level gate driver的面板设计方式不过伤脑筋的是虽然这个修正值可以利用图4中的公式来获得但是这公式中的Clc电容大小并不是一个固定值会随着Clc电容两端的电压不同而变化。也就是说在不同的灰阶下Clc的大小会不一样连带的会影响所产生的feed through电压也跟着不一样。于是对于common电压的调整就不容易达到各个灰阶表现都很好的结果影像的质量便会打了折扣。而三阶驱动的方法就是为了改善这个现象而产生的利用three level的gate driver让经由Cgd与Cs的feed through电压互相抵消。既然没有了feed through电压就不用再调整common电压了。不过这种三阶驱动的方式只能使用于Cs on gate的架构。至于三阶驱动乃至四阶驱动的原理我们留到下次再跟大家介绍。TFT LCD液晶显示器的驱动原理(三) 【谢崇凯】2002.12上次跟大家介绍液晶显示器的二阶驱动原理以及因为feed through电压所造成的影响。为了解决这些现象于是有了三阶驱动甚至于四阶驱动的设计。接下来我们先针对三阶驱动的原理作介绍。三阶驱动适用于Cs on Gste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电压以改进灰阶质量。但是由于Clc并非是一个固定的参数让调整common电压以便改进影像质量目的不易达成。因此便有了三阶驱动的设计期望在不必变动common电压的情形下将feed through电压补偿回来。三阶驱动的基本原理是利用经由Cs的feed through电压补偿经由Cgd所产生的feed though电压。也就是因为需要利用Cs来补偿所以三阶驱动的方法只能使用在面板架构为Cs on gate的方式。图1就是三阶驱动gate driver电压的波形从这个三阶驱动的波形中我们可以知道三阶驱动波形跟二阶驱动不一样的是它的gate driver驱动波形之中会有三种不 一样的电压。当gate driver关闭时会将电压拉到最低的电压等到下一条的gater driver走线也关闭后再将电压拉回。而这个拉回的电压就是为了去补偿下一条线的feed through电压。也就是说每一条gate driver走线关闭时经由Cgd所产生的feed through电压是由上一条走线将电压拉回时经由Cs所产生的feed through电压来补偿。既然是经由拉回的电压来补偿那拉回电压的大小要如何计算呢上次有提到feed through电压的计算方式我们可以依照上次的公式来计算所需的电压 :经Cgd的Feed through电压 (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。经Cs的Feed through电压 (Vp2 - Vp1)×Cs / (Cgd Clc Cs)Vp2与Vp1分别为上一条gate走线拉回前与拉回后的电压。如果需要两者互相抵消则经Cgd的Feed through电压需要等于经Cs的Feed through电压。所以需拉回的电压为VeVp2-Vp1(Vg_high - Vg_low)×Cgd / Cs 而从图1中我们知道Vg_high - Vg_low Vg Ve所以需拉回的电压Ve (Vg Ve)× Cgd / Cs也就是Ve Vg×Cgd / [Cs - Cgd]。从上述的公式推导中我们发现虽然Clc会影响feed through电压的大小但是藉由三阶驱动的方式Clc的影响就不见了。因此当我们在面板制程与gate drvier的打开电压确定之后就可以精确地计算出所需要的拉回电压了。掌握拉回电压即可补偿电压分布图2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。一般二阶驱动就是只有到这里所以需要修正common电压的大小以便减少灰阶的失真程度。而三阶驱动藉由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。在这时候只要拿捏好拉回电压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。图3是三阶驱动的电压波形图。正如先前所说过的由于三阶驱动需要利用前一条的gate driver走线来补偿所以只能使用于Cs on gate的架构。而且由于有电压补偿的关系common电压就不必再做修正了。在图3中属于gate driver电压有两种一个是前一条gate driver的电压波形用虚线来表示。而用实线表示的是属于打开显示电极电压波形的gate driver走线电压。从此图形可以知道实线的gate driver走线关闭时会经由Cgd产生一个feed through电压而这个向下的电压偏移量在前一条gate driver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。而前一条gate driver走线经由Cs的Feed through电压还有另一种状况那就是在前一条gate driver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。设计拉回电压︰使用两次的feed through电压补偿图4是使用三阶驱动针对gate driver走线电压变动所形成的feed through电压更仔细地显示电极电压波形图。跟图3不一样的是这个图形有考虑到当gate driver走线电压拉回时经由Cgd所造成的feed through电压。原本拉回电压是为了补偿下一条gate driver走在线的显示电极但是它的副作用就是也会对gate driver走线所在位置的显示电极产生影响。所以拉回电压的设计考虑并不是一次将所有电压补偿回来而是使用两次的feed through电压补偿。一次是上一条gate driver走线经由Cs的feed through电压来补偿一次则藉由显示电极所在位置的gate driver走线它的拉回电压经由Cgd的feed through电压来补偿。总括来说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的非线性关系所造成的灰阶问题。不过跟底下要介绍的四阶驱动比较起来它仍然需要使用较高输出电压的source driver。接下来要介绍的四阶驱动它在common电压固定不变的状况下并不需要使用高电压输出的source driver就可以达到分别出正负极性电压的结果了。四阶驱动不需使用高压输出Source Driver即可正负分压图5是四阶驱动gate driver走线的电压基本波形。我们可以看到负责正极性与负极性的gate driver走线电压是不一样的。负责负极性的gate driver走线电压在电压关闭时会往下拉到一个比一般关闭时的电压更低的准位等到下一条走线的电压关闭后再将电压拉回到一般关闭电压的准位。而负责正极性的gate driver走线电压则是在电压关闭时电压并没有一口气拉到一般关闭的电压位准而是等到下一条gate driver走线关闭后再将电压下拉到一般关闭的电压准位。而这两种极性的电压位准总共有︰打开的电压、关闭的电压、比关闭电压高的位准以及比关闭电压更低的电压总共4种。这是为什么叫做四阶驱动的原因。从图5来看我们会发现同样一条gate driver走在线的显示电极都必须属于同一种显示的极性不是正极性就是负极性。因此采用四阶驱动就只能使用line inversion的显示方式。不过这样一来跟使用dot inversion驱动方式的面板来说显示画面的质量变会变得更差flicker与cross talk的效应会更明显。这也是为什么四阶驱动很少有人使用的缘故虽然四阶驱动可以使用驱动电压较低的source driver但是它的gate driver复杂度升高而且画面质量下降当然想要让四阶驱动的面板使用dot inversion并不是不可以只是需要更改面板上的TFT薄膜晶体管的配置方式以及加大显示控制器内的内存大小来同时储存两条gate driver走在线的所有显示电极的数据整个硬件的复杂度会更高成本又会加大比较起来倒不如使用line inversion且common电压变动的面板极性显示方式。四阶驱动原理简单来说是利用前一个gate driver走线经由Cs的feed through电压在正极性时将显示电极的电压提升到很高的电压而在负极性时将显示电极的电压下拉到很低的电压以便将显示电极的电压分别出给正极性或是负极性的电压位准之用。如此一来source driver的驱动电压范围虽然不大但是却可以同时给正极性以及负极性的显示电极电压来用。Gate driver走线电压变化可形成正负极性两种电压图6是四阶驱动的电压分布示意图图中最左边的是source driver输出电压的范围。不管是正极性的画面或是负极性的画面都是使用相同的输出电压范围。因此使用于四阶驱动的source driver其输出电压范围比起一般的source driver要小的多。图6中间则是受到gate driver走线关闭时经由Cgd的feed through电压影响的显示电极电压范围而图6右边则是最后分别出正负极性的显示电压范围。从图中我们可以知道因为受到经过Cgd的feed through电压影响若是要将正负极性的电压范围分开的话对于正极性的电压范围往上提升的电压会比较大其往上提升的电压是由上一条gate drive走线电压往上拉经由Cs的feed through电压来形成。因为所需的电压比较大所以上一条gate driver走在线的拉回电压也比较大。而对于负极性的显示电压范围的形成也是利用上一条gate driver走在线的电压变化来完成。跟正极性的显示电极电压不一样的是它需要的是下拉的feed through电压以便形成负的显示电极电压范围。它所需要的下拉电压 跟正极性的上拉电压比较起来会比较小。不过对于调整后正负极性的显示电压范围来说它们相对于common电压的距离要一样这样对于同一个灰阶的正负极性电压显示出来的画面才会一致。从整个图6来说我们可以发现对于source driver的输出电压如同前面所说的并不需要有正负两种不同极性的显示范围。只要利用上一条gate driver走线的电压变化来帮助形成正负极性的两种电压范围即可。Source driver充好电后会再经过三次电压变化至于在显示电极上的电压变化波形我们则可以利用图7跟图8来解释其电压变化的原理。图7是负极性显示电极电压的波形变化从图中我们可以知道显示电极电压从source driver充好电后会再经过三次的电压变化。首先是本身gate driver走线电压关闭时经由Cgd所产生的feed through电压影响由于电压关闭的关系会把显示电极的电压往下拉。其次是上一条gate driver走线下拉时经过Cs的feed through电压。这个电压的影响很重要因为它是将电压调整成负极性电压的主要成分必须能够将整体的电压调整到所需要的准位。最后是本身的gate driver走线电压拉回时经由Cgd的feed through电压的影响。由于拉回电压的幅度比较小所以整体的影响也比较少。图8是正极性显示电极电压的波形变化跟负极性的电压变化一样也有三阶段的电压变化。首先是本身gate driver走线关闭时经由Cgd的feed through电压其次是由前一条gate drive走线电压拉回经由Cs的feed through电压这电压是扮演将显示电极电压推升到正极性电压范围的最重要角色。而最后则是本身gate driver走线电压下拉时所产生的feed through电压这个电压由于是经由Cgd的关系而且变化的幅度也不大所以影响也比较小。既然这些电压的操作原理都是藉由feed through电压的影响我们就可以利用计算feed through电压的公式依照图9的电压定义来推导出各阶电压的大小。其结果如下:属于负极性电压的各个feed through电压dV1[VgVe(-)]×Cgd/[CsClcCgd]dV2 Ve()×Cs /[CsClcCgd]dV3 Ve(-)×Cgd /[CsClcCgd]属于正极性电压的各个feed through电压dV4[Vg-Ve()]×Cgd/[CsClcCgd]dV5 Ve(-)×Cs /[CsClcCgd]dV6 Ve()×Cgd/[CsClcCgd]在图6中我们提到补偿后的正负极性输出电压与common电压的距离应该一致所以给正极性显示电压范围用的所有feed through电压总合应该和给所有负极性显示电压范围用的feed through电压总合应该一样。所以dV1dV2-dV3应该等于-dV4dV5-dV6。合并化简后我们可以得到 Ve(-) - Ve() 2Vg×Cgd / Cs也就是说只要Ve(-)与Ve()的差值符合上述公式就可以达到四阶驱动的效果了。而且上述公式也告诉我们一个现象那就是公式化简后已经没有了Clc的成分存在。因此它跟三阶驱动一样不会受到Clc非线性的影响。至于Ve(-)及Ve()的大小如何决定呢我们回过来观察dV1dV2-dV3与-dV4dV5-dV6的化简结果dV1dV2-dV3Vg×Cgd Ve()×Cs 向下的feed through总量-dV4dV5-dV6-Vg*Cgd Ve(-)×Cs 向上的feed through总量只要我们依照液晶的特性便可得知需要向上或是向下的feed through电压总量需要多少才够(一般是液晶的threshold电压与最大工作电压加起来的一半)再参考面板设计的参数Vg、Cgd、Cs的大小就可以计算出所需的Ve()与Ve(-)了。在数学上来说当你把向上与向下的feed through总量都设为0时就可以得到 Ve()-Ve(-)这时候四阶驱动就变成三阶驱动了。因此三阶驱动也可以说是四阶驱动的一个特例。参考数据‧交通大学次微米人才培训课程平面显示器原理讲义。‧财团法人自强基金会电子工业人才培训课程液晶显示器显示原理讲义。(本文作者现任职于科雅科技)TFT-LCD驱动ICTFT-LCD监视器和电视上所使用的集成电路IC大约占总原材料成本的17%。TFT-LCD监视器和电视的电路分成两个部分一部分是整和在TFT-LCD面板模块之上称之为驱动电路所用的IC称之为驱动IC。另一部分是专业IC厂家配合面板厂家设计的控制电路是独立于面板之外的组件其所用的IC称之为控制IC。驱动IC的主要生产厂家是TFT-LCD面板厂根据DiplayResearch的统计资料2000年的市场排名依次是日本电气公司市场占有率 20%夏普市场占有率 20%日本德州仪器市场占有率 19%松下市场占有率12%日立市场占有率10%三星市场占有率7%东芝市场占有率 5%爱普生市场占有率 3%除日本德州仪器为TFT-LCD面板厂家OEM之外大部分都是TFT-LCD面板模块厂家。也基本上和TFT-LCD面板模块出货量多少成正比的。到了2001年随着日本TFT-LCD行业的没落市场发生了重大变化2001年的市场排名依次是日本电气公司市场占有率 20%三星市场占有率 15%日立市场占有率 11%夏普市场占有率11%台湾联咏Novetak市场占有率7%日本德州仪器市场占有率7%现代Hynix市场占有率 7%松下市场占有率 6%东芝市场占有率5%台湾华邦市场占有率3%台湾奇景Himax市场占有率3%。2002年驱动IC需求量大约为7亿片2003年估计达到10亿片虽然量很大但是毛利很低已经低于20%同时生产驱动IC需要有8英寸晶圆厂支持而日本的8英寸晶圆厂都亏损严重。加上TFT-LCD面板厂都就近采购原材料本土化。因此日本厂商对驱动IC市场重视程度越来越低曾经是市场第一的精工爱普生基本已经淡出TFT-LCD驱动IC市场。而日本德州仪器也有意淡出转攻PDP用驱动IC市场。台湾驱动IC相关产业是在2000年受到全球驱动IC缺货的剌激才陆续成立在经历2000年到2002年的努力台湾驱动IC业者在国内面板业者的支持下成长相当迅速。但是驱动IC厂家必须与面板厂家具备良好的沟通和长期关系所以台湾也只能出现三家驱动IC厂家。其中联咏曾经是友达光电的一分子而华邦与彩晶属于一个集团。而韩国则丛一开始就努力发展自己的驱动IC技术。韩国和台湾大举侵占日本厂商的市场。市场从以日本为中心变为日、韩、台三分天下。最近韩国和台湾在驱动IC领域竞争激烈双方都以8英寸晶圆厂为后盾。韩国因为经济滑坡目前在竞争中处于劣势而台湾的台积电正欲利用自己的8英寸晶圆厂2003年5月台积电、明基将与国内台湾第一大 TFT LCD 控制芯片设计厂商晶捷科技合资成立新公司专攻 LCD 驱动 IC 市场新公司将以晶捷开发产品、台积电生产、明基销售的合作模式来进行由三方各持股约三成。2004年投产。驱动IC有高压制作程序虽然相对PDP等离子电视的驱动电压要低的多但是TFT-LCD用驱动IC的集成程度要高出等离子电视用驱动IC很多因此制作难度相当之高通常需要8英寸晶圆厂作后援。台湾正是集成电路代工的主要地区台积电和联电精于此道联咏曾经是联电的一部分因此受惠不少。而其他日本韩国厂家虽然自己设计IC但是加工制造仍然是委托台湾代工。IC的制造分工越来越明显市场细分化。上游厂家设计IC交由中游晶圆厂家代工制作IC然后经专业封装测试厂家测试并封装。例如夏普委托敦茂生产IC而敦茂又委托欣邦封装测试IC。日本德州仪器委托台湾立生生产IC立生再委托欣邦。日立委托汉阳生产汉阳再委托欣邦。日本TFT-LCD驱动IC和核心厂家实际上是日本德州仪器它是唯一没有面板模块生产线的专业驱动IC厂家一直致力于对驱动IC的研究具备最强的研发实力产品更新换代速度很快。日本德州仪器对IC的封装形式研究卓有成效其创立的COGChip On Glass封装形式使LCD面板更薄。日本德州仪器月产驱动IC最高达800万片。由于早期大量采用OEM合作方式使其在开发新客户方面比较落后在日本厂家产量减少情况下其出货量也随之减少不过日本德州仪器有能力恢复失地。夏普是世界LCD-TV主要供货商市场占有率超过50%同时夏普也是最早开发液晶应用的厂家技术积累深厚经验丰富。夏普也擅长IC制造夏普拥有SSTSuper Slim、USTUltra Slim等TCPTape Carrier Package与COG封装技术。其驱动IC的月产能最高达700万颗手机显示屏用驱动IC月产能维持在1,000万颗其中85%的量供应自己的LCD模块使用驱动IC工厂设在天理与福山两地。日本电气公司NEC其TFT LCD驱动IC的月产能达600万颗 手机显示屏用驱动IC月产能维持在350万颗保持50%的量供应LCD 模块的内需使用驱动IC工厂设在关西与福井。与精工合作发展COG封装技术。目前NEC在大屏幕TFT-LCD驱动IC上有独到之处市场占有率高达30%。日立拥有2、3、4代三条生产线每条生产线月产能都在4万片左右。基本上是日本目前最大的TFT-LCD厂家因此日立的驱动IC产量虽大一般不外卖。 其余如松下、OKI、爱普生也都是为自己的面板厂生产驱动IC。台湾主要厂家有联咏和华邦。联咏1997年从联电独立出来时一度是全世界键盘微控制器及鼠标微控制器最大的供货商。1999年联咏就投入TFT-LCD驱动IC研究中由于联咏投入LCD驱动IC的时间早因此能领先开发出完整的产品线。一般来说每台TFT-LCD显示器需要8颗Source IC以及3颗Gate IC目前台湾除了联咏之外找不到第二家有能力同时提供这两种产品的IC设计公司。联咏有部分竞争优势得要归功于母公司──联电。由于TFT-LCD驱动IC线路较细微而且还要能承受液晶面板的高电流没有晶圆厂支援很难施展身手。而联咏出身自联电家族这是其他同业难望其项背之处。此外晶圆代工及封装测试厂商最近都酝酿调涨代工价格但联电至今尚未有此一动作使联咏能够维持价格竞争优势这是联咏做为联电家族成员的好处。目前联咏TFT-LCD驱动IC客户以友达、华映、瀚宇彩晶等国内厂商为主。其中友达为最大客户约占联咏整体出货量的六成以上另外华映及瀚宇彩晶合计约占三成多。不过目前全球第一大驱动IC供货商德州仪器已逐渐淡出驱动IC市场联咏抓住这个机会顺势推向国际市场。联咏已经取得LG飞利浦、三星电子的部分驱动IC定单。市场占有率将大大提高。2003年至少达10%的份额。同时联咏也开发出LCD控制IC但是因为竞争激烈市场开拓情况并不理想。华邦早在1997年进入TFT-LCD驱动IC领域在1999年之前华邦收购了(Cirrus Logic) 之LCD驱动IC部门。1999年8月6日 与美国Vivid Semiconductor Inc.签署TFT-LCD之驱动及控制IC之产品与技术移转合约。华邦的主力是制作PC用内存芯片不过内存芯片受到三星强大的压力亏损严重去年起华邦转型生产非PC用内存芯片和TFT-LCD驱动IC考虑到台湾本土市场已经被联咏霸占华邦积极开拓韩国和日本市场2002年9月华邦接获大批定单韩国市场方面有三星和Hydis日本市场方面是三洋和ADI。单9月华邦出货量高达200万片驱动IC。华邦基本锁定日本和韩国的海外市场暂不参与台湾内竞争。韩国的TFT-LCD驱动IC主要由三星电子和现代企业包揽依靠制造内存的设备和经验三星和现代驱动IC一度100%自给但是内存生产主要由韩国政府提供支持政府的压力日益增大韩国政府也要面对其他国家的指责逐渐对内存产业的支持力度减小其驱动新任政府对IC的支持不如上届。三星和现代都感觉到了其IC成本持续上升从而不得不委托台湾代工封装甚至完全从台湾采购。三星的IC已经大部分在台湾代工现代也日渐不景气采购IC成为不得已的做法。TFT-LCD控制IC主要包括视频接口接口(Interface)模拟数字转换器和石英晶振锁相环(ADC/PLL)幅度控制器(Scaler) , 微控单元(MCU)在屏显示(OSD)如果是LCD-TV要加一个视频解碼。由于韩台竞争白热化大打价格战所以价格成为决定是否能胜出的关键因此控制IC出现两种趋势一是专业控制IC厂家领域都朝向系统单芯片(SOC)发展将诸多功能集中在一起称之为Smart Panel。最早是将ADC/PLL和Scaler/OSD集成后来将数字接口也集成在一起更有厂家推出六合一IC将驱动电路中的时钟控制也集成到一起。另一种趋势是TFT-LCD面板模块厂家试图将控制IC部分集成到面板模块上目前来看还不明显毕竟面板厂家没那个本事。专业控制IC厂家为了提高功能集成程度和降低风险与成本并购不断大者恒大弱者几乎无法生存。尽管这个市场到2002年才只有3.02亿美元但一样还是竞争激烈。按显示器市调机构DisplaySearch2003年1季度统计资料今年第1季TFT LCD控制IC出货量达1,535万颗较去年第4季成长20%并较去年同期成长70%。Genesis Microchip仍为龙头厂商但其市占率由56%下滑至52%。晶捷(MRT)仍为第2大厂商市占率由18.1%下滑至16%。意法半导体由第4名攀升至第3名市占率由4%攀升至6.9%。Pixelworks由第5名攀升至第4名市占率由3.3%跃升至6%。晨星半导体仍为第5大厂商市占率由3%跃升至5.3%。发展LCD控制IC成功与否主要取决于ADC模拟技术、晶圆制程以及与中下游厂商关系。其中最关键之一为整合ADC之自有技术 由于台湾模拟技术人才缺乏台湾厂商普遍欠缺ADC开发能力虽然可以外购的方式解决 但是如此一来ADC价格就会受制于人且其降价空间极低在技术及成本上都有不利之处。ADC技术龙头厂家是AnalogDevices其次是Sage。AnalogDevices是超级大厂产品种类齐全ADC只是其一个系列产品AnalogDevices主要以提供ADC内核方式参与LCD控制IC生产。出售的可能性不大。Sage则被龙头大厂Genesis Microchip购买。市场早期多是分离式设计故没有ADC技术的厂家也能生存而在2001年龙头大厂Genesis Microchip推出整和式控制IC最终在第三季度超过了分离式控制芯片的市场份额Genesis的卖座产品gmZAN1在LCD控制IC市场占了40% 其他厂家因为缺乏ADC技术无法推出整合式 产品市场日益缩小如晶磊、创品、旺宏等厂家。无法及时推出整合式产品销售量剧减虽然后来推出类似产品但已经晚了这些厂家只能黯然退出市场。而一些拥有ADC技术的厂家纷纷进入此领域如意法半导体和晶捷科技。Genesis Microchip一直是LCD控制IC市场的龙头最早Genesis主要制造幅度控制器Scaler,微控单元MCU在屏显示OSD在视频领域尤其逐行扫描数字视频接口接口译码领域并不擅长。2001年该公司以以2.41亿美元2001年LCD控制IC市场总规模只有1.95亿美元以股权交换的方式并购Sage而Sage此前以91.5百万美元取得Faroudja的商标权与其技术Sage曾经是LCD控制IC市场老二视频方面精通而Faroudja是专业逐行扫描IC制造公司。获得了Sage的强助之后Genesis 大力发展集成式LCD控制IC。参考文章TFT LCD液晶显示器的 驱动原理 - 知乎