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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)
我们针对 TFT LCD 的整体系统面来做介绍, 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. 首先我们来介绍由于 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. 这两种顾名思义就可以知道, 它的主要差别就
在于储存电容是利用 gate 走线或是 common 走线来完成的. 在上一篇文章中, 我曾提到, 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. 所以我们就必须像在 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
之中, 则是利用显示电极与 gate 走线或是 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, 从图中我们可以很明显的知道, Cs on gate 由于不必像 Cs on common 一样, 需要增加一条额外的
common 走线, 所以它的开口率(Aperture ratio)会比较大. 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 的方式, 它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 的 Cs on gate 与 Cs on common 的等效电路) 而 gate 走线, 顾名思义就是接到每一个 TFT 的 gate 端的走线, 主要就是作为 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*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 20us, 而显示画面更新的时间约为 16ms, 所以相对而言, 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, 我们在这边也需要顺便介绍一下. 从图 2 中我们可以发现, 不管您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 中我们可以看到整片面板的等效电路, 其中每一个 TFT 与 Clc 跟 Cs 所并联的电容, 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,分别来代表 RGB 三原色. 以一个 1024*768 分辨率的 TFT LCD 来说, 共需要 1024*768*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, 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*768 SVGA 分辨率的液晶显示器来说, 总共会有 768 行的 g
ate 走线, 而 source 走线则共需要 1024*3=3072 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 1/6
0=16.67ms. 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/768=21.7us. 所以在图 3 g
ate driver 送出的波形中, 我们就可以看到, 这些波形为一个接着一个宽度为 21.7us 的脉波, 依序打开每一行的 TFT. 而 source
driver 则在这 21.7us 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, 你即使将电压取消掉, 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 c
ommon 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, 也就是每 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, 它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
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