TFT LCD驱动原理
TFT LCD液晶显示器的驱动原理(一)
副标题:
发表日期： 2005-2-26 12:26:17 作者：谢崇凯点击数3206
前两次跟大家介绍有关液晶显示器操作的基本原理， 那是针对液晶本身的特性，与ＴＦＴ ＬＣＤ本身结构上的操作原理来做介绍． 这次我们针对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ｇａｔｅ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１／６０＝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 ｇａｔｅ 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， 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
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？ 就如同我们前面所提到的原因一样， 就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， 它的显示电极与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． 而为了达到极性不停变换这个目的， 我们也可以让ｃｏｍｍｏｎ电压不停的变动， 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， 我们可以看到， 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． 以图七中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． 但是如果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， 如果你想使用ｃｏｌｕｍｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ或是ｄｏｔ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ的话， 你就只能选用 ｃｏｍｍｏｎ电极电压固定不动的驱动方式． 为什么呢？ 之前我们曾经提到 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， 在面板上所有的显示点， 它们的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， 所以如果你是选用ｃｏｍｍｏｎ电极电压是可变动的方式的话， 是无法在一行ＴＦＴ上， 来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， 是要求每个相邻的点拥有不同的正负极性的． 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， 只因为ｄｏｔ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ的显示品质相对于其它的面板极性变换方式， 要来的好太多了． 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， 你会感觉到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． 假若你是使用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，你就会感觉到Ｆｌｉｃｋｅｒ的存在． 而其它面板的极性变换方式， 虽然也会有此ｆｌｉｃｋｅｒ的现象， 但由于它不像ｆｒａｍｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ 是同时整个画面一齐变换极性， 只有一行或是一列， 甚至于是一个点变化极性而已． 以人眼的感觉来说， 就会比较不明显． 至于ｃｒｏｓｓｔａｌｋ的现象， 它指的就是相邻的点之间， 要显示的资料会影响到对方， 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， 我们就可以知道， 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量其搭配的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． 但是如果使用相同的ｃｏｍｍｏｎ电极驱动方式， 在ｓｏｕｒｃｅ ｄｒｉｖｅｒ的耗电来说，就要考量其输出电压的变动频率与变动电压大小． 一般来说， 在此种情形下， ｓｏｕｒｃｅ ｄｒｉｖｅｒ的耗电，会有 ｄｏｔ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ＞ ｒｏｗ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ＞ ｃｏｌｕｍｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ＞ ｆｒａｍｅ 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．
参考数据：
１．交通大学次微米人才培训课程， 平面显示器原理讲义．
２．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．
TFT LCD液晶显示器的驱动原理(二)
副标题:
发表日期： 2005-2-26 12:36:33 作者：谢崇凯点击数2612
续 ＴＦＴ ＬＣＤ液晶显示器的驱动原理（一）
上次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＊７６８＝７８６４３２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＊３＝３０７２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／７６８＝２１．７ｕｓ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？因为我们接下来要讨论的ｆｅｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ电压，它的成因主要是因为面板上其它电压的变化，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Ｃｓ＋Ｃｌｃ）．
Ｃｓ ｏｎ ｃｏｍｍｏｎ架构且ｃｏｍｍｏｎ电压固定不动的ｆｅｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ电压
我们刚才提到，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．但是如果当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．而且这个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 Ｎ＋１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Ｃｇｄ＝０．０５ｐＦ，而Ｃｌｃ＝０．１ｐＦ， Ｃｓ＝０．５ｐＦ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 ／ （０．０５＋０．１＋０．５） ＝ 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．
Ｃｓ ｏｎ ｃｏｍｍｏｎ架构且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Ｃｌｃ＋Ｃｓ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 ＊ ０．６／０．６５＝４．６２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４．６２－５＝０．３８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 ｔｈｒ
ｏｕｇｈ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．当然啦，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品质，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／（０．５ｐＦ＋０．１ｐＦ＋０．０５ｐＦ）＝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．
Ｃｓ ｏｎ ｇａｔｅ架构且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 ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ）的效应
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ＴＦＴ ＬＣＤ液晶显示器的驱动原理（三）
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TFT LCD液晶显示器的驱动原理(三)
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发表日期： 2005-2-26 12:50:45 作者：谢崇凯点击数3656
ＴＦＴ ＬＣＤ液晶显示器的驱动原理（一）
＞ＴＦＴ ＬＣＤ液晶显示器的驱动原理（二）
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．
三阶驱动的原理（Ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）
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， 以改进灰阶品质． 但是由于Ｃｌｃ并非是
一个固定的参数， 让调整ｃｏｍｍｏｎ电压以便改进影像品质目的不易达成． 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电压给补偿回来．
三阶驱动的基本原理是这样的， 利用经由Ｃｓ的ｆｅｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ电压， 来补偿经由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电压来补偿的． 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？ 上次我们有提到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Ｖｅ＝Ｖｐ２－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， 就可以精确的计算出所需要的拉回电压了．