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液晶顯示器驅動系統 課程大綱 液晶物質簡介 液晶的電光效應 液晶基本驅動原理 STN LCDs 驅動原理 TFT LCDs 驅動原理 影響TFT LCDs 畫面品質的因素 Driver IC 簡介 TFT LCDs 模組及介面技術簡介 WHQ 绿显电子科技 Date1绿显电子科技 液晶物質的相變化 固體結晶液晶液體 加熱加熱 冷卻冷卻 绿显电子科技 Date2绿显电子科技 液晶分子的種類 Smectic LC 層狀液晶 Nematic LC 線狀液晶 Cholesteric LC 膽固醇狀液晶 绿显电子科技 Date3绿显电子科技 液晶分子的排列 CrystallineLiquid Crystalline Liquid K SmC SmA N L BiaxialUnaxialIsotropic Temperature 绿显电子科技 Date4绿显电子科技 液晶的分類 绿显电子科技 Date5绿显电子科技 液晶的電光特性 異向性 (Anisotropic) 排列因數 ( ) 折射率 ( ) 黏滯係數 ( ) 介電係數 ( ) 電導係數 磁化率 彈性係數 ( ) Date6绿显电子科技 液晶的光學特性 Optical PositiveOptical Negative Helical Axis Optical Axis Optical Axis Date7绿显电子科技 液晶驅動原理 電極 電極 液晶 Field OFFField ON Date8绿显电子科技 液晶顯示器主要優缺點 優點 低電壓驅動。 低消耗電流。 體積薄，重量輕。 可實現大面積化。 彩色化容易。 缺點 視角限制。 外加被光源或投射光源。 溫度操作範圍限制。 Date9绿显电子科技 液晶顯示器的種類 液晶 顯示器 扭轉型 (Twinst Nematic, TN) 1971 超扭轉型 (Super Twinst Nematic, STN) 1984 雙層雙扭轉型 (Double Layer STN, DSTN)1987 光相位補償超扭轉型 (Film STN, FSTN)1988 主動驅動超扭轉型 (AASTN or MLS STN) 1992 強介電型 (Ferroelectric Liquid Crystal : FLC) 1980 PDLC (Polymer Dispersive LC) 1988 PSCT (Polymer Stabilized Cholesteric Texture) 1993 Other DS (Dynamic Scattering) 1968 PC (Phase Change) 1968 GH (Guest Host) 1968 ECB (Elcetrical Control Birefregency) 1971 BTN (Bistable Twist Nematic) 1995 IPS (In Plane Switch) 1995 VA (Vertical Alignment)1996 Date10绿显电子科技 TN 型 LCDs 顯示原理 Twist 90 液晶分子 Field OFFField ON 利用液晶的旋光特性 調變穿透光線 液晶的旋光特性消失 Date11绿显电子科技 STN LCDs 顯示原理 Twist 270 液晶分子 Field OFF Field ON 利用液晶的雙折射 特性調變穿透光線 Date12绿显电子科技 TN & STN 電光轉移曲線 V-T Curve 100% 90% 10% Vns STN Vs STN Vs TN Vns TN T V Date13绿显电子科技 TN 與 STN 的電壓漂移 T 100% V TN Mode T 100% V STN Mode Date14绿显电子科技 LCDs 驅動方式 直接驅動法 (Direction Addressing) 靜態驅動法 (Static Addressing) 多工驅動法 (Multiplex Addressing) 主動驅動法 (Active Addressing / Multi-Line Selection) 主動矩陣驅動法 (Active Matrix Addressing) 兩端元件 (MIM, Diode) 三端元件 (A-Si:H TFT, Ploy-Si TFT ) Plasma Addressing (PALC) 熱掃描驅動法 (雷射掃描) 光掃描驅動法 (電子速掃描 Date15绿显电子科技 LCDs 靜態驅動法 LC Cell XOR Vs Vc Vsig Vc Vsig Vc Vs Vc-Vs ON OFF Date16绿显电子科技 多工驅動法 (振幅選擇驅動法, APT) 1 2 3 4N 1 2 3 Frame 1Frame 2 F 0 DT 水 平 掃 描 訊 號 +D -D 0 垂 直 影 像 訊 號 Row 1 Row 2 Row 3 Row N Column 1 ON OFF ON OFF F+D F-D F+D F-D +D -D 0 +D -D 0 +D -D 0 +D -D 0 1 2 3 4N Frame 1 液晶畫素電壓 T Date17绿显电子科技 多工驅動法的限制 1.0 1.1 1.2 1.3 100 200 Date18绿显电子科技 APT 驅動波形 Date19绿显电子科技 IAPT 驅動波形 APT AddressingIAPT Addressing Date20绿显电子科技 APT 與 IAPT 方式比較 APT Addressing Low Voltage Segment Driver : 2D High Voltage Common Driver : 2F IAPT Addressing Offset +D for Positive Polarity Offset +F for Negative Polarity Voltage Range of Segment Driver : F+D Voltage Range of Common Driver : F+D Date21绿显电子科技 高容量多工驅動的對策 (a) (b) (c)(d) (e) Date22绿显电子科技 STN LCDs 規格 Operation Voltage Vop : Bias Ratio : Steepness : Selection Ratio : Date23绿显电子科技 STN LCDs 驅動電壓計算 If Voff=2V, N=240 rows, Then : APT : Segment Driver : 2.96V, Common Driver : 44.40V IAPT : Segment & Common Drivers : 23.68V Date24绿显电子科技 STN LCDs Drivers 架構 移位暫存器(Shifter Register) DCLK 串列輸入訊號 .閂鎖暫存器(Latch Register) LP F+D 0 F-D 2D 偏 壓 位 準 DF (HLHL.H) HLHH 並列輸出 垂直訊號電極 2D 02D2D IAPT 參考電壓 IAPT 驅動 IC Date25绿显电子科技 灰階顯示 FRC Frame Rate Control, FRC : Date26绿显电子科技 灰階顯示 PWM Pulse Width Modulation, PWM : Date27绿显电子科技 灰階顯示 PHM Pulse High Modulation, PHM : Date28绿显电子科技 液晶的頻率響應 Date29绿显电子科技 Vertical Crosstalk of STN LCDs Date30绿显电子科技 Horizontal Crosstalk of STN LCDs 垂直驅動訊號 L Line 水平掃描波形 液晶畫素波形 (a) (b) (c) (d) ABAB L Date31绿显电子科技 Frame Response of STN LCDs Date32绿显电子科技 Active Addressing for STN LCDs Date33绿显电子科技 Active Addressing 驅動電壓 If Voff=2V, N=240 rows, Then : F = 0.730 X 2V = 1.460V |G| = 0.954 X 2V = 21.909V Output Range of Segment Driver is about 44V. Common Driver of Common Driver is about 3V. Date34绿显电子科技 Segment Voltage of Active Addressing Date35绿显电子科技 Active Addressing 的矩陣運算 列向量（Column） 時間（Time） 行向量（Row） Bit-Map Image Matrix Row Function Matrix 時間（Time） 列（Column） Column Voltage Matrix Date36绿显电子科技 矩陣運算方式 行（Row） 行向量（Row） 列向量（Column） Bit-Map Image Matrix Row Vector 時間（Time） 列（Column） Time = Dtk 行向量（Row） 列向量（Column） 第j列 Row Function Matrix 時間（Time） 列（Column） Column Vector 垂直序列運算 Column Sequential 時間序列運算 Time Sequential Date37绿显电子科技 Column Sequential 硬體架構 NM 圖框記憶體 NM 圖框記憶體 影像資訊 輸入 Ij N XOR 陣列 N 加法 邏輯 陣列 NM STN LCDs 液晶層間隙4.5um 液晶材料：低黏滯係數 水平驅動函數 唯讀記憶體 Row Function ROM N STN LCDs 垂直驅動 晶片 TFT LCDs 垂直驅動晶片 1轉2 多工器 2轉1 解多工器 Date38绿显电子科技 Time Sequential 硬體架構 NM 圖框記憶體 NM 圖框記憶體 影像資訊 輸入 Ij N XOR 陣列 N 加法 邏輯 陣列 水平驅動函數 唯讀記憶體 Row Function ROM N 1轉2 多工器 2轉1 解多工器 NM圖框緩 衝記憶體 NM圖框緩 衝記憶體 NM STN LCDs 液晶層間隙4.5um 液晶材料：低黏滯係數 STN LCDs 垂直驅動 晶片 TFT LCDs 垂直驅動晶片 N Date39绿显电子科技 主動矩陣式液晶顯示器 AM-LCDs Date40绿显电子科技 TFT LCDs 等效電路 Row Drivers Column Driver Date41绿显电子科技 Arrangement of Color Filter R G B R G B R G B R G B R G B R G B RBG R GBR B G RBG R GBR B G RBG R GBR B G RG GB RG GB RG GB RG GB RG W B RG W B RG W B RG W B Stripe Triangle Date42绿显电子科技 Pixel Structure of TFT LCDs Date43绿显电子科技 Cs on Common 與 Cs on Gate 架構 液晶畫素 TFT Gate Line Data Line Cs Cs 液晶畫素 TFT Common Common Gate Line Data Line Cs Cs Cs on Common Cs on Gate Date44绿显电子科技 Timing Chart of TFT LCDs Frame Time Gate 1 2 3 N Time Date45绿显电子科技 TFT LCDs Driving Method Column InversionDot Inversion Row InversionFrame Inversion Date46绿显电子科技 Direct Driving of TFT LCDs DC Bias of Common GrayScale Voltage V0 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V7 V6 V5 V4 V3 V2 V1 V0 1 Frame / 1 Line Date47绿显电子科技 AC Modulation Addressing of TFT LCDs V0 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V7 V6 V5 V4 V3 V2 V1 V0 Common Waveform Graylevel Voltage 1Frame / 1 Line Date48绿显电子科技 TFT LCDs 的電光效應 Direct Addressing Date49绿显电子科技 TFT LCDs 的電光效應 AC Addressing Date50绿显电子科技 TFT LCDs Driving Waveform Cs on Common (一) TFT LCD 驅動波形 (Cs on Common, Common = DC Bias) Date51绿显电子科技 TFT LCDs Driving Waveform Cs on Common (二) Date52绿显电子科技 TFT LCDs Driving Waveform Cs on Gate Date53绿显电子科技 TFT 電容效應的影響 Pixel Cgd Cgs Csd CsdbCsdb Date54绿显电子科技 液晶電容的效應 液晶電容 CLC 會隨液晶作用電壓的改變而變化，因此 在驅動液晶時會有殘存的 DC 成份，其所造成的影響 ： Image Sticking. Picture Flicker. 液晶作用電壓大時，液晶分子趨向平行電場方向排列 ： 液晶作用電場小時，液晶分子趨向垂直電場方向排列 ： Date55绿显电子科技 二階驅動方式的效應 CsClc Cgd Csd Cgs Vct Ch(N-1) Ch(N) Vs垂直影像訊號 水平掃描訊號Vg 水平掃描訊號Vg Vsh Vsl Vst Vth Vth 正極性驅動 負極性驅動 負極性驅動 正極性驅動 資料驅動晶片 輸出訊號電位 液晶畫素電位 Vct=Vst-Vp Vp Black(+) White(+) White(+) Black(+) Black(-) Black(-) White(-) White(-) Date56绿显电子科技 TFT 補償驅動法 Ch(N-1) Ch(N) Vst=Vct 影像訊號 波形 Vs 水 平 脈 波 掃 描 波 形 Vge Vge Vghl Ch(N-1) Ch(N) Vst 影像訊號 波形Vs Vge(+) Vge(-) Vghl Vghl 3 Level Addressing 4 Level Addressing Date57绿显电子科技 3 Level Addressing B(+) W(-) B(-) W(+) 正極性 負極性 Vst=Vct B(+) B(-) W(+) W(-) B(+) W(-) B(-) W(+) Vp=CgdVghl/Ct 正極性 負極性 正極性 Ct=Cs+Clc+Cgd 負極性 CsVge/Ct CsVge/Ct Date58绿显电子科技 4 Level Addressing Vst=Vct B(+) B(-) B(-) B(+) W(+) W(+) W(-) W(-) B(+)W(-) B(-)W(+) Vp(+) Vp(-) Vp=CgdVghl/Ct CsVge(-)/Ct CsVge(+)/Ct 正極性 負極性 正極性 負極性 Ct=Cs+Clc+Cgd Date59绿显电子科技 Cs on Gate 電壓補償方式 經由 Cs 將前一條水平脈波的補償波形 耦合到動作的液晶畫素, 補償 Cgd 造成 的電壓漂移及改善液晶畫素內的直流電 電壓殘餘. 經由 TFT 的 Cgd 造成的電壓漂移 經由 TFT 的 Cgd 造成的電壓漂移 Date60绿显电子科技 Comparsion of Addressing Method Date61绿显电子科技 Horizontal Line Crosstalk AB CscCscCsc TFT Substrate Color Filter Substrate Date62绿显电子科技 Horizontal Area Crosstalk AB Date63绿显电子科技 Vertical Area Crosstalk Up Low Up Low Date64绿显电子科技 Shading Crosstalk Date65绿显电子科技 Gate Pulse 的傳遞延遲 Gate (Scan) Line 的等效阻抗為一連串的串聯 RC 網路 ，因此 Gate Pulse 在傳遞時會造成波形的傳遞延遲失真 。 R C R C R C R C N Date66绿显电子科技 液晶畫素邊際電場效應(一) Reverse Tilt 畫素電極鄰近電極 共通電極 VPVLVA VA VL : Disclination Disappeared VP LC Threshold Voltage Reverse Tilt Date67绿显电子科技 液晶畫素邊際電場效應(二) TFT 水平驅動電極 垂直驅動電極 Rubbing Direction Disclination Line Reverse Tilt Domain 改善方法 1.增加液晶分子的 預傾角(Pretilt Angle) 2.增加 Black Mask 的 遮蔽面積 Date68绿显电子科技 驅動 IC Scan Driver Bidirectional Shift Register Level Shift Circuit Output Buffer G1 G2 G3 . STVRSTVL CPV R/L VDDD VSSD VDDA VSSA STVR STVL G1 G2 Gx Date69绿显电子科技 Serial In Serial Out Analog Data Driver Select Data jData j+1 Multiplexer Pro:Very simple. Fewer external connections. Con:Many analog inputs. Reduced pixel charging time. System Note : Sample clock : (Dot clock) / N, N Phases. Video Phase : N Shift Register Video In QiQi+1 Variation on Multiplexer Pro:Video Input. Con:Fast data line charging needed. Reduced pixel charging time. System Note: Shift Clock : (Dot Clock) / 3 for Mono. Video Phase : 3 for Mono. Sample and Hold Date70绿显电子科技 Serial In Parallel Out Analog Data Driver (一) Shift Register QiQi+1Qi+2Qi+3 Video In Transfer Double Sample and Hold / Single Phase Sample NSample N+1Sample N+2TTT NN+1N+2 Out N-1Out NOut N+1 Pro:Video Input. Small load on fast sample-and-holds. Full line time to charge pixel. Con:Complex analog circuit. Physical size. System Note : Shift Clock : Dot Clock. Video Phase : Single Phase. Date71绿显电子科技 Serial In Parallel Out Analog Data Driver (二) Shift Register QiQi+1 Video In Transfer Double Sample and Hold / Multi-Phase Por : Reduced operation frequency . System Note : Video In : N Video Phase : N Shift Clock : (Dot Clock) / N. Date72绿显电子科技 Digital Data Driver (一) Shift Register DACDACDACDACDAC Serial Data Bus Digital-to-analog Converters Por : Digital input. Con : Complex. Requires sufficient precision to correct for LC response variation. Shift Register Count Count Count Count Count Ramp In Sampled Ramp Por : Digital input. Programmable ramp. Con : Complex circuit. High speed digital circuits. Reduced pixel charging time. Date73绿显电子科技 Digital Data Driver (二) Shift Register DecodeDecode External Fixed voltages 1-of-n Selector Simple DAC Pro : Digital input. Programmable external voltages. Con : Complex circuit. High speed digital circuits. Many pass gates per data line. Date74绿显电子科技 Digital Data Driver (三) All Digital Circuit Date75绿显电子科技 Gamma Correction of LCD X Y 取像元件 取像電路顯像電路 顯像元件 攝像機測受像機測 Analog Correction : 2 3 Segment Approach. Digital Correction : External fixed voltage. Date76绿显电子科技 Gamma Correction Simple Case X Y 取像元件 取像電路 顯像電路 顯像元件 攝像機測受像機測 Transmission Voltage Date77绿显电子科技 The Block Diagram of the TFT LCD Module CCFL Backlight TFT-LCD PANEL Timing Controller Scan Driver Data Driver RGB CLK Hsx Vsx TFTLCD Module Date78绿显电子科技 The TFT LCD Module Type Classified into two kinds by data driver Analog type TFT-LCD module The analog data drivers The analog interface to PC Only NEC Digital type TFT-LCD module The digital data drivers The ADC/ LVDS/PanelLink interface to PC Mainstream Date79绿显电子科技 The Analog Interface Graphics Controller TFT-LCD PANEL Timing Controller Scan Driver Analog Data Driver Hs Vs Analog RGB Analog RGB CLK Hsx Vsx PreAmp Level Shifter ControllerPLL PCAnalog ModuleTFTLCD Module OSD CCFL Backlight Date80绿显电子科技 The ADC Interface Graphics Controller TFT-LCD PANEL Timing Controller Scan Driver Digital Data Driver Hs Vs Analog RGB Digital RGB CLK Hsx Vsx ADCBuffer ControllerPLL PCADC ModuleTFTLCD Module OSD CCFL Backlight Date81绿显电子科技 The LVDS/PanelLink Interface Graphics Controller LVDS/ PanelLink Tx LVDS/ PanelLink Rx TFT-LCD PANEL Timing Controller Scan Driver CABLE Clock Hs Vs Digital RGB Digital RGB Clock Hs Vs PCTFT-LCD Module Digital Data Driver CCFL Backlight Date82绿显电子科技 Analog/ADC/LVDS/PanelLink Analog Interface True Color Sampling Error Low Edge Sharpness Noise in the Analog Signal Transmission Date83绿显电子科技 Analog/ADC/LVDS/PanelLink ADC Interface Mainstream in the Desktop LCD Monitor Interface Sampling Error Low Edge Sharpness Noise in the Analog Signal Transmission EMI Issue for High Resolution Format Low Image Quality and High Cost Date84绿显电子科技 Analog/ADC/LVDS/PanelLink LVDS Interface Mainstream in the Notebook PC Int