TFT LCD液晶显示器的驱动原理.doc

TFT LCD液晶顯示器的 驅動原理(一)謝崇凱前兩期針對液晶的特性與TFT LCD本身結構介紹了有關液晶顯示器操作的基本原理。這次將針對TFT LCD的整體系統面，也就是對其驅動原理來做介紹，而其驅動原理仍然因為一些架構上差異的關係而有所不同。首先將介紹由於Cs(storage capacitor)儲存電容架構不同，所形成不同驅動系統架構的原理。Cs(storage capacitor)儲存電容的架構一般最常見的儲存電容架構有兩種，分別是Cs on gate與Cs on common這兩種。顧名思義，兩者的主要差別在於儲存電容是利用gate走線或是common走線來完成。在上一期文章中曾提到，儲存電容主要是為了讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候之用，所以必須像在CMOS的製程之中，利用不同層的走線來形成平行板電容。而在TFT LCD的製程中，則是利用顯示電極與gate走線或common走線所形成的平行板電容，來製作出儲存電容Cs。如果圖不清楚，請看/album/43/69/51466943/431163.jpg圖1就是這兩種儲存電容架構，圖中可以很明顯地知道，Cs on gate由於不必像Cs on common需要增加一條額外的common走線，所以其開口率(Aperture ratio)比較大。而開口率的大小是影響面板的亮度與設計的重要因素，所以現今面板的設計大多使用Cs on gate的方式。但是由於Cs on gate方式的儲存電容是由下一條的gate走線與顯示電極之間形成的(請見圖2中Cs on gate與Cs on common的等效電路)，而gate走線就是接到每一個TFT的gate端的走線，主要是作為gate driver送出信號來打開TFT，好讓TFT對顯示電極作充放電的動作。所以當下一條gate走線送出電壓要打開下一個TFT時，便會影響到儲存電容上儲存電壓的大小。不過由於下一條gate走線打開到關閉的時間很短(以1024 x 768解析度，60Hz更新頻率的面板來說。一條gate走線打開的時間約為20s，而顯示畫面更新的時間約為16ms，所以相較下影響有限)，所以當下一條gate走線關閉，回復到原先的電壓，則Cs儲存電容的電壓，也會隨之恢復到正常。這也是為什麼大多數的儲存電容設計都是採用Cs on gate的方式的原因。至於common走線，在這邊也需要順便介紹一下。從圖2中可以發現，不管採用怎樣的儲存電容架構，Clc的兩端都是分別接到顯示電極與common。既然液晶是充滿在上下兩片玻璃之間，而顯示電極與TFT都是位在同一片玻璃上，則common電極很明顯的就是位在另一片玻璃之上。如此一來，由液晶所形成的平行板電容Clc，便是由上下兩片玻璃的顯示電極與common電極所形成。而位於Cs儲存電容上的common電極則是另外利用位於與顯示電極同一片玻璃上的走線，這跟Clc上的common電極是不一樣的，只不過它們最後都是接到相同的電壓就是了。整塊面板的電路架構從圖3中可以看到整片面板的等效電路，其中每一個TFT與Clc跟Cs所並連的電容代表一個顯示的點。而一個基本的顯示單元pixel則需要三個這樣顯示的點，分別代表RGB三原色。以一個1024 x 768解析度的TFT LCD來說，共需要1024 x 768 x 3個這樣的點組合而成。整片面板的大致結構就是這樣，然後再藉由如圖3中gate driver所送出的波形，依序將每一行的TFT打開，好讓整排的source driver同時將一整行的顯示點充電到各自所需的電壓，以顯示不同的灰階。當這一行充好電時，gate driver便將電壓關閉，然後下一行的gate driver便將電壓打開，再由相同的一排source driver對下一行的顯示點進行充放電。如此依序下去，當充好了最後一行的顯示點，便又回過來從頭從第一行再開始充電。以一個1024 x 768 SVGA解析度的液晶顯示器來說，總共會有768行的gate走線，而source走線則共需要1024 x 3=3072條。以一般的液晶顯示器多為60Hz的更新頻率來說，每一個畫面的顯示時間約為1/60=16.67ms。由於畫面的組成為768行的gate走線，所以分配給每一條gate走線的開關時間約為16.67ms/768=21.7s。所以在圖3 gate driver送出的波形中，就可以看到這些波形為一個接著一個寬度為21.7s的脈波，依序打開每一行的TFT。而source driver則在這21.7s的時間內，經由source走線，將顯示電極充放電到所需的電壓，好顯示出相對應的灰階。面板的各種極性變換方式由於液晶分子還有一種特性，就是不能夠一直固定在某一個電壓不變，不然時間久了，即使將電壓取消掉，液晶分子會因為特性的破壞而無法再因應電場的變化來轉動，以形成不同的灰階。所以每隔一段時間，就必須將電壓恢復原狀，以避免液晶分子的特性遭到破壞。但是如果畫面一直不動，也就是說畫面一直顯示同一個灰階的時候怎麼辦？所以液晶顯示器內的顯示電壓就分成了兩種極性，一個是正極性，而另一個是負極性。當顯示電極的電壓高於common電極電壓時，就稱之為正極性。而當顯示電極的電壓低於common電極的電壓時，就稱之為負極性。不管是正極性或是負極性，都會有一組相同亮度的灰階。所以當上下兩層玻璃的壓差絕對值是固定時，不管是顯示電極的電壓高，或是common電極的電壓高，所表現出來的灰階是一模一樣的。不過這兩種情況下，液晶分子的轉向卻是完全相反，也就可以避免掉上述當液晶分子轉向一直固定在一個方向時，所造成的特性破壞。也就是說，當顯示畫面一直不動時，我們仍然可以藉由正負極性不停的交替，達到顯示畫面不動，同時液晶分子不被破壞掉特性的結果。所以當您所看到的液晶顯示器畫面雖然靜止不動，其實裡面的電壓正在不停的作更換，而其中的液晶分子正不停的一次往這邊轉，另一次往反方向轉呢！圖4就是面板各種不同極性的變換方式，雖然有這麼多種的轉換方式，它們有一個共通點，都是在下一次更換畫面資料的時候來改變極性。以60Hz的更新頻率來說，亦即每16ms更改一次畫面的極性。也就是說，對於同一點而言，它的極性是不停的變換的。而相鄰的點是否擁有相同的極性，那可就依照不同的極性轉換方式來決定了。首先是frame inversion，其整個畫面所有相鄰的點，都是擁有相同的極性；而row inversion與column inversion則各自在相鄰的行與列上擁有相同的極性；另外在dot inversion上，則是每個點與自己相鄰的上下左右四個點，是不一樣的極性；最後是delta inversion，由於它的排列比較不一樣，所以它是以RGB三個點所形成的pixel作為一個基本單位，當以pixel為單位時，它就與dot inversion很相似了，也就是每個pixel與自己上下左右相鄰的pixel，是使用不同的極性來顯示的。Common電極的驅動方式圖5及圖6為兩種不同的Common電極的電壓驅動方式，圖5中Common電極的電壓是一直固定不動的，而顯示電極的電壓卻是依照其灰階的不同，不停的上下變動。圖5中是256灰階的顯示電極波形變化，以V0這個灰階而言，如果您要在面板上一直顯示V0這個灰階的話，則顯示電極的電壓就必須一次很高，但是另一次卻很低的這種方式來變化。為什麼要這麼複雜呢？如同前面所提到的原因一樣，這是為了讓液晶分子不會一直保持在同一個轉向，而導致物理特性的永久破壞。因此在不同的frame中，以V0這個灰階來說，其顯示電極與common電極的壓差絕對值是固定的，所以它的灰階也一直不曾更動。只不過位在Clc兩端的電壓，一次是正的，稱之為正極性，而另一次是負的，稱之為負極性。為了達到極性不停變換這個目的，也可以讓common電壓不停地變動，同樣也可以達到讓Clc兩端的壓差絕對值固定不變，而灰階也不會變化的效果，而這種方法，就是圖6所顯示的波形變化。這個方法只是將common電壓一次很大、一次很小的變化。當然啦，它一定要比灰階中最大的電壓還大，而電壓小的時候則要比灰階中最小的電壓還要小才行。而各灰階的電壓與圖5中的一樣，仍然要一次大一次小的變化。這兩種不同的Common驅動方式影響最大的就是source driver的使用。以圖7中的不同Common電壓驅動方式的穿透率來說，當common電極的電壓是固定不變的時候，顯示電極的最高電壓需要到達common電極電壓的兩倍以上。而顯示電極電壓的提供，則是來自於source driver。如果土不清楚：請參閱：/album/43/69/51466943/s_431285.jpg.gif以圖7中common電極電壓若是固定於5伏特的話，則source driver所能提供的工作電壓範圍就要到10伏特以上。但是如果common電極的電壓是變動的話，假使common電極電壓最大為5伏特，則source driver的最大工作電壓也只要為5伏特就可以了。就source driver的設計製造來說，需要越高電壓的工作範圍，製程與電路的複雜度相對會提高，成本也會因此而加高。面板極性變換與common電極驅動方式的選用並不是所有的面板極性轉換方式都可以搭配上述兩種common電極的驅動方式。當common電極電壓固定不變時，可以使用所有的面板極性轉換。但如果common電壓是變動的話，則面板極性轉換就只能選用frame inversion與row inversion。(請見表1)也就是說，如果想使用column inversion或是dot inversion的話，就只能選用common電極電壓固定不動的驅動方式。為什麼呢？之前曾經提到common電極是位於跟顯示電極不同的玻璃上，在實際的製作上時，其實這一整片玻璃都是common電極。也就是說，在面板上所有顯示點的common電壓是全部接在一起的。其次由於gate driver的操作方式是將同一行的所有TFT打開，好讓source driver去充電，而這一行的所有顯示點，它的common電極都是接在一起的，所以如果選用common電極電壓是可變動的方式，是無法在一行TFT上同時做到顯示正極性與負極性的。而column inversion與dot inversion的極性變換方式，在一行的顯示點上要求每個相鄰的點擁有不同的正負極性。這也就是為什麼common電極電壓變動的方式僅能適用於frame inversion與row inversion的緣故。而common電極電壓固定的方式就沒有這些限制，因為其common電壓一直固定，只要source driver能將電壓充到比common大就可以得到正極性，比common電壓小就可以得到負極性，所以common電極電壓固定的方式，可以適用於各種面板極性的變換方式。各種面板極性變換的比較現在常見使用在個人電腦上的液晶顯示器，所使用的面板極性變換方式大部分都是dot inversion。為什麼呢？原因無它，因為dot inversion的顯示品質相對於其他的面板極性變換方式好太多了。表2是各種面板極性變換方式的比較表。所謂Flicker的現象，就是當你看液晶顯示器的畫面上時，畫面會有閃爍的感覺。它並不是故意讓顯示畫面一亮一滅來做出閃爍的視覺效果，而是因為顯示的畫面灰階在每次更新畫面時，會有些微的變動，讓人眼感受到畫面在閃爍。這種情況最容易發生在使用frame inversion的極性變換方式，因為frame inversion整個畫面都是同一極性，當這次畫面是正極性時，下次整個畫面就都變成了是負極性。假若使用common電壓固定的方式來驅動，而common電壓又有了一點誤差(請見圖8)， 如果土不清楚：請參閱：/album/43/69/51466943/s_431289.jpg.gif這時候正負極性的同一灰階電壓便會有差別，當然灰階的感覺也就不一樣。在不停切換畫面的情況下，由於正負極性畫面交替出現，就會感覺到Flicker的存在。而其他面板的極性變換方式雖然也會有此flicker的現象，但由於不像frame inversion是同時整個畫面一齊變換極性，只有一行或是一列，甚至是一個點變化極性而已，以人眼的感覺來說，比較不明顯。至於crosstalk的現象，就是相鄰的點之間要顯示的資料會影響到對方，以致於顯示的畫面會有不正確的狀況。雖然crosstalk的現象成因有很多種，只要相鄰點的極性不一樣，便可以減低此一現象的發生。綜合這些特性可知，為何大多數人都使用dot inversion了。面板極性變換方式，對於耗電也有不同的影響。不過它在耗電上需要考量其搭配的common電極驅動方式。一般來說，common電極電壓若是固定，其驅動common電極的耗電會比較小。但是由於搭配common電壓固定方式的source driver其所需的電壓比較高，反而在source driver的耗電會比較大。但如果使用相同的common電極驅動方式，source driver的耗電就要考量其輸出電壓的變動頻率與變動電壓大小。在此種情形下，source driver的耗電會有dot inversionrow inversioncolumn inversionframe inversion的狀況。不過現今由於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的耗電就會比較小。也就是說由於source driver在結構及電路上的改進，雖然先天上它的輸出電壓變動頻率最高也最大(變動電壓最大接近10伏特，而row inversion面板由於多是使用common電極電壓變動的方式，其source driver的變動電壓最大只有5伏特，耗電上會比較小)，但dot inversion面板的整體耗電已經減低很多了。這也就是為什麼大多數的液晶顯示器都是使用dot inversion的方式。TFT LCD液晶顯示器的驅動原理(二)【謝崇凱】 2002.11(第一篇見199期P165) 前期跟大家介紹液晶顯示器的驅動原理中有關儲存電容架構、面板極性變換方式，以及common電壓的驅動方式。這次我們延續上次的內容，繼續針對feed through電壓，以及二階驅動的原理來做介紹。簡單來說Feed through電壓主要是由於面板上的寄生電容而產生的，而所謂三階驅動的原理就是為瞭解決此一問題而發展出來的解決方式，不過我們這次只介紹二階驅動，至於三階驅動甚至是四階驅動則留到下一次再介紹。在介紹feed through電壓之前，我們先解釋驅動系統中gate driver所送出波形的timing圖。SVGA解析度的二階驅動波形 我們常見的1024*768解析度的螢幕，就是我們通常稱之為SVGA解析度的螢幕。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來負責推動。而在Y軸上，會有768行。這768行，就由3顆256輸出channel的gate driver來負責驅動。圖1就是SVGA解析度的gate driver輸出波形的timing圖。圖中gate 1 768分別代表著768個gate driver的輸出。以SVGA的解析度，60Hz的畫面更新頻率來計算，一個frame的週期約為16.67 ms。對gate 1來說，它的啟動時間週期一樣為16.67ms。而在這16.67 ms之間，分別需要讓gate 1 768共768條輸出線，依序打開再關閉。所以分配到每條線打開的時間僅有16.67ms/768=21.7s而已。所以每一條gate driver打開的時間相對於整個frame是很短的，而在這短短的打開時間之內，source driver再將相對應的顯示電極充電到所需的電壓。而所謂的二階驅動就是指gate driver的輸出電壓僅有兩種數值，一為打開電壓，一為關閉電壓。而對於common電壓不變的驅動方式，不管何時何地，電壓都是固定不動的。但是對於common電壓變動的驅動方式，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。為什麼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(經由Cgd或是Cs)，以及common電壓變化(經由Clc或是Cs+Clc)。Cs on common架構 com mon電壓固定不動的feed thr ough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下，造成feed through電壓的主因就只有gate 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，相對於每個frame的時間比例是不正確的。在此我們是為了能仔細解釋每個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，依序將768個gate driver走線打開的。所以每個gate走線打開的時間，相對於一個frame的時間，是很短的。當gate走線打開或關閉的那一瞬間，電壓的變化是最激烈的，大約會有3040伏特，再經由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的發生，跟一般的CMOS電路一樣，是位於MOS的gate與drain端的寄生電容。但是由於在TFT LCD面板上gate端是接到gate driver輸出的走線，因此一但在gate driver輸出走線上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Frame N的gate走線打開時，會產生一個向上的feed through電壓到顯示電極之上。不過此時由於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gate走線關閉的時候，由於source driver已經不再對顯示電極充電，所以gate driver關閉時的電壓壓降(3040伏特)，便會經由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，由於此時source driver已經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走線上的電壓再打開的時後。所以這個feed through電壓對於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gate driver走線打開的那一瞬間，也會對顯示電極產生一個向上的feed through電壓，不過這時候由於gate已經打開的緣故，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gate走線再度關閉的時候，向下的feed through電壓便會讓處在負極性的顯示電極電壓再往下降，而且受到影響的負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，可以推導出feed through電壓為(Vg2 - Vg1) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs)。假設Cgd=0.05pF，而Clc=0.1pF， Cs=0.5pF且gate走線從打開到關閉的電壓為 -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的解析度而言，若是8 bit解析度則僅有3到5 mV而已)。因此feed through電壓影響灰階是很嚴重的。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期的來得更亮，而負極型的灰階會比原先預期的來得更暗。不過恰好feed through電壓的方向有一致性，所以我們只要將common電壓向下調整即可。從圖2中我們可以看到，修正後的common電壓與原先的common電壓的壓差恰好等於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，由於其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，經由Clc+Cs的電容，便會影響到顯示電極的電壓。且由於整個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，但是對於灰階的影響卻沒有像gate電壓變化來的大。怎麼說呢？如果我們使用跟前面一樣的電容參數值，再套用圖6所推導出來的公式，再假設Common電壓由0伏特變到5伏特，則common電壓變化所產生的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麼多電壓，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。且由於它所產生的feed through電壓有對稱性，不像Gate走線所產生的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影響會比較小。當然，雖然比較小，但是由於對整個LCD面板的橫向的768行來說，common電壓變化所發生的時間點，跟gate走線打開的時間間隔並不一致，所以對整個畫面的灰階影響是不一樣的。這樣一來，就很難做調整以便改進畫面品質，這也是為什麼common電壓變動的驅動方式，越來越少人使用的緣故。Cs on gate架構 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。它並沒有common電壓變化所造成的feed through電壓，它只有由於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走線打開經由Cgd產生的feed through電壓，另一個則是上一條gate走線打開時，經由Cs所產生的feed through電壓。經由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。但是經由Cs的feed through電壓，是因為Cs on gate的關係，如圖3所示。Cs on gate的架構，它的儲存電容另一端並不是接到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，不過當前一條gate走線關閉時，這個feed through電壓也會隨之消失。而且前一條gate走線從打開到關閉，以SVGA解析度的螢幕來說，約只有21.7us的時間而已。相對於一個frame的時間16.67ms是很短的。再者當前一條gate走線的feed through電壓影響顯示電極後，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值。從這種種的結果看來，前一條gate走線的電壓變化，對於我們的顯示電極所表現的灰階，幾乎是沒有影響的。因此對於Cs on gate且common電壓固定不動的驅動方式來說，影響最大的仍然是gate走線上電壓變化經由Cgd產生的feed through電壓，而其解決方式跟前面幾個一樣，只需將common電壓往下調整即可。common電壓變動的feed through電壓 圖9是Cs on gate架構且common電壓變動的feed through電壓波形圖。這樣子的架構，剛好有了前面3種架構的所有缺點，那就是gate走線經由Cgd的feed through電壓，和前一條gate走線經由Cs的feed through電壓，以及Common電壓變化經由Clc的feed through電壓。可想而知，在實際的面板設計上幾乎是沒有人使用這種架構的。而這4種架構中最常用的就是 Cs on gate架構且common電壓固定不動的架構。因為它只需要考慮經由Cgd的feed through電壓，而Cs on gate的架構可得到較大的開口率的緣故。二階驅動(Two level addres sing)的效應 前面四種架構討論的其實都是針對二階驅動方式所產生的影響。所謂的二階驅動方式，是指gate driver的輸出電壓只有兩種，分別是打開跟關閉的電壓。但是二階的驅動方式最大的缺點，就是在gate走線上電壓關閉時，經由Cgd產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的輸出電壓範圍，因為feed through電壓的關係，造成在顯示電極上的電壓範圍與原先預期的不一致。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電容大小並不是一個固定值，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，連帶的會影響所產生的feed through電壓也跟著不一樣。於是對於common電壓的調整就不容易達到各個灰階表現都很好的結果，影像的品質便會打了折扣。而三階驅動的方法就是為了改善這個現象而產生的，利用three level的gate driver，讓經由Cgd與Cs的feed through電壓互相抵消。既然沒有了feed through電壓，就不用再調整common電壓了。不過這種三階驅動的方式，只能使用於Cs on gate的架構。至於三階驅動，乃至四階驅動的原理，我們留到下次再跟大家介紹。TFT LCD液晶顯示器的驅動原理(三)【謝崇凱】2002.12上次跟大家介紹液晶顯示器的二階驅動原理，以及因為feed through電壓所造成的影響。為瞭解決這些現象，於是有了三階驅動甚至於四階驅動的設計。接下來我們先針對三階驅動的原理作介紹。三階驅動適用於Cs on Gste 二階驅動的原理中，雖然有各種不同的feed through電壓，但是影響最大的仍是經由Cgd所產生的feed through電壓，也因此在二階驅動時需要調整common電壓，以改進灰階品質。但是由於Clc並非是一個固定的參數，讓調整common電壓以便改進影像品質目的不易達成。因此便有了三階驅動的設計，期望在不必變動common電壓的情形下，將feed through電壓補償回來。三階驅動的基本原理是利用經由Cs的feed through電壓，補償經由Cgd所產生的feed though電壓。也就是因為需要利用Cs來補償，所以三階驅動的方法只能使用在面板架構為Cs on gate的方式。圖1就是三階驅動gate driver電壓的波形，從這個三階驅動的波形中我們可以知道，三階驅動波形跟二階驅動不一樣的是，它的gate driver驅動波形之中，會有三種不 一樣的電壓。當gate driver關閉時，會將電壓拉到最低的電壓，等到下一條的gater driver走線也關閉後，再將電壓拉回。而這個拉回的電壓，就是為了去補償下一條線的feed through電壓。也就是說，每一條gate driver走線關閉時，經由Cgd所產生的feed through電壓，是由上一條走線將電壓拉回時，經由Cs所產生的feed through電壓來補償。既然是經由拉回的電壓來補償，那拉回電壓的大小要如何計算呢？上次有提到feed through電壓的計算方式，我們可以依照上次的公式來計算所需的電壓 :經Cgd的Feed through電壓 = (Vg_high - Vg_low)Cgd / (Cgd + Clc + Cs) ; Vg_high與Vg_low分別為gate driver走線打開與關閉的電壓。經Cs的Feed through電壓 = (Vp2 - Vp1)Cs / (Cgd + Clc + Cs)；Vp2與Vp1分別為上一條gate走線拉回前與拉回後的電壓。如果需要兩者互相抵消，則經Cgd的Feed through電壓需要等於經Cs的Feed through電壓。所以需拉回的電壓為Ve=Vp2-Vp1=(Vg_high - Vg_low)Cgd / Cs ，而從圖1中我們知道Vg_high - Vg_low= Vg + Ve，所以需拉回的電壓Ve= (Vg + Ve) Cgd / Cs，也就是Ve= VgCgd / Cs - Cgd。從上述的公式推導中，我們發現雖然Clc會影響feed through電壓的大小，但是藉由三階驅動的方式，Clc的影響就不見了。因此當我們在面板製程與gate drvier的打開電壓確定之後，就可以精確地計算出所需要的拉回電壓了。掌握拉回電壓 即可補償電壓分佈圖2是三階驅動的電壓分佈示意圖。我們可以看到最左邊的是由source driver所輸出的電壓分佈，這是顯示電極所充電電壓的最原始狀況。而中間的電壓分佈，就是顯示電極受到經由Cgd的feed through電壓影響的變化。一般二階驅動就是只有到這裡，所以需要修正common電壓的大小，以便減少灰階的失真程度。而三階驅動藉由Cs的feed through電壓影響的情形，則可以由最右邊的電壓分佈來看出。在這時候，只要拿捏好拉回電壓Ve的大小，便可以將原本受到經由Cgd的feed through電壓影響的電壓分佈，補償到跟最左邊的電壓分佈一樣，如此一來就不必再去修正common電壓的大小了。圖3是三階驅動的電壓波形圖。正如先前所說過的，由於三階驅動需要利用前一條的gate driver走線來補償，所以只能使用於Cs on gate的架構。而且由於有電壓補償的關係，common電壓就不必再做修正了。在圖3中，屬於gate driver電壓有兩種，一個是前一條gate driver的電壓波形，用虛線來表示。而用實線表示的是屬於打開顯示電極電壓波形的gate driver走線電壓。從此圖形可以知道，實線的gate driver走線關閉時，會經由Cgd產生一個feed through電壓，而這個向下的電壓偏移量，在前一條gate driver走線的拉回電壓經Cs所產生的feed through電壓影響後，便可以讓顯示電極恢復到原先的電壓準位。而前一條gate driver走線經由Cs的Feed through電壓還有另一種狀況，那就是在前一條gate driver走線打開時所產生的feed through電壓，這個電壓值雖然很大，不過由於其影響的時間，相對於整個frame來說，相當的短，因此對顯示畫面並不會有多大的影響。設計拉回電壓使用兩次的feed through電壓補償 圖4是使用三階驅動針對gate driver走線電壓變動所形成的feed through電壓，更仔細地顯示電極電壓波形圖。跟圖3不一樣的是，這個圖形有考慮到當gate driver走線電壓拉回時經由Cgd所造成的feed through電壓。原本拉回電壓是為了補償下一條gate driver走線上的顯示電極，但是它的副作用就是也會對gate driver走線所在位置的顯示電極產生影響。所以拉回電壓的設計考量，並不是一次將所有電壓補償回來，而是使用兩次的feed through電壓補償。一次是上一條gate driver走線經由Cs的feed through電壓來補償，一次則藉由顯示電極所在位置的gate driver走線，它的拉回電壓經由Cgd的feed through電壓來補償。總括來說，使用三階驅動的方式比起二階驅動的方式來說，可以不用調整common電壓就可以克服feed through電壓的影響。而且也可以避免由於Clc的非線性關係所造成的灰階問題。不過跟底下要介紹的四階驅動比較起來，它仍然需要使用較高輸出電壓的source driver。接下來要介紹的四階驅動，它在common電壓固定不變的狀況下，並不需要使用高電壓輸出的source driver，就可以達到分別出正負極性電壓的結果了。四階驅動不需使用高壓輸出Source Driver即可正負分壓 圖5是四階驅動gate driver走線的電壓基本波形。我們可以看到負責正極性與負極性的gate driver走線電壓是不一樣的。負責負極性的gate driver走線電壓在電壓關閉時，會往下拉到一個比一般關閉時的電壓更低的準位，等到下一條走線的電壓關閉後，再將電壓拉回到一般關閉電壓的準位。而負責正極性的gate driver走線電壓則是在電壓關閉時，電壓並沒有一口氣拉到一般關閉的電壓位準，而是等到下一條gate driver走線關閉後，再將電壓下拉到一般關閉的電壓準位。而這兩種極性的電壓位準總共有打開的電壓、關閉的電壓、比關閉電壓高的位準以及比關閉電壓更低的電壓，總共4種。這是為什麼叫做四階驅動的原因。從圖5來看，我們會發現，同樣一條gate driver走線上的顯示電極，都必須屬於同一種顯示的極性，不是正極性，就是負極性。因此採用四階驅動就只能使用line inversion的顯示方式。不過這樣一來，跟使用dot inversion驅動方式的面板來說，顯示畫面的品質變會變得更差，flicker與cross talk的效應會更明顯。這也是為什麼四階驅動很少有人使用的緣故，雖然四階驅動可以使用驅動電壓較低的source driver，但是它的gate driver複雜度升高，而且畫面品質下降，當然想要讓四階驅動的面板使用dot inversion並不是不可以，只是需要更改面板上的TFT薄膜電晶體的配置方式，以及加大顯示控制器內的記憶體大小，來同時儲存兩條gate driver走線上的所有顯示電極的資料，整個硬體的複雜度會更高，成本又會加大，比較起來倒不如使用line inversion且common電壓變動的面板極性顯示方式。四階驅動原理簡單來說，是利用前一個gate driver走線經由Cs的feed through電壓，在正極性時將顯示電極的電壓提升到很高的電壓，而在負極性時將顯示電極的電壓，下拉到很低的電壓，以便將顯示電極的電壓分別出給正極性或是負極性的電壓位準之用。如此一來，source driver的驅動電壓範圍雖然不大，但是卻可以同時給正極性以及負極性的顯示電極電壓來用。Gate driver走線電壓變化可形成正負極性兩種電壓 圖6是四階驅動的電壓分佈示意圖，圖中最左邊的是source driver輸出電壓的範圍。不管是正極性的畫面，或是負極性的畫面，都是使用相同的輸出電壓範圍。因此使用於四階驅動的source driver，其輸出電壓範圍比起一般的source driver要小的多。圖6中間則是受到gate driver走線關閉時，經由Cgd的feed through電壓影響的顯示電極電壓範圍，而圖6右邊則是最後分別出正負極性的顯示電壓範圍。從圖中我們可以知道，因為受到經過Cgd的feed through電壓影響，若是要將正負極性的電壓範圍分開的話，對於正極性的電壓範圍，往上提升的電壓會比較大，其往上提升的電壓，是由上一條gate drive走線電壓往上拉經由Cs的feed through電壓來形成。因為所需的電壓比較大，所以上一條gate driver走線上的拉回電壓也比較大。而對於負極性的顯示電壓範圍的形成，也是利用上一條gate driver走線上的電壓變化來完成。跟正極性的顯示電極電壓不一樣的是，它需要的是下拉的feed through電壓，以便形成負的顯示電極電壓範圍。它所需要的下拉電壓 跟正極性的上拉電壓比較起來會比較小。不過對於調整後正負極性的顯示電壓範圍來說，它們相對於common電壓