LCDTFT培训教材

1、2007年08月12日1 2007年08月12日2n首先我们来介绍由于首先我们来介绍由于Cs(storage capacitor)储存电容架构不同储存电容架构不同, 所形成不同驱动系统架构的原理所形成不同驱动系统架构的原理. nCs(storage capacitor)储存电容的架构储存电容的架构n 一般最常见的储存电容架构有两种一般最常见的储存电容架构有两种, 分别是分别是Cs on gate与与Cs on common这两种这两种. 这两种顾名思义就可以知道这两种顾名思义就可以知道, 它的主要差它的主要差别就在于储存电容是利用别就在于储存电容是利用gate走线或是走线或是common走线来

2、完成的走线来完成的. 在上一篇文章中在上一篇文章中, 我曾提到我曾提到, 储存电容主要是为了让充好电的储存电容主要是为了让充好电的电压电压,能保持到下一次更新画面的时候之用能保持到下一次更新画面的时候之用. 所以我们就必须所以我们就必须像在像在CMOS的制程之中的制程之中, 利用不同层的走线利用不同层的走线, 来形成平行板电来形成平行板电容容. 而在而在TFT LCD的制程之中的制程之中, 则是利用显示电极与则是利用显示电极与gate走线走线或是或是common走线走线,所形成的平行板电容所形成的平行板电容,来制作出储存电容来制作出储存电容Cs. 2007年08月12日3n图图1就是这两种储存

3、电容架就是这两种储存电容架构构, 从图中我们可以很明显的从图中我们可以很明显的知道知道, Cs on gate由于不必像由于不必像Cs on common一样一样, 需要增加需要增加一条额外的一条额外的common走线走线, 所所以它的开口率以它的开口率(Aperture ratio)会比较大会比较大. 而开口率的大小而开口率的大小, 是影响面板的亮度与设计的是影响面板的亮度与设计的重要因素重要因素. 所以现今面板的设所以现今面板的设计大多使用计大多使用Cs on gate的方式的方式. 2007年08月12日4图2的Cs on gate与Cs on common的等效电路而gate走线, 顾

4、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. 2007年08月12日52007年08月12日6l 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. 2007年08月12日7n行驱动器控制每行像素点上的行驱动器控制每行像素点上的TFT开关态，即提供开关态，即提供

5、TFT的的栅扫描电压，可简单地开或关某一行所有的栅扫描电压，可简单地开或关某一行所有的TFT，在这一时，在这一时刻，只允许访问这一行的像素。刻，只允许访问这一行的像素。n某一列驱动器则控制更新该列像素颜色的明暗程度。某一列驱动器则控制更新该列像素颜色的明暗程度。n为了防止液晶器件老化，在液晶显示像素上需要加正负电为了防止液晶器件老化，在液晶显示像素上需要加正负电压驱动。压驱动。n所谓直接驱动法是指在所谓直接驱动法是指在TFT-LCD的模块中列驱动器芯片的模块中列驱动器芯片“直接直接”提供交流电压且幅度可调。提供交流电压且幅度可调。n其它的驱动方式是依靠系统中附加的芯片提供正负电压，其它的驱动方

6、式是依靠系统中附加的芯片提供正负电压，列驱动器仅能使电压可调，而需附加芯片驱动公共电极列驱动器仅能使电压可调，而需附加芯片驱动公共电极(也也称称COM电极电极)。2007年08月12日8n一个典型的一个典型的TFT-LCD显示器件，其显示像素显示器件，其显示像素上的信号通过行驱动器上的信号通过行驱动器(Row Driver)和列驱动和列驱动器器(Column Driver)控制，控制，其结构如右图所示。其结构如右图所示。n每行和每列的交叉点有每行和每列的交叉点有一个一个TFT (Thin Film Transistor)，TFT与一与一个显示单元相连接为像个显示单元相连接为像素。进一步的等效分

7、析素。进一步的等效分析如下。如下。 2007年08月12日92007年08月12日10如如上上图所示图所示，写入的电压由于补偿电容写入的电压由于补偿电容Cs和和像像素等效电素等效电容容CLC的作用，在撤销写入后会自行保持一段时间，可以的作用，在撤销写入后会自行保持一段时间，可以设定保持半帧；下半帧时，改变一下输入极性，即可以保设定保持半帧；下半帧时，改变一下输入极性，即可以保证液晶处于交流证液晶处于交流驱动驱动状态。状态。当当 TFT晶体管晶体管的开、关的开、关比达到比达到106 以上时，则可以满足液以上时，则可以满足液晶晶像像素对通断比的要求。素对通断比的要求。驱动路数驱动路数与与 TFT晶

8、体管特性晶体管特性有关，而有关，而与液晶的电光响应与液晶的电光响应特性无特性无关关，这就彻底解决了液晶多，这就彻底解决了液晶多路驱动的路驱动的难难题。题。这种这种驱动方式驱动方式没有半选通波形没有半选通波形，因此因此也也就没有交叉效应就没有交叉效应以及对比度下降等缺陷。以及对比度下降等缺陷。这种这种驱动也驱动也不受响应速度的影响，没有闪烁也没有拖尾。不受响应速度的影响，没有闪烁也没有拖尾。2007年08月12日11n为了得到多灰度多彩色的为了得到多灰度多彩色的TFT-LCD，要求数据驱动器能够要求数据驱动器能够产生一系列满足灰度级要求的输出电压和显示多灰度的驱动产生一系列满足灰度级要求的输出电

9、压和显示多灰度的驱动方法。方法。n而且，对于高质量的显示，要求驱动不能由于而且，对于高质量的显示，要求驱动不能由于像像元的串扰元的串扰而引起图像失真。而引起图像失真。n目前用于目前用于TFT液晶屏，分辨率从液晶屏，分辨率从VGA到到SXGA的有的有4种种反转反转驱动方法驱动方法。n所谓所谓“反转反转”方式，就是指加在像素点上的电压正负极性方式，就是指加在像素点上的电压正负极性是交替变化的。是交替变化的。2007年08月12日12如如下下图所示图所示：n图图(a)是是帧反转方式帧反转方式，如果整个显示在第一帧被正电压刷新，如果整个显示在第一帧被正电压刷新，则第二帧被负电压刷新。则第二帧被负电压刷

10、新。n图图(b)是是行极性反转行极性反转，在一帧图像内，如果奇数行加正电压，在一帧图像内，如果奇数行加正电压，则偶数行加负电压。在下一帧信号输入时，奇偶行的电压极则偶数行加负电压。在下一帧信号输入时，奇偶行的电压极性互换。性互换。n图图(c)是是列极性反转列极性反转，极性变换同行反转类似。，极性变换同行反转类似。n图图(d)是是点反转方式点反转方式，相邻像素点的电压极性相反。，相邻像素点的电压极性相反。2007年08月12日132007年08月12日14n列反转和点反转在功耗和图像质量方面有较大的改进。直列反转和点反转在功耗和图像质量方面有较大的改进。直接驱动法能提供上述所有的接驱动法能提供上

11、述所有的4种反转方式，而种反转方式，而Vcom反转方式反转方式仅能提供帧反转和行反转。仅能提供帧反转和行反转。n闪烁是影响闪烁是影响TFT-LCD图像质量的一个因素。帧反转方式的图像质量的一个因素。帧反转方式的闪烁是最强的；而点反转方式闪烁是较弱的，图像质量是最闪烁是最强的；而点反转方式闪烁是较弱的，图像质量是最好的。好的。n交叉串扰是影响图像质量的另一因素。交叉串扰是由于相交叉串扰是影响图像质量的另一因素。交叉串扰是由于相邻像素具有相似电压极性而引起的误显示。邻像素具有相似电压极性而引起的误显示。n相邻像素使用不同的极性反转方式有助于消除交叉串扰。相邻像素使用不同的极性反转方式有助于消除交叉

12、串扰。直接驱动法的反转方式能消除在行方向和列方向的交叉串扰。直接驱动法的反转方式能消除在行方向和列方向的交叉串扰。2007年08月12日15nTFT寻址的矩阵液晶显示屏及其外围电路的等效电路图寻址的矩阵液晶显示屏及其外围电路的等效电路图。n图中包括三个部分：图中包括三个部分：TFT寻址矩阵液晶屏寻址矩阵液晶屏；扫描电极母线驱动电扫描电极母线驱动电路和信号电极母线驱路和信号电极母线驱动电路。动电路。n显示屏有显示屏有M条信号电条信号电极母线和极母线和N条扫描电条扫描电极母线。极母线。2007年08月12日16n如图所示。如图所示。扫描电极母线（图的左部）驱动电路是由水平移扫描电极母线（图的左部）

13、驱动电路是由水平移位寄存器和扫描驱动器组成。位寄存器和扫描驱动器组成。n水平移位寄存器是一个两相输入的水平移位寄存器是一个两相输入的N位移位寄存器，它与水位移位寄存器，它与水平移位脉冲同步，依次扫描第一行到最后行（第平移位脉冲同步，依次扫描第一行到最后行（第N行）。行）。n移位寄存器中一对移位寄存器中一对TFT中的一个，例如中的一个，例如TFTiA截止，则另一截止，则另一个即个即TFTiB就导通，这时源电压就导通，这时源电压V0将加到正被选取的扫描电将加到正被选取的扫描电极母线上，即第极母线上，即第i条扫描电极母线。条扫描电极母线。nTFTij的栅极与第的栅极与第i条扫描电报母线直接相连，于是

14、条扫描电报母线直接相连，于是TFTij（j=1M）导通。因为是逐行扫描，所以其它的扫描电极母）导通。因为是逐行扫描，所以其它的扫描电极母线皆为地电位。除线皆为地电位。除TFTij以外的所有以外的所有TFT皆截止。皆截止。2007年08月12日17n如图所示。如图所示。信号电极母线（图的上部）驱动电路包括垂直移信号电极母线（图的上部）驱动电路包括垂直移位寄存器、行存贮器、行开关和信号驱动器几个部分。位寄存器、行存贮器、行开关和信号驱动器几个部分。n垂直移位寄存器是一个两相输入的垂直移位寄存器是一个两相输入的M位移位寄存器，寄存器位移位寄存器，寄存器中只有一位上产生一个正脉冲，中只有一位上产生一个

15、正脉冲，所以所以只有取样晶体管导通。只有取样晶体管导通。n行存贮器由行存贮器由M个信号取样晶体管个信号取样晶体管TFTj和相应的和相应的M个行存贮电个行存贮电容容Cj组成。这些组成。这些TFTj的漏极与图像信号相连。的漏极与图像信号相连。n工作时，图像信号同时加在行存贮器的所有信号取样晶体管工作时，图像信号同时加在行存贮器的所有信号取样晶体管TFTj的源极上。的源极上。TFTj将从左到右顺序导通。于是输入的图像将从左到右顺序导通。于是输入的图像信号将按一定的时间间隔被取样。信号将按一定的时间间隔被取样。n结果，串行的图像信号变换成并行的模拟信号而存贮在行存结果，串行的图像信号变换成并行的模拟信

16、号而存贮在行存贮器内的行存贮电容贮器内的行存贮电容Cj上了（上了（ j=1M ）。）。2007年08月12日18n如图所示。如图所示。当与一扫描行对应的图像信号存贮以后，由行开当与一扫描行对应的图像信号存贮以后，由行开关脉冲关脉冲SL同步，使所有的行开关晶体管同步，使所有的行开关晶体管TFTLj（j=1M）导通，）导通，存贮电容存贮电容Cj（j=1M）开始放电。）开始放电。n这个操作是在行回扫时间内完成的。行开关脉冲这个操作是在行回扫时间内完成的。行开关脉冲SL直接反馈直接反馈到行开关晶体管到行开关晶体管TFTLj（j=1M）的栅极上。）的栅极上。n当行存贮电容当行存贮电容Cj放电时，第放电时

17、，第j列上只有位于被选取行上的液列上只有位于被选取行上的液晶像素电容晶像素电容Cij被充电，而电荷将在存贮电容被充电，而电荷将在存贮电容Cj和像素电容和像素电容Cij之间分配。之间分配。n综上所述，随时间变化的模拟图像信号将变换为综上所述，随时间变化的模拟图像信号将变换为M位被取样位被取样的不连续的的不连续的N行信号，行信号，N行这样的信号依次传输到矩阵液晶屏行这样的信号依次传输到矩阵液晶屏的的NM个像素上，从而构成一帧图像。个像素上，从而构成一帧图像。2007年08月12日19TFT-LCD器件参数必须满足一些条件。器件参数必须满足一些条件。行存贮电容的选择：行存贮电容的选择：n行存贮电容行

18、存贮电容Cj必须远远大于像素电容必须远远大于像素电容Cij，必须满足不等式：，必须满足不等式：CijCj。若若Cij=1pF，Cj必须大于必须大于10pF。信号取样信号取样TFT导通电阻的选择导通电阻的选择：n为使行存贮电容的充电过程在相应的信号取样为使行存贮电容的充电过程在相应的信号取样TFT被寻址的被寻址的短暂时间内完成，信号取样短暂时间内完成，信号取样TFT的导通电阻的导通电阻Ron必须非常小。必须非常小。TFT开关比的选择开关比的选择：n在良好的在良好的TFT-LCD中，器件的开关比都至少要大于中，器件的开关比都至少要大于106。2007年08月12日20nTFT-LCD模块的子系统有

19、数字接口、显示控制器、列与门模块的子系统有数字接口、显示控制器、列与门显示驱动器和电源等几大部分。显示驱动器和电源等几大部分。n早先，象素规格达早先，象素规格达SVGA（800600）的场合，主要使用的场合，主要使用TTL接口，对于接口，对于40MHz的象素时钟，电磁干扰仍符合国际标的象素时钟，电磁干扰仍符合国际标准。准。n然而当显示分辨率增加到然而当显示分辨率增加到XGA级且相应的时钟速率达到级且相应的时钟速率达到65MHz时，时，TTL接口对电磁干扰和功耗就会变得难以处理。接口对电磁干扰和功耗就会变得难以处理。因此因此LVDS已成为现今用于已成为现今用于笔记本个人电脑笔记本个人电脑（NPC）平台平台技技术的实际标准数字接口。术的实际标准数字接口。2007年08月12日21参考：参考：SXGA TFT-LCD驱动电路的设计，微电子学，驱动电路的设计，微电子学，2000年，年，第第30卷，第卷，第4期期。n低压差分信号（低压差分信号（LVDS）接口就成了图象子系统和接口就成了图象子系统和LCD模块模块之间占据优势的数字接口。之间占据优势的数字接口。LVDS（专用专用IC由：由：National：DS90C031和和DS90C031）提供了一个低电源低电磁干扰接口，）提供了一个低电源低电磁干扰接口，并且减小了图