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TFT LCD驱动原理
发布时间：2014/7/22 10:54:00 来源：
前两期针对液晶的特性与TFT LCD本身结构介绍了有关液晶显示器操作的基本原理。这次将针对TFT LCD的整体系统面，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。首先将介绍由于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。顾名思义，两者的主要差别在于储存电容是利用gate走线或是common走线来完成。在上一期文章中曾提到，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的制程中，则是利用显示电极与gate走线或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，图中可以很明显地知道，Cs on gate由于不必像Cs on common需要增加一条额外的common走线，所以其开口率(Aperture ratio)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方式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中Cs on gate与Cs on common的等效电路)，而gate走线就是接到每一个TFT的gate端的走线，主要是作为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 x 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20μs，而显示画面更新的时间约为16ms，所以相较下影响有限)，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，在这边也需要顺便介绍一下。从图2中可以发现，不管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所并连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，分别代表RGB三原色。以一个1024 x 768分辨率的TFT LCD来说，共需要1024 x 768 x 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，以显示不同的灰阶。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 x 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 x 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=21.7μs。所以在图3 gate driver送出的波形中，就可以看到这些波形为一个接着一个宽度为21.7μs的脉波，依序打开每一行的TFT。而source driver则在这21.7μs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，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资料的时候来改变极性。以60Hz的更新频率来说，亦即每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，其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？如同前面所提到的原因一样，这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，其显示电极与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。
为了达到极性不停变换这个目的，也可以让common电压不停地变动，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，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7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，如果想使用column inversion或是dot inversion的话，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，在面板上所有显示点的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，所以如果选用common电极电压是可变动的方式，是无法在一行TFT上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，在一行的显示点上要求每个相邻的点拥有不同的正负极性。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。
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，因为dot inversion的显示品质相对于其它的面板极性变换方式好太多了。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，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，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，甚至是一个点变化极性而已，以人眼的感觉来说，比较不明显。至于crosstalk的现象，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。综合这些特性可知，为何大多数人都使用dot inversion了。
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。但如果使用相同的common电极驱动方式，source driver的耗电就要考量其输出电压的变动频率与变动电压大小。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。
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。顾名思义，两者的主要差别在于储存电容是利用gate走线或是common走线来完成。在上一期文章中曾提到，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的制程中，则是利用显示电极与gate走线或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，图中可以很明显地知道，Cs on gate由于不必像Cs on common需要增加一条额外的common走线，所以其开口率(Aperture ratio)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方式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中Cs on gate与Cs on common的等效电路)，而gate走线就是接到每一个TFT的gate端的走线，主要是作为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 x 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20μs，而显示画面更新的时间约为16ms，所以相较下影响有限)，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，在这边也需要顺便介绍一下。从图2中可以发现，不管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所并连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，分别代表RGB三原色。以一个1024 x 768分辨率的TFT LCD来说，共需要1024 x 768 x 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，以显示不同的灰阶。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 x 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 x 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=21.7μs。所以在图3 gate driver送出的波形中，就可以看到这些波形为一个接着一个宽度为21.7μs的脉波，依序打开每一行的TFT。而source driver则在这21.7μs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，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资料的时候来改变极性。以60Hz的更新频率来说，亦即每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，其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？如同前面所提到的原因一样，这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，其显示电极与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。
为了达到极性不停变换这个目的，也可以让common电压不停地变动，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，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7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，如果想使用column inversion或是dot inversion的话，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，在面板上所有显示点的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，所以如果选用common电极电压是可变动的方式，是无法在一行TFT上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，在一行的显示点上要求每个相邻的点拥有不同的正负极性。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。
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，因为dot inversion的显示品质相对于其它的面板极性变换方式好太多了。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，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，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，甚至是一个点变化极性而已，以人眼的感觉来说，比较不明显。至于crosstalk的现象，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。综合这些特性可知，为何大多数人都使用dot inversion了。
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。但如果使用相同的common电极驱动方式，source driver的耗电就要考量其输出电压的变动频率与变动电压大小。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。
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