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TFT LCD液晶显示器的驱动原理(一)

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TFT LCD液晶显示器的驱动原理（一)
    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.