TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理(三)

發(fā)布時(shí)間：2018-12-11

前面跟大家介紹TFT LCD液晶顯示器的二階驅(qū)動(dòng)原理，以及因?yàn)閒eed through電壓所造成的影響。為了解決這些現(xiàn)象，于是有了三階驅(qū)動(dòng)甚至于四階驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。接下來我們先針對(duì)三階驅(qū)動(dòng)的原理作介紹

三階驅(qū)動(dòng)適用于Cs on Gste

  

      二階驅(qū)動(dòng)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(jīng)由Cgd所產(chǎn)生的feed through電壓，也因此在二階驅(qū)動(dòng)時(shí)需要調(diào)整common電壓，以改進(jìn)灰階質(zhì)量。但是由于Clc并非是一個(gè)固定的參數(shù)，讓調(diào)整common電壓以便改進(jìn)影像質(zhì)量目的不易達(dá)成。因此便有了三階驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，期望在不必變動(dòng)common電壓的情形下，將feed through電壓補(bǔ)償回來。

       三階驅(qū)動(dòng)TFT LCD的基本原理是利用經(jīng)由Cs的feed through電壓，補(bǔ)償經(jīng)由Cgd所產(chǎn)生的feed though電壓。也就是因?yàn)樾枰肅s來補(bǔ)償，所以三階驅(qū)動(dòng)的方法只能使用在面板架構(gòu)為Cs on gate的方式。圖1就是三階驅(qū)動(dòng)gate driver電壓的波形，從這個(gè)三階驅(qū)動(dòng)的波形中我們可以知道，三階驅(qū)動(dòng)波形跟二階驅(qū)動(dòng)不一樣的是，它的gate driver驅(qū)動(dòng)波形之中，會(huì)有三種不 一樣的電壓。當(dāng)gate driver關(guān)閉時(shí)，會(huì)將電壓拉到最低的電壓，等到下一條的gater driver走線也關(guān)閉后，再將電壓拉回。而這個(gè)拉回的電壓，就是為了去補(bǔ)償下一條線的feed through電壓。也就是說，每一條gate driver走線關(guān)閉時(shí)，經(jīng)由Cgd所產(chǎn)生的feed through電壓，是由上一條走線將電壓拉回時(shí)，經(jīng)由Cs所產(chǎn)生的feed through電壓來補(bǔ)償。既然是經(jīng)由拉回的電壓來補(bǔ)償，那拉回電壓的大小要如何計(jì)算呢？上次有提到feed through電壓的計(jì)算方式，我們可以依照上次的公式來計(jì)算所需的電壓 :

    經(jīng)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(guān)閉的電壓。

    經(jīng)Cs的Feed through電壓 = (Vp2 - Vp1)×Cs / (Cgd + Clc + Cs)；Vp2與Vp1分別為上一條gate走線拉回前與拉回后的電壓。

    如果需要兩者互相抵消，則經(jīng)Cgd的Feed through電壓需要等于經(jīng)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= Vg×Cgd / [Cs - Cgd]。

    從上述的公式推導(dǎo)中，我們發(fā)現(xiàn)雖然Clc會(huì)影響feed through電壓的大小，但是藉由三階驅(qū)動(dòng)的方式，Clc的影響就不見了。因此當(dāng)我們在面板制程與gate drvier的打開電壓確定之后，就可以精確地計(jì)算出所需要的拉回電壓了。

掌握拉回電壓 即可補(bǔ)償電壓分布

    圖2是三階驅(qū)動(dòng)TFT LCD的電壓分布示意圖。我們可以看到最左邊的是由source driver所輸出的電壓分布，這是顯示電極所充電電壓的最原始狀況。而中間的電壓分布，就是顯示電極受到經(jīng)由Cgd的feed through電壓影響的變化。一般二階驅(qū)動(dòng)就是只有到這里，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(qū)動(dòng)藉由Cs的feed through電壓影響的情形，則可以由最右邊的電壓分布來看出。在這時(shí)候，只要拿捏好拉回電壓Ve的大小，便可以將原本受到經(jīng)由Cgd的feed through電壓影響的電壓分布，補(bǔ)償?shù)礁钭筮叺碾妷悍植家粯樱绱艘粊砭筒槐卦偃バ拚齝ommon電壓的大小了。

 圖3是三階驅(qū)動(dòng)TFT LCD的電壓波形圖。正如先前所說過的，由于三階驅(qū)動(dòng)需要利用前一條的gate driver走線來補(bǔ)償，所以只能使用于Cs on gate的架構(gòu)。而且由于有電壓補(bǔ)償?shù)年P(guān)系，common電壓就不必再做修正了。

    在圖3中，屬于gate driver電壓有兩種，一個(gè)是前一條gate driver的電壓波形，用虛線來表示。而用實(shí)線表示的是屬于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(shí)線的gate driver走線關(guān)閉時(shí)，會(huì)經(jīng)由Cgd產(chǎn)生一個(gè)feed through電壓，而這個(gè)向下的電壓偏移量，在前一條gate driver走線的拉回電壓經(jīng)Cs所產(chǎn)生的feed through電壓影響后，便可以讓顯示電極恢復(fù)到原先的電壓準(zhǔn)位。而前一條gate driver走線經(jīng)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(shí)所產(chǎn)生的feed through電壓，這個(gè)電壓值雖然很大，不過由于其影響的時(shí)間，相對(duì)于整個(gè)frame來說，相當(dāng)?shù)亩蹋虼藢?duì)顯示畫面并不會(huì)有多大的影響。

 

設(shè)計(jì)拉回電壓︰使用兩次的feed through電壓補(bǔ)償 

    圖4是使用三階驅(qū)動(dòng)TFT LCD針對(duì)gate driver走線電壓變動(dòng)所形成的feed through電壓，更仔細(xì)地顯示電極電壓波形圖。跟圖3不一樣的是，這個(gè)圖形有考慮到當(dāng)gate driver走線電壓拉回時(shí)經(jīng)由Cgd所造成的feed through電壓。原本拉回電壓是為了補(bǔ)償下一條gate driver走在線的顯示電極，但是它的副作用就是也會(huì)對(duì)gate driver走線所在位置的顯示電極產(chǎn)生影響。所以拉回電壓的設(shè)計(jì)考量，并不是一次將所有電壓補(bǔ)償回來，而是使用兩次的feed through電壓補(bǔ)償。一次是上一條gate driver走線經(jīng)由Cs的feed through電壓來補(bǔ)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(jīng)由Cgd的feed through電壓來補(bǔ)償。

總括來說，使用三階驅(qū)動(dòng)的方式比起二階驅(qū)動(dòng)的方式來說，可以不用調(diào)整common電壓就可以克服feed through電壓的影響。而且也可以避免由于Clc的非線性關(guān)系所造成的灰階問題。不過跟底下要介紹的四階驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)，它在common電壓固定不變的狀況下，并不需要使用高電壓輸出的source driver，就可以達(dá)到分別出正負(fù)極性電壓的結(jié)果了。

四階驅(qū)動(dòng)不需使用高壓輸出Source Driver即可正負(fù)分壓 

    圖5是四階驅(qū)動(dòng)gate driver走線的電壓基本波形。我們可以看到負(fù)責(zé)正極性與負(fù)極性的gate driver走線電壓是不一樣的。負(fù)責(zé)負(fù)極性的gate driver走線電壓在電壓關(guān)閉時(shí)，會(huì)往下拉到一個(gè)比一般關(guān)閉時(shí)的電壓更低的準(zhǔn)位，等到下一條走線的電壓關(guān)閉后，再將電壓拉回到一般關(guān)閉電壓的準(zhǔn)位。

    而負(fù)責(zé)正極性的gate driver走線電壓則是在電壓關(guān)閉時(shí)，電壓并沒有一口氣拉到一般關(guān)閉的電壓位準(zhǔn)，而是等到下一條gate driver走線關(guān)閉后，再將電壓下拉到一般關(guān)閉的電壓準(zhǔn)位。而這兩種極性的電壓位準(zhǔn)總共有︰打開的電壓、關(guān)閉的電壓、比關(guān)閉電壓高的位準(zhǔn)以及比關(guān)閉電壓更低的電壓，總共4種。這是為什么叫做四階驅(qū)動(dòng)的原因。

    從圖5來看，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，同樣一條gate driver走在線的顯示電極，都必須屬于同一種顯示的極性，不是正極性，就是負(fù)極性。因此采用四階驅(qū)動(dòng)就只能使用line inversion的顯示方式。不過這樣一來，跟使用dot inversion驅(qū)動(dòng)方式的面板來說，顯示畫面的質(zhì)量變會(huì)變得更差，flicker與cross talk的效應(yīng)會(huì)更明顯。這也是為什么四階驅(qū)動(dòng)很少有人使用的緣故，雖然四階驅(qū)動(dòng)可以使用驅(qū)動(dòng)電壓較低的source driver，但是它的gate driver復(fù)雜度升高，而且畫面質(zhì)量下降，當(dāng)然想要讓四階驅(qū)動(dòng)的面板使用dot inversion并不是不可以，只是需要更改面板上的TFT薄膜晶體管的配置方式，以及加大顯示控制器內(nèi)的存儲(chǔ)器大小，來同時(shí)儲(chǔ)存兩條gate driver走在線的所有顯示電極的資料，整個(gè)硬件的復(fù)雜度會(huì)更高，成本又會(huì)加大，比較起來倒不如使用line inversion且common電壓變動(dòng)的面板極性顯示方式。

    四階驅(qū)動(dòng)TFT LCD原理簡單來說，是利用前一個(gè)gate driver走線經(jīng)由Cs的feed through電壓，在正極性時(shí)將顯示電極的電壓提升到很高的電壓，而在負(fù)極性時(shí)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(fù)極性的電壓位準(zhǔn)之用。如此一來，source driver的驅(qū)動(dòng)電壓范圍雖然不大，但是卻可以同時(shí)給正極性以及負(fù)極性的顯示電極電壓來用。

 

Gate driver走線電壓變化可形成正負(fù)極性兩種電壓 

    圖6是四階驅(qū)動(dòng)的電壓分布示意圖，圖中最左邊的是source driver輸出電壓的范圍。不管是正極性的畫面，或是負(fù)極性的畫面，都是使用相同的輸出電壓范圍。因此使用于四階驅(qū)動(dòng)的source driver，其輸出電壓范圍比起一般的source driver要小的多。圖6中間則是受到gate driver走線關(guān)閉時(shí)，經(jīng)由Cgd的feed through電壓影響的顯示電極電壓范圍，而圖6右邊則是最后分別出正負(fù)極性的顯示電壓范圍。

    從圖中我們可以知道，因?yàn)槭艿浇?jīng)過Cgd的feed through電壓影響，若是要將正負(fù)極性的電壓范圍分開的話，對(duì)于正極性的電壓范圍，往上提升的電壓會(huì)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(jīng)由Cs的feed through電壓來形成。因?yàn)樗璧碾妷罕容^大，所以上一條gate driver走在線的拉回電壓也比較大。

    而對(duì)于負(fù)極性的顯示電壓范圍的形成，也是利用上一條gate driver走在線的電壓變化來完成。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(fù)的顯示電極電壓范圍。它所需要的下拉電壓 跟正極性的上拉電壓比較起來會(huì)比較小。不過對(duì)于調(diào)整后正負(fù)極性的顯示電壓范圍來說，它們相對(duì)于common電壓的距離要一樣，這樣對(duì)于同一個(gè)灰階的正負(fù)極性電壓，顯示出來的畫面才會(huì)一致。

    從整個(gè)圖6來說，我們可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于source driver的輸出電壓，如同前面所說的，并不需要有正負(fù)兩種不同極性的顯示范圍。只要利用上一條gate driver走線的電壓變化，來幫助形成正負(fù)極性的兩種電壓范圍即可。

Source driver充好電后會(huì)再經(jīng)過三次電壓變化 

    至于在顯示電極上的電壓變化波形，我們則可以利用圖7跟圖8來解釋其電壓變化的原理。圖7是負(fù)極性顯示電極電壓的波形變化，從圖中我們可以知道，顯示電極電壓從source driver充好電后，會(huì)再經(jīng)過三次的電壓變化。首先是本身gate driver走線電壓關(guān)閉時(shí)，經(jīng)由Cgd所產(chǎn)生的feed through電壓影響，由于電壓關(guān)閉的關(guān)系，會(huì)把顯示電極的電壓往下拉。其次是上一條gate driver走線下拉時(shí)，經(jīng)過Cs的feed through電壓。這個(gè)電壓的影響很重要，因?yàn)樗菍㈦妷赫{(diào)整成負(fù)極性電壓的主要成分，必須能夠?qū)⒄w的電壓調(diào)整到所需要的準(zhǔn)位元。最后是本身的gate driver走線電壓拉回時(shí)，經(jīng)由Cgd的feed through電壓的影響。由于拉回電壓的幅度比較小，所以整體的影響也比較少。

    圖8是正極性顯示電極電壓的波形變化，跟負(fù)極性的電壓變化一樣，也有三階段的電壓變化。首先是本身gate driver走線關(guān)閉時(shí)經(jīng)由Cgd的feed through電壓，其次是由前一條gate drive走線電壓拉回經(jīng)由Cs的feed through電壓，這電壓是扮演將顯示電極電壓推升到正極性電壓范圍的最重要角色。而最后則是本身gate driver走線電壓下拉時(shí)所產(chǎn)生的feed through電壓，這個(gè)電壓由于是經(jīng)由Cgd的關(guān)系，而且變化的幅度也不大，所以影響也比較小。

 

既然這些電壓的操作原理，都是藉由feed through電壓的影響，我們就可以利用計(jì)算feed through電壓的公式，依照圖9的電壓定義，來推導(dǎo)出各階電壓的大小。其結(jié)果

如下:

    屬于負(fù)極性電壓的各個(gè)feed through電壓：

    dV1=[Vg+Ve(-)]×Cgd/[Cs+Clc+Cgd]

    dV2= Ve(+)×Cs /[Cs+Clc+Cgd]

    dV3= Ve(-)×Cgd /[Cs+Clc+Cgd]

    屬于正極性電壓的各個(gè)feed through電壓：

    dV4=[Vg-Ve(+)]×Cgd/[Cs+Clc+Cgd]

    dV5= Ve(-)×Cs /[Cs+Clc+Cgd]

    dV6= Ve(+)×Cgd/[Cs+Clc+Cgd]

    在圖6中，我們提到補(bǔ)償后的正負(fù)極性輸出電壓與common電壓的距離應(yīng)該一致，所以給正極性顯示電壓范圍用的所有feed through電壓總合應(yīng)該和給所有負(fù)極性顯示電壓范圍用的feed through電壓總合應(yīng)該一樣。所以dV1+dV2-dV3應(yīng)該等于-dV4+dV5-dV6。合并化簡后，我們可以得到 ：

    Ve(-) - Ve(+) = 2Vg×Cgd / Cs

    也就是說，只要Ve(-)與Ve(+)的差值，符合上述公式，就可以達(dá)到四階驅(qū)動(dòng)的效果了。而且上述公式也告訴我們一個(gè)現(xiàn)象，那就是公式化簡后，已經(jīng)沒有了Clc的成分存在。因此它跟三階驅(qū)動(dòng)一樣，不會(huì)受到Clc非線性的影響。至于Ve(-)及Ve(+)的大小如何決定呢？我們回過來觀察dV1+dV2-dV3與-dV4+dV5-dV6的化簡結(jié)果：

     dV1+dV2-dV3=Vg×Cgd + Ve(+)×Cs = 向下的feed through總量

     -dV4+dV5-dV6=-Vg*Cgd + Ve(-)×Cs = 向上的feed through總量

    只要我們依照液晶的特性，便可得知需要向上或是向下的feed through電壓總量需要多少才夠(一般是液晶的threshold電壓與最大工作電壓加起來的一半)，再參考面板設(shè)計(jì)的參數(shù)Vg、Cgd、Cs的大小，就可以計(jì)算出所需的Ve(+)與Ve(-)了。在數(shù)學(xué)上來說，當(dāng)你把向上與向下的feed through總量，都設(shè)為0時(shí)，就可以得到 Ve(+)=-Ve(-)，這時(shí)候四階驅(qū)動(dòng)就變成三階驅(qū)動(dòng)了。因此三階驅(qū)動(dòng)也可以說是四階驅(qū)動(dòng)的一個(gè)特例。

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