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TFT LCD液晶显示器的驱动原理(二)

发布时间:2018-12-11

前一篇文章大家跟大家先容TFT LCD液晶显示器的驱动原理中有关储存电容架构、面板极性变换方式,以及common电压的驱动方式。这次大家延续上次的内容,继续针对feed through电压,以及二阶驱动的原理来做先容。简单来说Feed through电压主要是由于面板上的寄生电容而产生的,而所谓三阶驱动的原理就是为了解决此一问题而发展出来的解决方式,不过大家这次只先容二阶驱动,至于三阶驱动甚至是四阶驱动则留到下一次再先容。在先容feed through电压之前,大家先说明驱动系统中gate driver所送出波形的timing图。

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SVGA分辨率的二阶驱动波形 

    大家常见的1024*768分辨率的荧幕,就是大家通常称之为SVGA分辨率的荧幕。它的组成顾名思义就是以1024*768=786432个pixel来组成一个画面的资料。以液晶显示器来说,共需要1024*768*3个点(乘3是因为一个pixel需要蓝色,绿色,红色三个点来组成。)来显示一个画面。通常在面板的规划,把一个平面分成X-Y轴来说,在X轴上会有1024*3=3072列。这3072列就由8颗384输出channel的source driver来负责推动。而在Y轴上,会有768行。这768行,就由3颗256输出channel的gate driver来负责驱动。图1就是SVGA分辨率的gate driver输出波形的timing图。

    图中gate 1 ~ 768分别代表着768个gate driver的输出。以SVGA的分辨率,60Hz的画面更新频率来计算,一个frame的周期约为16.67 ms。对gate 1来说,它的启动时间周期一样为16.67ms。而在这16.67 ms之间,分别需要让gate 1 ~ 768共768条输出线,依序打开再关闭。所以分配到每条线打开的时间仅有16.67ms/768=21.7μs而已。所以每一条gate driver打开的时间相对于整个frame是很短的,而在这短短的打开时间之内,source driver再将相对应的显示电极充电到所需的电压。

    而所谓的二阶驱动就是指gate driver的输出电压仅有两种数值,一为打开电压,一为关闭电压。而对于common电压不变的驱动方式,不管何时何地,电压都是固定不动的。但是对于common电压变动的驱动方式,在每一个frame开始的第一条gate 1打开之前,就必须把电压改变一次。为什么要将这些输出电压的timing先容过一次呢?

    因为接下来要讨论的feed through电压,它的成因主要是因为面板上其他电压的变化,经由寄生电容或是储存电容,影响到显示电极电压的正确性。在LCD面板上主要的电压变化来源有3个,分别是gate driver电压变化,source driver电压变化,以及common电压变化。而这其中影响最大的就是gate driver电压变化(经由Cgd或是Cs),以及common电压变化(经由Clc或是Cs+Clc)。

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Cs on common架构 且common电压固定不动的feed through电压 

    如前提到,造成有feed through电压的主因有两个。而在common电压固定不动的架构下,造成feed through电压的主因就只有gate driver的电压变化了。在图2中,就是显示电极电压因为feed through电压影响,而造成电压变化的波形图。在图中,请注意到gate driver打开的时间,相对于每个frame的时间比例是不正确的。在此大家是为了能仔细说明每个frame的动作,所以将gate driver打开的时间画的比较大。请记住,正确的gate driver打开时间是如同图1所示,需要在一个frame的时间内,依序将768个gate driver走线打开的。所以每个gate走线打开的时间,相对于一个frame的时间,是很短的。

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当gate走线打开或关闭的那一瞬间,电压的变化是最激烈的,大约会有30~40伏特,再经由Cgd的寄生电容,影响到显示电极的电压。在图3中,大家可以看到Cgd寄生电容的存在位置。其实Cgd的发生,跟一般的CMOS电路一样,是位于MOS的gate与drain端的寄生电容。但是由于在TFT LCD面板上gate端是接到gate driver输出的走线,因此一但在gate driver输出走在线的电压有了激烈变化,便会影响到显示电极上的电压。在图2之中,当Frame N的gate走线打开时,会产生一个向上的feed through电压到显示电极之上。不过此时由于gate走线打开的缘故,source driver会对显示电极开始充电,因此即便一开始的电压不对(因为feed through电压的影响),source driver仍会将显示电极充电到正确的电压,影响便不会太大。

    但如果当gate走线关闭的时候,由于source driver已经不再对显示电极充电,所以gate driver关闭时的电压压降(30~40伏特),便会经由Cgd寄生电容feed through到显示电极之上,造成显示电极电压有一个feed through的电压压降,而影响到灰阶显示的正确性。且这个feed through电压不像gate走线打开时的feed through电压一样,只影响一下子,由于此时source driver已经不再对显示电极充放电,feed through电压压降会一值影响显示电极的电压,直到下一次gate driver走在线的电压再打开的时后。

    所以这个feed through电压对于显示画面的灰阶的影响,人眼是可以明确的感觉到它的存在的。而在Frame N+1的时候,刚开始当gate driver走线打开的那一瞬间,也会对显示电极产生一个向上的feed through电压,不过这时候由于gate已经打开的缘故,source driver会开始对显示电极充电,因此这个向上的feed through电压影响的时间便不会太长。但是当gate走线再度关闭的时候,向下的feed through电压便会让处在负极性的显示电极电压再往下降,而且受到影响的负极性显示电压会一直维持到下一次gate走线再打开的时候。所以整体来说,显示电极上的有效电压,会比source driver的输出电压要低。而减少的电压大小刚好为gate走线电压变化经由Cgd的feed through电压。这个电压有多大呢?

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      在图4中,大家以电荷不灭定律,可以推导出feed through电压为(Vg2 - Vg1) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs)。假设Cgd=0.05pF,而Clc=0.1pF, Cs=0.5pF且gate走线从打开到关闭的电压为 -35伏特的话,则feed through电压为-35*0.05 / (0.05+0.1+0.5) = 2.69伏特。一般一个灰阶与另一个灰阶的电压差约仅有30到50 mV而已(这是以6 bit的分辨率而言,若是8 bit分辨率则仅有3到5 mV而已)。因此feed through电压影响灰阶是很严重的。


     以normal white的偏光板配置来说,会造成正极性的灰阶会比原先预期的来得更亮,而负极型的灰阶会比原先预期的来得更暗。不过恰好feed through电压的方向有一致性,所以大家只要将common电压向下调整即可。从图2中大家可以看到,修正后的common电压与原先的common电压的压差恰好等于feed through电压。

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common电压变动的feed through电压 

    图5为Cs on common且common电压变动的电压波形,由于其common电压是随着每一个frame而变动的,因此跟common电压固定的波形比较起来。其产生的feed through电压来源会再多增加一个,那就是common电压的变化。这个common电压的变化,经由Clc+Cs的电容,便会影响到显示电极的电压。且由于整个LCD面板上所有显示点的Clc与Cs都是接到common电压,所以一但common电压有了变化,受影响的就是整个面板的所有点。跟前面gate电压变化不一样的是,gate电压变化影响到的只是一整行的显示点而已。

    不过Common电压变化虽然对显示电极的电压有影响,但是对于灰阶的影响却没有像gate电压变化来的大。怎么说呢?如果大家使用跟前面一样的电容参数值,再套用图6所推导出来的公式,再假设Common电压由0伏特变到5伏特,则common电压变化所产生的feed through电压为(5 -0)*(0.1pF+ 0.5pF) / (0.05pF + 0.1pF +0.5pF) = 5 * 0.6/0.65=4.62伏特。虽然显示电极增加这么多电压,但是common电极也增加了5伏特。因此在Clc两端,也就是液晶的两端,所看到的压差变化,就只有4.62-5=0.38伏特而已。

    跟之前gate走线电压变化所产生的feed through电压2.69伏特比较起来要小的多了,所以对灰阶的影响也小多了。且由于它所产生的feed through电压有对称性,不像Gate走线所产生的feed through电压是一律往下,所以就同一个显示点来说,在视觉对灰阶的表现影响会比较小。当然,虽然比较小,但是由于对整个LCD面板的横向的768行来说,common电压变化所发生的时间点,跟gate走线打开的时间间隔并不一致,所以对整个画面的灰阶影响是不一样的。这样一来,就很难做调整以便改进画面质量,这也是为什么common电压变动的驱动方式,越来越少人使用的缘故。

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Cs on gate架构 且common电压固定不动的feed through电压 

    图7是Cs on gate且common电压固定不动的电压波形图。它并没有common电压变化所造成的feed through电压,它只有由于gate电压变化所造成的feed through电压。不过它跟Cs on common不一样的是,由gate电压变化所造成的feed through电压来源有两个地方,一个是自己这一条gate走线打开经由Cgd产生的feed through电压,另一个则是上一条gate走线打开时,经由Cs所产生的feed through电压。经由Cgd的feed through电压跟前面所讨论过的状况是一样的,在这边就不再提了。但是经由Cs的feed through电压,是因为Cs on gate的关系,如图3所示。Cs on gate的架构,它的储存电容另一端并不是接到common电压,而是接到前一条gate走线,因此在大家这一条gate走线打开之前,也就是前一条gate走线打开时,在前一条gate走线的电压变化,便会经由Cs对大家的显示电极造成feed through电压。

    依照图8的公式,同时套用前面的电容参数与gate电压变化值,大家可得到此一feed through电压约为 35*0.5pF/ (0.5pF+0.1pF+0.05 pF)=26.92伏特。这样的feed through电压是很大的,不过当前一条gate走线关闭时,这个feed through电压也会随之消失。而且前一条gate走线从打开到关闭,以SVGA分辨率的荧幕来说,约只有21.7us的时间而已。相对于一个frame的时间16.67ms是很短的。再者当前一条gate走线的feed through电压影响显示电极后,大家这一条的gate走线也随之打开,source driver立即将显示电极的电压充放电到所要的目标值。从这种种的结果看来,前一条gate走线的电压变化,对于大家的显示电极所表现的灰阶,几乎是没有影响的。因此对于Cs on gate且common电压固定不动的驱动方式来说,影响最大的仍然是gate走在线电压变化经由Cgd产生的feed through电压,而其解决方式跟前面几个一样,只需将common电压往下调整即可。

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common电压变动的feed through电压 

    图9是Cs on gate架构且common电压变动的feed through电压波形图。这样子的架构,刚好有了前面3种架构的所有缺点,那就是gate走线经由Cgd的feed through电压,和前一条gate走线经由Cs的feed through电压,以及Common电压变化经由Clc的feed through电压。可想而知,在实际的面板设计上几乎是没有人使用这种架构的。而这4种架构中最常用的就是 Cs on gate架构且common电压固定不动的架构。因为它只需要考虑经由Cgd的feed through电压,而Cs on gate的架构可得到较大的开口率的缘故。

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二阶驱动(Two level addres sing)的效应  

  前面四种架构讨论的其实都是针对二阶驱动方式所产生的影响。所谓的二阶驱动方式,是指gate driver的输出电压只有两种,分别是打开跟关闭的电压。但是二阶的驱动方式最大的缺点,就是在gate走在线电压关闭时,经由Cgd产生影响显示电极电压的feed through电压。从图10中大家可以知道,原本source driver的输出电压范围,因为feed through电压的关系,造成在显示电极上的电压范围与原先预期的不一致。

    所以要修正common电压的值,以便显示出正确的灰阶。这是一般常见使用two level gate driver的面板设计方式,不过伤脑筋的是,虽然这个修正值可以利用图4中的公式来获得,但是这公式中的Clc电容大小并不是一个固定值,会随着Clc电容两端的电压不同而变化。也就是说,在不同的灰阶下,Clc的大小会不一样,连带的会影响所产生的feed through电压也跟着不一样。

    于是对于common电压的调整就不容易达到各个灰阶表现都很好的结果,影像的质量便会打了折扣。而三阶驱动的方法就是为了改善这个现象而产生的,利用three level的gate driver,让经由Cgd与Cs的feed through电压互相抵消。既然没有了feed through电压,就不用再调整common电压了。不过这种三阶驱动的方式,只能使用于Cs on gate的架构。至于三阶驱动,乃至四阶TFT LCD驱动的原理,大家留到下次再跟大家先容。


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