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TFT LCD液晶显示器的驱动原理(三)

发布时间:2018-12-11

前面跟大家先容TFT LCD液晶显示器的二阶驱动原理,以及因为feed through电压所造成的影响。为了解决这些现象,于是有了三阶驱动甚至于四阶驱动的设计。接下来大家先针对三阶驱动的原理作先容


三阶驱动适用于Cs on Gste

  

      二阶驱动的原理中,虽然有各种不同的feed through电压,但是影响最大的仍是经由Cgd所产生的feed through电压,也因此在二阶驱动时需要调整common电压,以改进灰阶质量。但是由于Clc并非是一个固定的参数,让调整common电压以便改进影像质量目的不易达成。因此便有了三阶驱动的设计,希望在不必变动common电压的情形下,将feed through电压补偿回来。


       三阶驱动TFT LCD的基本原理是利用经由Cs的feed through电压,补偿经由Cgd所产生的feed though电压。也就是因为需要利用Cs来补偿,所以三阶驱动的方法只能使用在面板架构为Cs on gate的方式。图1就是三阶驱动gate driver电压的波形,从这个三阶驱动的波形中大家可以知道,三阶驱动波形跟二阶驱动不一样的是,它的gate driver驱动波形之中,会有三种不 一样的电压。当gate driver关闭时,会将电压拉到最低的电压,等到下一条的gater driver走线也关闭后,再将电压拉回。而这个拉回的电压,就是为了去补偿下一条线的feed through电压。也就是说,每一条gate driver走线关闭时,经由Cgd所产生的feed through电压,是由上一条走线将电压拉回时,经由Cs所产生的feed through电压来补偿。既然是经由拉回的电压来补偿,那拉回电压的大小要如何计算呢?上次有提到feed through电压的计算方式,大家可以依照上次的公式来计算所需的电压 :

    经Cgd的Feed through电压 = (Vg_high - Vg_low)×Cgd / (Cgd + Clc + Cs) ; Vg_high与Vg_low分别为gate driver走线打开与关闭的电压。

    经Cs的Feed through电压 = (Vp2 - Vp1)×Cs / (Cgd + Clc + Cs);Vp2与Vp1分别为上一条gate走线拉回前与拉回后的电压。

    如果需要两者互相抵消,则经Cgd的Feed through电压需要等于经Cs的Feed through电压。所以需拉回的电压为Ve=Vp2-Vp1=(Vg_high - Vg_low)×Cgd / Cs ,而从图1中大家知道Vg_high - Vg_low= Vg + Ve,所以需拉回的电压Ve= (Vg + Ve)× Cgd / Cs,也就是Ve= Vg×Cgd / [Cs - Cgd]。

    从上述的公式推导中,大家发现虽然Clc会影响feed through电压的大小,但是藉由三阶驱动的方式,Clc的影响就不见了。因此当大家在面板制程与gate drvier的打开电压确定之后,就可以精确地计算出所需要的拉回电压了。

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掌握拉回电压 即可补偿电压分布

    图2是三阶驱动TFT LCD的电压分布示意图。大家可以看到最左边的是由source driver所输出的电压分布,这是显示电极所充电电压的最原始状况。而中间的电压分布,就是显示电极受到经由Cgd的feed through电压影响的变化。一般二阶驱动就是只有到这里,所以需要修正common电压的大小,以便减少灰阶的失真程度。而三阶驱动藉由Cs的feed through电压影响的情形,则可以由最右边的电压分布来看出。在这时候,只要拿捏好拉回电压Ve的大小,便可以将原本受到经由Cgd的feed through电压影响的电压分布,补偿到跟最左边的电压分布一样,如此一来就不必再去修正common电压的大小了。

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 图3是三阶驱动TFT LCD的电压波形图。正如先前所说过的,由于三阶驱动需要利用前一条的gate driver走线来补偿,所以只能使用于Cs on gate的架构。而且由于有电压补偿的关系,common电压就不必再做修正了。

    在图3中,属于gate driver电压有两种,一个是前一条gate driver的电压波形,用虚线来表示。而用实线表示的是属于打开显示电极电压波形的gate driver走线电压。从此图形可以知道,实线的gate driver走线关闭时,会经由Cgd产生一个feed through电压,而这个向下的电压偏移量,在前一条gate driver走线的拉回电压经Cs所产生的feed through电压影响后,便可以让显示电极恢复到原先的电压准位。而前一条gate driver走线经由Cs的Feed through电压还有另一种状况,那就是在前一条gate driver走线打开时所产生的feed through电压,这个电压值虽然很大,不过由于其影响的时间,相对于整个frame来说,相当的短,因此对显示画面并不会有多大的影响。

 

设计拉回电压︰使用两次的feed through电压补偿 

    图4是使用三阶驱动TFT LCD针对gate driver走线电压变动所形成的feed through电压,更仔细地显示电极电压波形图。跟图3不一样的是,这个图形有考虑到当gate driver走线电压拉回时经由Cgd所造成的feed through电压。原本拉回电压是为了补偿下一条gate driver走在线的显示电极,但是它的副作用就是也会对gate driver走线所在位置的显示电极产生影响。所以拉回电压的设计考量,并不是一次将所有电压补偿回来,而是使用两次的feed through电压补偿。一次是上一条gate driver走线经由Cs的feed through电压来补偿,一次则藉由显示电极所在位置的gate driver走线,它的拉回电压经由Cgd的feed through电压来补偿。

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总括来说,使用三阶驱动的方式比起二阶驱动的方式来说,可以不用调整common电压就可以克服feed through电压的影响。而且也可以避免由于Clc的非线性关系所造成的灰阶问题。不过跟底下要先容的四阶驱动比较起来,它仍然需要使用较高输出电压的source driver。接下来要先容的四阶驱动,它在common电压固定不变的状况下,并不需要使用高电压输出的source driver,就可以达到分别出正负极性电压的结果了。

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四阶驱动不需使用高压输出Source Driver即可正负分压 

    图5是四阶驱动gate driver走线的电压基本波形。大家可以看到负责正极性与负极性的gate driver走线电压是不一样的。负责负极性的gate driver走线电压在电压关闭时,会往下拉到一个比一般关闭时的电压更低的准位,等到下一条走线的电压关闭后,再将电压拉回到一般关闭电压的准位。

    而负责正极性的gate driver走线电压则是在电压关闭时,电压并没有一口气拉到一般关闭的电压位准,而是等到下一条gate driver走线关闭后,再将电压下拉到一般关闭的电压准位。而这两种极性的电压位准总共有︰打开的电压、关闭的电压、比关闭电压高的位准以及比关闭电压更低的电压,总共4种。这是为什么叫做四阶驱动的原因。

    从图5来看,大家会发现,同样一条gate driver走在线的显示电极,都必须属于同一种显示的极性,不是正极性,就是负极性。因此采用四阶驱动就只能使用line inversion的显示方式。不过这样一来,跟使用dot inversion驱动方式的面板来说,显示画面的质量变会变得更差,flicker与cross talk的效应会更明显。这也是为什么四阶驱动很少有人使用的缘故,虽然四阶驱动可以使用驱动电压较低的source driver,但是它的gate driver复杂度升高,而且画面质量下降,当然想要让四阶驱动的面板使用dot inversion并不是不可以,只是需要更改面板上的TFT薄膜晶体管的配置方式,以及加大显示控制器内的存储器大小,来同时储存两条gate driver走在线的所有显示电极的资料,整个硬件的复杂度会更高,成本又会加大,比较起来倒不如使用line inversion且common电压变动的面板极性显示方式。

    四阶驱动TFT LCD原理简单来说,是利用前一个gate driver走线经由Cs的feed through电压,在正极性时将显示电极的电压提升到很高的电压,而在负极性时将显示电极的电压,下拉到很低的电压,以便将显示电极的电压分别出给正极性或是负极性的电压位准之用。如此一来,source driver的驱动电压范围虽然不大,但是却可以同时给正极性以及负极性的显示电极电压来用。

 

Gate driver走线电压变化可形成正负极性两种电压 

    图6是四阶驱动的电压分布示意图,图中最左边的是source driver输出电压的范围。不管是正极性的画面,或是负极性的画面,都是使用相同的输出电压范围。因此使用于四阶驱动的source driver,其输出电压范围比起一般的source driver要小的多。图6中间则是受到gate driver走线关闭时,经由Cgd的feed through电压影响的显示电极电压范围,而图6右边则是最后分别出正负极性的显示电压范围。

    从图中大家可以知道,因为受到经过Cgd的feed through电压影响,若是要将正负极性的电压范围分开的话,对于正极性的电压范围,往上提升的电压会比较大,其往上提升的电压,是由上一条gate drive走线电压往上拉经由Cs的feed through电压来形成。因为所需的电压比较大,所以上一条gate driver走在线的拉回电压也比较大。

    而对于负极性的显示电压范围的形成,也是利用上一条gate driver走在线的电压变化来完成。跟正极性的显示电极电压不一样的是,它需要的是下拉的feed through电压,以便形成负的显示电极电压范围。它所需要的下拉电压 跟正极性的上拉电压比较起来会比较小。不过对于调整后正负极性的显示电压范围来说,它们相对于common电压的距离要一样,这样对于同一个灰阶的正负极性电压,显示出来的画面才会一致。

    从整个图6来说,大家可以发现,对于source driver的输出电压,如同前面所说的,并不需要有正负两种不同极性的显示范围。只要利用上一条gate driver走线的电压变化,来帮助形成正负极性的两种电压范围即可。

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Source driver充好电后会再经过三次电压变化 

    至于在显示电极上的电压变化波形,大家则可以利用图7跟图8来说明其电压变化的原理。图7是负极性显示电极电压的波形变化,从图中大家可以知道,显示电极电压从source driver充好电后,会再经过三次的电压变化。首先是本身gate driver走线电压关闭时,经由Cgd所产生的feed through电压影响,由于电压关闭的关系,会把显示电极的电压往下拉。其次是上一条gate driver走线下拉时,经过Cs的feed through电压。这个电压的影响很重要,因为它是将电压调整成负极性电压的主要成分,必须能够将整体的电压调整到所需要的准位元。最后是本身的gate driver走线电压拉回时,经由Cgd的feed through电压的影响。由于拉回电压的幅度比较小,所以整体的影响也比较少。

    图8是正极性显示电极电压的波形变化,跟负极性的电压变化一样,也有三阶段的电压变化。首先是本身gate driver走线关闭时经由Cgd的feed through电压,其次是由前一条gate drive走线电压拉回经由Cs的feed through电压,这电压是扮演将显示电极电压推升到正极性电压范围的最重要角色。而最后则是本身gate driver走线电压下拉时所产生的feed through电压,这个电压由于是经由Cgd的关系,而且变化的幅度也不大,所以影响也比较小。

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既然这些电压的操作原理,都是藉由feed through电压的影响,大家就可以利用计算feed through电压的公式,依照图9的电压定义,来推导出各阶电压的大小。其结果

如下:

    属于负极性电压的各个feed through电压:

    dV1=[Vg+Ve(-)]×Cgd/[Cs+Clc+Cgd]

    dV2= Ve(+)×Cs /[Cs+Clc+Cgd]

    dV3= Ve(-)×Cgd /[Cs+Clc+Cgd]

    属于正极性电压的各个feed through电压:

    dV4=[Vg-Ve(+)]×Cgd/[Cs+Clc+Cgd]

    dV5= Ve(-)×Cs /[Cs+Clc+Cgd]

    dV6= Ve(+)×Cgd/[Cs+Clc+Cgd]

    在图6中,大家提到补偿后的正负极性输出电压与common电压的距离应该一致,所以给正极性显示电压范围用的所有feed through电压总合应该和给所有负极性显示电压范围用的feed through电压总合应该一样。所以dV1+dV2-dV3应该等于-dV4+dV5-dV6。合并化简后,大家可以得到 :

    Ve(-) - Ve(+) = 2Vg×Cgd / Cs

    也就是说,只要Ve(-)与Ve(+)的差值,符合上述公式,就可以达到四阶驱动的效果了。而且上述公式也告诉大家一个现象,那就是公式化简后,已经没有了Clc的成分存在。因此它跟三阶驱动一样,不会受到Clc非线性的影响。至于Ve(-)及Ve(+)的大小如何决定呢?大家回过来观察dV1+dV2-dV3与-dV4+dV5-dV6的化简结果:

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

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

    只要大家依照液晶的特性,便可得知需要向上或是向下的feed through电压总量需要多少才够(一般是液晶的threshold电压与最大工作电压加起来的一半),再参考面板设计的参数Vg、Cgd、Cs的大小,就可以计算出所需的Ve(+)与Ve(-)了。在数学上来说,当你把向上与向下的feed through总量,都设为0时,就可以得到 Ve(+)=-Ve(-),这时候四阶驱动就变成三阶驱动了。因此三阶驱动也可以说是四阶驱动的一个特例。


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