TFT LCD顯示器的驅動原理

?TFT 液晶顯示器的驅動原理 （一）
??? 我們針對TFT LCD的整體系統面來做介紹, 也就是對其驅動原理來做介紹, 而其驅動原理仍然因為一些架構上差異的關系, 而有所不同. 首先我們來介紹由于Cs(storage capacitor)儲存電容架構不同, 所形成不同驅動系統架構的原理.
??? Cs(storage capacitor)儲存電容的架構
??? 一般最常見的儲存電容架構有兩種, 分別是Cs on gate與Cs on common這兩種. 這兩種顧名思義就可以知道, 它的主要差別就在于儲存電容是利用gate走線或是common走線來完成的. 在上一篇文章中, 我曾提到, 儲存電容主要是為了讓充好電的電壓,能保持到下一次更新畫面的時候之用. 所以我們就必須像在CMOS的制程之中, 利用不同層的走線, 來形成平行板電容. 而在TFT LCD的制程之中, 則是利用顯示電極與gate走線或是common走線,所形成的平行板電容,來制作出儲存電容Cs.(查看圖示請點擊下載PDF全文)
??? 圖1就是這兩種儲存電容架構, 從圖中我們可以很明顯的知道, Cs on gate由于不必像Cs on common一樣, 需要增加一條額外的common走線, 所以它的開口率(Aperture ratio)會比較大. 而開口率的大小, 是影響面板的亮度與設計的重要因素. 所以現今面板的設計大多使用Cs on gate的方式. 但是由于Cs on gate的方式, 它的儲存電容是由下一條的gate走線與顯示電極之間形成的.(請見圖2的Cs on gate與Cs on common的等效電路) 而gate走線, 顧名思義就是接到每一個TFT的gate端的走線, 主要就是作為gate driver送出信號, 來打開TFT, 好讓TFT對顯示電極作充放電的動作. 所以當下一條gate走線, 送出電壓要打開下一個TFT時 ,便會影響到儲存電容上儲存電壓的大小. 不過由于下一條gate走線打開到關閉的時間很短,(以1024*768分辨率, 60Hz更新頻率的面板來說. 一條gate走線打開的時間約為20us, 而顯示畫面更新的時間約為16ms, 所以相對而言, 影響有限.) 所以當下一條gate走線關閉, 回復到原先的電壓, 則Cs儲存電容的電壓, 也會隨之恢復到正常. 這也是為什么, 大多數的儲存電容設計都是采用Cs on gate的方式的原因.
??? 至于common走線, 我們在這邊也需要順便介紹一下. 從圖2中我們可以發現, 不管您采用怎樣的儲存電容架構, Clc的兩端都是分別接到顯示電極與common. 既然液晶是充滿在上下兩片玻璃之間, 而顯示電極與TFT都是位在同一片玻璃上, 則common電極很明顯的就是位在另一片玻璃之上. 如此一來, 由液晶所形成的平行板電容Clc, 便是由上下兩片玻璃的顯示電極與common電極所形成. 而位于Cs儲存電容上的common電極, 則是另外利用位于與顯示電極同一片玻璃上的走線, 這跟Clc上的common電極是不一樣的, 只不過它們最后都是接到相同的電壓就是了.
??? 整塊面板的電路架構圖(查看圖示請點擊下載PDF全文)
??? 從圖3中我們可以看到整片面板的等效電路, 其中每一個TFT與Clc跟Cs所并聯的電容, 代表一個顯示的點. 而一個基本的顯示單元pixel,則需要三個這樣顯示的點,分別來代表RGB三原色. 以一個1024*768分辨率的TFT LCD來說, 共需要1024*768*3個這樣的點組合而成. 整片面板的大致結構就是這樣, 然后再藉由如圖3中 gate driver所送出的波形, 依序將每一行的TFT打開, 好讓整排的source driver同時將一整行的顯示點, 充電到各自所需的電壓, 顯示不同的灰階. 當這一行充好電時, gate driver便將電壓關閉, 然后下一行的gate driver便將電壓打開, 再由相同的一排source driver對下一行的顯示點進行充放電. 如此依序下去, 當充好了最后一行的顯示點, 便又回過來從頭從第一行再開始充電. 以一個1024*768 SVGA分辨率的液晶顯示器來說, 總共會有768行的gate走線, 而source走線則共需要1024*3=3072條. 以一般的液晶顯示器多為60Hz的更新頻率來說, 每一個畫面的顯示時間約為1/60=16.67ms. 由于畫面的組成為768行的gate走線, 所以分配給每一條gate走線的開關時間約為16.67ms/768=21.7us. 所以在圖3 gate driver送出的波形中, 我們就可以看到, 這些波形為一個接著一個寬度為21.7us的脈波, 依序打開每一行的TFT. 而sourcedriver則在這21.7us的時間內, 經由source走線, 將顯示電極充放電到所需的電壓, 好顯示出相對應的灰階.
??? 面板的各種極性變換方式
??? 由于液晶分子還有一種特性,就是不能夠一直固定在某一個電壓不變, 不然時間久了, 你即使將電壓取消掉, 液晶分子會因為特性的破壞, 而無法再因應電場的變化來轉動, 以形成不同的灰階. 所以每隔一段時間, 就必須將電壓恢復原狀, 以避免液晶分子的特性遭到破壞. 但是如果畫面一直不動, 也就是說畫面一直顯示同一個灰階的時候怎么辦? 所以液晶顯示器內的顯示電壓就分成了兩種極性, 一個是正極性, 而另一個是負極性. 當顯示電極的電壓高于common電極電壓時, 就稱之為正極性. 而當顯示電極的電壓低于common電極的電壓時, 就稱之為負極性. 不管是正極性或是負極性, 都會有一組相同亮度的灰階. 所以當上下兩層玻璃的壓差絕對值是固定時, 不管是顯示電極的電壓高, 或是common電極的電壓高, 所表現出來的灰階是一模一樣的. 不過這兩種情況下, 液晶分子的轉向卻是完全相反, 也就可以避免掉上述當液晶分子轉向一直固定在一個方向時, 所造成的特性破壞. 也就是說, 當顯示畫面一直不動時, 我們仍然可以藉由正負極性不停的交替, 達到顯示畫面不動, 同時液晶分子不被破壞掉特性的結果. 所以當您所看到的液晶顯示器畫面雖然靜止不動, 實際上里面的電壓是在不停更換的, 而其中的液晶分子正不停的一次往這邊跳轉。