液晶显示器驱动系统讲义

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液晶顯示器驅動系統

? ? ? ? ? ? ? ?

2018/7/9

課程大綱 液晶物質簡介 液晶的電光效應 液晶基本驅動原理 STN LCDs 驅動原理 TFT LCDs 驅動原理 影響TFT LCDs 畫面品質的因素 Driver IC 簡介 TFT LCDs 模組及介面技術簡介

1

液晶物質的相變化

加熱 冷卻 加熱 冷卻

固體結晶

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液晶

液體

2

液晶分子的種類

Smectic LC 層狀液晶

Nematic LC 線狀液晶

Cholesteric LC 膽固醇狀液晶

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3

液晶分子的排列

Crystalline

K Biaxial

Liquid

SmC

Crystalline

SmA Unaxial N

Liquid L

Isotropic Temperature

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液晶的分類

液晶 分子排列狀態 層狀液晶 Smectic 線狀液晶 Nematic

液晶 形成方式 熱致性液晶 Thermotropic

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膽固醇狀液晶 Cholesteric

溶致性液晶 Lyotropic

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液晶的電光特性

? 異向性 (Anisotropic) – 排列因數 ( S ? ?n ) – 折射率 ( ?n ? ne ? no ) – 黏滯係數 (? ) – 介電係數 ( ?? ? ? ? ? ) // ? – 電導係數 – 磁化率 – 彈性係數 ( ?11 , ?22 , ?33 )

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液晶的光學特性

Optical Axis

no ne

no ? n?

Helical Axis Optical Axis

ne ? n//

no ne

2 2 n// ? n? no ? 2 ne ? n?

Optical Positive

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Optical Negative

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液晶驅動原理

電極 液晶

電極

Field OFF

?? ? ? // ? ? ? ? 0

Field ON

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液晶顯示器主要優缺點

? 優點

– – – – – 低電壓驅動。 低消耗電流。 體積薄,重量輕。 可實現大面積化。 彩色化容易。

? 缺點

– 視角限制。 – 外加被光源或投射光源。 – 溫度操作範圍限制。

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液晶顯示器的種類

扭轉型 (Twinst Nematic, TN) 1971 超扭轉型 (Super Twinst Nematic, STN) 1984 雙層雙扭轉型 (Double Layer STN, DSTN)1987 光相位補償超扭轉型 (Film STN, FSTN)1988 主動驅動超扭轉型 (AASTN or MLS STN) 1992 強介電型 (Ferroelectric Liquid Crystal : FLC) 1980 PDLC (Polymer Dispersive LC) 1988 PSCT (Polymer Stabilized Cholesteric Texture) 1993 Other DS (Dynamic Scattering) 1968 PC (Phase Change) 1968 GH (Guest Host) 1968 ECB (Elcetrical Control Birefregency) 1971 BTN (Bistable Twist Nematic) 1995 IPS (In Plane Switch) 1995 VA (Vertical Alignment)1996

10

液晶 顯示器

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TN 型 LCDs 顯示原理

Field OFF

Twist 90

Field ON

液晶分子

利用液晶的旋光特性 調變穿透光線

液晶的旋光特性消失

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STN LCDs 顯示原理

Twist 270

Field OFF

利用液晶的雙折射 特性調變穿透光線

液晶分子

Field ON

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TN & STN 電光轉移曲線 V-T Curve

T

100% 90%

Vns TN Vs TN

10%

Vns Vs STN STN

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V

13

TN 與 STN 的電壓漂移

T

100%

T TN Mode

100%

STN Mode

?T2 ?T1

?T2

?T1

?V

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V

?V

V

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LCDs 驅動方式

?直接驅動法 (Direction Addressing)

?靜態驅動法 (Static Addressing) ?多工驅動法 (Multiplex Addressing) ?主動驅動法 (Active Addressing / Multi-Line Selection)

?主動矩陣驅動法 (Active Matrix Addressing)

?兩端元件 (MIM, Diode..) ?三端元件 (A-Si:H TFT, Ploy-Si TFT ..)

?Plasma Addressing (PALC) ?熱掃描驅動法 (雷射掃描) ?光掃描驅動法 (電子速掃描

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LCDs 靜態驅動法

Vsig XOR Vs LC Cell Vc

Vsig Vc Vs Vc-Vs

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Vc ON OFF

多工驅動法 (振幅選擇驅動法, APT)

1 2 F 0 Row 1 Row 2 Row 3 ?T 垂 直+D 影 0 像 訊-D 號 Row N ON

F-D

T Frame 1 3 4

N 1

Frame 2 2 3 Column 1

F+D

1 2

Frame 1 3 4

+D -D +D F+D -D

N

ON ?

0 0 0

?F ? D?2 ? ?N ?1?D2

N

水 平 掃 描 訊 號

OFF ? SR ? ON

?F ? D?2 ? ?N ?1?D2

N

OFF ON

+D -D

OFF

F-D

OFF +D

F ? N D opt

SR opt ? N ?1 N ?1

-D

0

液晶畫素電壓

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17

多工驅動法的限制

1.3 1.2 1.1 1.0

N 2 3 3 4 8 16 32 64 100 128 200 240 400 Bias 1:2 1:2 1:3 1:3 1:4 1:5 1:7 1:9 1:11 1:12 1:15 1:16 1:17 S.R. 2.23 1.73 1.92 1.73 1.45 1.29 1.2 1.15 1.11 1.09 1.08 1.06 1.06

18

100

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200

APT 驅動波形

4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 0 <ON>=1 .38 7 N=10 <OFF>=1.0 00

<ON>=1 .25 5

N=20

<OFF>=1.0 00

<ON>=1 .17 2

N=30

<OFF>=1.0 00

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19

IAPT 驅動波形

正極性驅動 +F 0 0 水平電壓波形 +D 負極性驅動 正極性驅動 波形偏移+D F+D 負極性驅動 電壓偏移+F +F 0 F+D F-D

+D -D F+D +D -D

+2D 垂直電壓波形 0 F+D 液晶畫素 電壓波形 -D -(F+D)

+D

-(F+D)

APT Addressing

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IAPT Addressing

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APT 與 IAPT 方式比較

? APT Addressing

– Low Voltage Segment Driver : 2D – High Voltage Common Driver : 2F

? IAPT Addressing

– – – –

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Offset +D for Positive Polarity Offset +F for Negative Polarity Voltage Range of Segment Driver : F+D Voltage Range of Common Driver : F+D

21

高容量多工驅動的對策

(b)

(d)

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(a)

(c)

(e)

22

STN LCDs 規格

Operation Voltage Vop : Vlcd ? F ? D ? 1 ? N D

?

?

D 1 Bias Ratio : B ? ? Vlcd 1 ? N ? V90 ? Steepness : ? ? V ? 1? ? ?100% ? ?SR ? 1? ?100% ? 10 ?

Selection Ratio : SR opt ?

ON ?

N ?1 N ?1

SR ? ON OFF

F ? N D opt

?F ? D?2 ? ?N ?1?D2

N

OFF ?

?F ? D?2 ? ?N ?1?D2

N

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23

STN LCDs 驅動電壓計算

If Voff=2V, N=240 rows, Then :

Voff ? OFF ? ?

?

N ? 1 D 2 ? ? N ? 1?D 2 N

2

?

? 239 D ? 1.3 5D 240 D ? 1.4 8 V F ? 2 2.2 0 V

?1 5 ? 1?2

VLCD ?

?

N ? 1 D ? 2 3.6 8 V

?

Von ? ON ? 2.1 4 V S R ? 1.0 7

APT : Segment Driver : 2.96V, Common Driver : 44.40V IAPT : Segment & Common Drivers : 23.68V

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STN LCDs Drivers 架構

電源電壓 Vlcd R F+D F

串列輸入訊號 (HLHL...H) DCLK

......移位暫存器(Shifter Register)

並列輸出

R (F/D-3)R

F-D

LP H L H

...閂鎖暫存器(Latch Register) H ............................ ............................

2D

R

D

偏 壓 位 準

F+D 0 F-D 2D DF

R 接地

IAPT 驅動 IC

............................

0

IAPT 參考電壓

2D 0

2D

垂直訊號電極

2D

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25

灰階顯示 ─ FRC

?Frame Rate Control, FRC :

1st Frame Pixel 1 2nd Frame 3rd Frame 4th Frame Result 5/5 ON

Pixel 2

4/5 gray 3/5 gray

Pixel 3

Pixel 4

2/5 gray 1/5 OFF

Pixel 5

Time

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灰階顯示 ─ PWM

?Pulse Width Modulation, PWM :

ΔT D -D F f 1-f 垂直影像訊號電壓波形

水平掃描電壓波形 0 F+D F-D 液晶畫素電壓波形 +D 0 -D

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灰階顯示 ─ PHM

?Pulse High Modulation, PHM :

ΔT +D -D F f 1-f 垂直影像訊號電壓波形

水平掃描電壓波形 0 F+D 0 X +D -D ΔT/2 ΔT/2 Y F-D PWM液晶畫素波形 +D -D PHM 液晶畫素波形

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28

液晶的頻率響應

1.03 正 1.02 規 化 1.01 處 理 V50 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 10 100 頻率

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1k

10k

100k

Vertical Crosstalk of STN LCDs

正極性驅動波形 Frame N 1H 水平脈波 垂 直 A 驅 動 波 B 形 0 +D -D +D -D F-D 液 晶 A 畫 素 電 壓 波 B 形 +D F-D +D -D +D -D -D

A B

負極性驅動波形 Frame N+1

F

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30

Horizontal Crosstalk of STN LCDs

A

(a) 垂直驅動訊號 (b) L Line L

B

A

B

(c) 水平掃描波形

(d) 液晶畫素波形

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31

Frame Response of STN LCDs

慢速液晶 W 光 線 穿 透 率 B 16.6ms 液 晶 畫 素 電 壓 +20V 快速液晶

-20V

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32

Active Addressing for STN LCDs

圖框週期 F1(t) F2(t) F3(t) F4(t) F5(t) Δtk=H G1(t) ON +1 OFF -1 ON +1 OFF -1 ON +1 LCDs 矩陣

Δtk

G1(t)=(+F1(t)-F2(t)+F3(t)-F4(t)+F5(t))/√5

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33

Active Addressing 驅動電壓

G j ?t ? ? c? I ij Fi ?t ? c ? ?

i ?1 N

1 N

If Voff=2V, N=240 rows, Then : F = 0.730 X 2V = 1.460V |G| = 0.954 X 2V = 21.909V ?Output Range of Segment Driver is about 44V. ?Common Driver of Common Driver is about 3V.

Uij ?t ? ? Fi ?t ? ? G j ?t ?

? OFF ? 1 ?F ? Fi ?t ? ? 2

? ?

N N ?1

? ? ?? I

m ?1 N

2

N Ai ?t ? N ?1

1 G j ?t ? ? ? 2N? N

?

mj

Am ?t ?

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34

Segment Voltage of Active Addressing

G j ?t ? ? ? ?? ?? ?? 1 2N? N

?

?? I

m ?1

N

mj

??Tk ?Am ??Tk ?

1 ?N ? D j ??Tk ? ? D j ??Tk ?? 2N? N

? ?

? ?

?N ? 2D ??T ??V

j k

1 ?N ? 2D j ??Tk ?? 2N? N N

O

VO ? N F?

1 2N? N

?

?

1 V0 N

N 2 3 4 5 6 7 8 9

不同的元素相異數目 D 所對應的垂直驅動電壓位階 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -1 0 +1 - - - - - - - -1 -1/3 +1/3 +1 - - - - - - -1 -1/2 0 +1/2 +1 - - - - - -1 -3/5 -1/5 +1/5 +3/5 +1 - - - - -1 -4/6 -2/6 0 +2/6 +2/6 +1 - - - -1 -5/7 -3/7 -1/7 +1/7 +3/7 +5/7 +1 - - -1 -6/8 -4/8 -2/8 0 +2/8 +4/8 +6/8 +1 - -1 -7/9 -5/9 -3/9 -1/9 +1/9 +3/9 +5/9 +7/9 +1 表一. 主動驅動法的垂直驅動電壓位階分佈

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Active Addressing 的矩陣運算

行向量(Row) 時 間 ( ) 列(Column) Bit-Map Image Matrix = 時 間 ( ) Column Voltage Matrix

Row Function Matrix

列 向 ×量 (

Time

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Time

) ? F1 ??t1 ? F2 ??t1 ? F3 ??t1 ?? ? I11 I12 I13 ? ? ? ?I ? ? ? ? ? ? ? Fi ? I ij ? ? F ? t F ? t F ? t I I 1 2 2 2 3 2 21 22 23 ? ? ? ? ? ? F1 ??t3 ? F2 ??t3 ? F3 ??t3 ?? ? ? ? I 31 I 32 I 33 ? ? ? G1 ??t1 ? G2 ??t1 ? G3 ??t1 ?? ? ? G ??t ? ? ? ? ? ? ? ? Fi ? I ij ? ? G ? t G ? t G ? t 1 2 2 2 3 2 j ? ? ? ?G1 ??t3 ? G2 ??t3 ? G3 ??t3 ?? ?

36

Column

矩陣運算方式

行向量(Row) Row × Vector

列 向 量 (

Bit-Map Image Matrix

時 間 = (

列(Column)

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Time = ?tk Row

Time

Column )

列 向 量 ( Column )

) 垂直序列運算 Column Sequential

行向量(Row) 行 Row × ( Function Matrix )

第j列 Column Vector = 時 間 (

列(Column)

Time

時間序列運算 ) Time Sequential

37

Column Sequential 硬體架構

N×M 圖框記憶體

影像資訊 輸入 1轉2 多工器 N×M 圖框記憶體 水平驅動函數 唯讀記憶體 Row Function ROM 2轉1 解多工器 Ij N N N TFT LCDs 垂直驅動晶片 XOR 陣列 加法 邏輯 陣列

?

STN LCDs 垂直驅動 晶片

N×M STN LCDs 液晶層間隙4.5um 液晶材料:低黏滯係數

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Time Sequential 硬體架構

N×M 圖框記憶體 影像資訊 輸入 1轉2 多工器 N×M 圖框記憶體 水平驅動函數 唯讀記憶體 Row Function ROM 2轉1 解多工器 Ij N N N N×M圖框緩 衝記憶體 N×M圖框緩 衝記憶體 XOR 陣列 加法 邏輯 陣列

?

N TFT LCDs 垂直驅動晶片

STN LCDs 垂直驅動 晶片

N×M STN LCDs 液晶層間隙4.5um 液晶材料:低黏滯係數

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主動矩陣式液晶顯示器 AM-LCDs

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40

TFT LCDs 等效電路

Column Driver Row Drivers

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Arrangement of Color Filter

R G B R G B

R B G R B

R G B R G B

R G B R G B

G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G

Triangle

R G R G G B G B R G R G G B G B R G R G

Stripe

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W B W B R G R G W B W B

42

Pixel Structure of TFT LCDs

資料電極 Mth Data Line 掃描電極 (N-1)th Scan Line Clc 資料電極 Mth Data Line (N-1)th Scan Line 資料電極 Mth Data Line (N-1)th Scan Line Common2

Common

Common Clc

Common1 Clc

Cs Cgd

Cs Cgd Nth Scan Line

Cs Cgd

掃描電極 Nth Scan Line 液晶電容 :Clc 儲存電容 :Cs

Nth Scan Line Cs on Gate Mode

Cs on Common Mode

Cs on Gate Mode

共通電極 :Common 寄生電容 :Cgd 液晶畫素電容:Clc+Cs

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43

Cs on Common 與 Cs on Gate 架構

Cs

Common

Gate Line TFT TFT

Cs

Gate Line

Data Line

Data Line

液晶畫素

液晶畫素

Cs on Common

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Cs Common Cs

Cs on Gate

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Timing Chart of TFT LCDs

Gate 1 2 Frame Time Time

3

N

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TFT LCDs Driving Method

Frame N Columns 1 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 2 + + + + + 3 + + + + + 4 + + + + + 5 + + + + + Frame N+1 Columns 1 2 3 4 5 Frame N Columns 1 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + Lines Frame N+1 Columns 1 2 3 4 5 1 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 2 + + + + + 3 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 4 + + + + + 5 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ Frame N+1 Columns 1 2 3 4 5 1 ⌒ + ⌒ + ⌒ 2 + ⌒ + ⌒ + 3 ⌒ + ⌒ + ⌒ 4 + ⌒ + ⌒ + 5 + ⌒ + ⌒ + 1 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 2 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 2 ⌒ ⌒ Lines Lines 3 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 3 + + 4 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 4 ⌒ ⌒ 5 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 5 + + Frame N+1 Columns 1 1 ⌒ 2 ⌒ 3 ⌒ 4 ⌒ 5 ⌒ 2 3 4 5 + ⌒ + ⌒ + ⌒ + ⌒ + ⌒ + ⌒ + ⌒ + ⌒ + ⌒ + ⌒ Lines ⌒ ⌒ ⌒ + + + ⌒ ⌒ ⌒ + + +

Lines

Frame Inversion

Frame N Columns 1 2 1 + ⌒ 2 + ⌒ 3 + ⌒ 4 + ⌒ 5 + ⌒ 3 4 5 + ⌒ + + ⌒ + ⌒ + ⌒ + ⌒ + + + + Lines Frame N Columns 1 2 1 + ⌒

Row Inversion

3 4 5 + ⌒ + Lines

Lines

2 ⌒ + ⌒ + ⌒ 3 + ⌒ + ⌒ + 4 ⌒ + ⌒ + ⌒ 5 + ⌒ + ⌒ +

Column Inversion

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Dot Inversion

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Direct Driving of TFT LCDs

GrayScale Voltage

V7 V6 V5 V4 V3 V2 V1 V0 V0 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7

DC Bias of Common

1 Frame / 1 Line

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AC Modulation Addressing of TFT LCDs

Graylevel Voltage

V0 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7

1Frame / 1 Line

V7 V6 V5 V4 V3 V2 V1 V0

Common Waveform

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48

TFT LCDs 的電光效應 Direct Addressing

T 負極性訊號時 光電轉移曲線 共通電極訊號位準 正極性訊號時 光電轉移曲線 100%

Vt h Vth:液晶的操作臨界電壓 3.5V 負極性時 臨界電壓

Vt h 6.5V 正極性時 臨界電壓 5V V

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TFT LCDs 的電光效應 AC Addressing

T 正極性訊號時 共通電極訊號位準 100% 負極性訊號時 光電轉移曲線 正極性訊號時 光電轉移曲線 Vth -1.5V Vth:液晶的操作臨界電壓 Vth 5V V 負極性訊號時 共通電極訊號位準

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50

TFT LCDs Driving Waveform Cs on Common (一)

Gate Source Drain Tg Vgpp ?Vgd Vspp ?Vgd Vst:影像訊號的直流位準 Vgon-min Vgh Vsh Vdh Vst Common Vsl Vdl Vgoff-min Vgl

TFT LCD 驅動波形 (Cs on Common, Common = DC Bias)

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TFT LCDs Driving Waveform Cs on Common (二)

Gat e Vgh Vgon-min Vdh Source Drain Vsh Vgpp ?Vgd Vspp Vcpp ?Vgd Vst Vct Vsl Common W aveForm

Vdl Vgoff-min Vgl

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TFT LCDs Driving Waveform Cs on Gate

Gate Source Drain Vgon-min Tg Vspp ?Vgd Vst:影像訊號的直流位準

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Vd' Vd" Vgh

Vgpp ?Vgd

Vsh Vdh Vst Vc: Common Vsl Vgoff-minVdl Vgl

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TFT 電容效應的影響

?Vgd ? C gdVghl C gd ? Cs ? CLC ? Csd ? C gdVghl C gd ? Cs ? CLC

Csd Cgs Cgd

Vghl ? Vgh ? Vgl ? 20 ? ?? 10? ? 30V ? ?Vgd ?

Ex : CLC ? 0.2 pF, Cs ? 0.8 pF, C gd ? 0.05 pF 0.05 30 ? 1.43V 0.2 ? 0.8 ? 0.05

Csdb

Pixel

Csdb

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液晶電容的效應

? 液晶電容 CLC 會隨液晶作用電壓的改變而變化,因此 在驅動液晶時會有殘存的 DC 成份,其所造成的影響: – Image Sticking. – Picture Flicker. ? 液晶作用電壓大時,液晶分子趨向平行電場方向排列: ? 液晶作用電場小時,液晶分子趨向垂直電場方向排列:

?Vp ? ?Vgd? ? ?Vgd // ? CgdVghl Cgd ? Cs ? C? ? CgdVghl Cgd ? Cs ? CII

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二階驅動方式的效應

垂直影像訊號Vs Vsh Ch(N-1) 水平掃描訊號Vg Vct Csd Cgs Ch(N) 水平掃描訊號Vg Clc Cs Vth Vst Vth Vsl White(-) 負極性驅動 Cgd Black(-) 資料驅動晶片 輸出訊號電位 Black(+) 正極性驅動 White(+) ΔVp 正極性驅動 White(+) White(-) 負極性驅動 Black(-) 液晶畫素電位 Vct=Vst-ΔVp Black(+)

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TFT 補償驅動法

Vge ?

Vghl 水 Ch(N-1) 平 脈 波 掃 描 波 形 Ch(N) Ch(N-1) Vge Vghl Ch(N) Vge 影像訊號 波形 Vs Vst=Vct 影像訊號 波形Vs Vst Vge(-)

CgdVghl Cs

Vghl

Ct ?V * C gdVghl Vge ? ? ? ? ? Cs Cs Vge ? ? ? ?

Vge(+)

Ct ?V * C gdVghl ? Cs Cs

3 Level Addressing

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4 Level Addressing

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3 Level Addressing

B(+) B(+) 正極性 W(+) Vst=Vct W(-) W(-) 負極性 B(-) Ct=Cs+Clc+Cgd B(-) 負極性 CsVge/Ct 負極性 B(-) W(+) W(-) 正極性 CsVge/Ct W(+) Δ Vp=CgdVghl/Ct B(+) 正極性

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4 Level Addressing

B(+) 正極性

B(+) Vst=Vct

W(-) W(-) B(+)

W(+) CsVge(-)/Ct

ΔVp(+) ΔVp=CgdVghl/Ct

正極性 負極性 W(+) B(-) W(+) B(-) 負極性 B(-) CsVge(+)/Ct W(-)

ΔVp(-)

Ct=Cs+Clc+Cgd

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Cs on Gate 電壓補償方式

經由 TFT 的 Cgd 造成的電壓漂移 經由 TFT 的 Cgd 造成的電壓漂移 經由 Cs 將前一條水平脈波的補償波形 耦合到動作的液晶畫素, 補償 Cgd 造成 的電壓漂移及改善液晶畫素內的直流電 電壓殘餘.

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Comparsion of Addressing Method

Common Output Range of Data 2-Level V Driving 3-Level V Driving (Note 1) 4-Level V Driving V : 可使用 X : 不可使用 動 Frame Line Column Dot Modulation Modulation DC DC Low Voltage Low Voltage High Voltage High Voltage

V V (Note 1) V

V V X

V V X

Note 1: Common 必須採用 DC Mode 驅 表一 Driving Method

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Horizontal Line Crosstalk

B

A

Black Level Signal of A Line Signal of B Line Gray Level Gray Level

Color Filter Substrate

Common Waveform Difference of Effective Voltage in B Line

Csc

Csc

Csc

TFT Substrate

62

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Horizontal Area Crosstalk

B

A

Signal of A Line Signal of B Line

Common W aveform V1 ? ?V1< ?V2 Difference of Effect ive Voltage in B Line

?V2

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63

Vertical Area Crosstalk

Up

Source Line Gate Line

Low

Csd

Pixel

Csdb Csdb

Up

Low

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64

Shading Crosstalk

Ig*n Cruuent From Rg Gate Driver N-1

Rs Rg

Ig*(n-1)

Rg Rs

Ig*(n-2)

Rg Rs

Is Cgs

Ig Cs

Rg

Is Cgs

Ig Cs

Rg

Is Cgs

Ig Cs

Rg

Current From Gate Driver N

Rg

Ig

Ig

Ig

Ig*n Ic

Ig*(n-1) Ic Clc

Ig*(n-2) Ic Clc Ic*(n-1) Ic*(n-2) Clc Ic*(n-3)

Common Plate Current From Common Plate Ic*n Connection

圖2.7a Line Inverion Charging Path

2018/7/9 65

Gate Pulse 的傳遞延遲

?Gate (Scan) Line 的等效阻抗為一連串的串聯 RC 網路, 因此 Gate Pulse 在傳遞時會造成波形的傳遞延遲失真。

N

R

C

R

C

R C

R

C

N2 ? eq ? RC 2

2018/7/9 66

液晶畫素邊際電場效應(一)

Reverse Tilt 共通電極

VP

VL

VA

Reverse Tilt

畫素電極

鄰近電極

VA < VL : Disclination Appeared VA > VL : Disclination Disappeared VP > LC Threshold Voltage

2018/7/9

67

液晶畫素邊際電場效應(二)

水平驅動電極

TFT

Reverse Tilt Domain Disclination Line 垂 直 驅 動 電 極 Rubbing Direction

改善方法 1.增加液晶分子的 預傾角(Pretilt Angle) 2.增加 Black Mask 的 遮蔽面積

2018/7/9

68

驅動 IC - Scan Driver

STVR CPV R/L Bidirectional Shift Register STVL VDDD VSSD STVR G1 G2 Gx

Level Shift Circuit

VDDA VSSA

Output Buffer

G1 G2 G3 ………...

STVL

2018/7/9

69

Serial In - Serial Out Analog Data Driver

Multiplexer

Data j Data j+1 Video In

Sample and Hold

Qi Shift Register Qi+1

Select

Pro:Very simple. Fewer external connections. Con:Many analog inputs. Reduced pixel charging time. System Note : Sample clock : (Dot clock) / N, N Phases. Video Phase : N

2018/7/9

Variation on Multiplexer Pro:Video Input. Con:Fast data line charging needed. Reduced pixel charging time. System Note: Shift Clock : (Dot Clock) / 3 for Mono. Video Phase : 3 for Mono.

70

Serial In - Parallel Out Analog Data Driver (一)

Double Sample and Hold / Single Phase

Qi Video In Shift Register Qi+1 Qi+2 Qi+3

T

Sample N

N

N+1

N+2

T

Sample N+1

T

Sample N+2

Out N-1

Out N

Out N+1

Transfer

Pro:Video Input. Small load on fast sample-and-holds. Full line time to charge pixel. Con:Complex analog circuit. Physical size. System Note : Shift Clock : Dot Clock. Video Phase : Single Phase.

71

2018/7/9

Serial In - Parallel Out Analog Data Driver (二)

Double Sample and Hold / Multi-Phase

Qi Shift Register Qi+1

Video In

Transfer

Por : Reduced operation frequency . System Note : Video In : N Video Phase : N Shift Clock : (Dot Clock) / N.

2018/7/9

72

Digital Data Driver (一)

Digital-to-analog Converters

Serial Data Bus Shift Register Count Count Count Count Count DAC DAC DAC DAC DAC Ramp In

Sampled Ramp

Shift Register

Por : Digital input. Con : Complex. Requires sufficient precision to correct for LC response variation.

Por : Digital input. Programmable ramp. Con : Complex circuit. High speed digital circuits. Reduced pixel charging time.

73

2018/7/9

Digital Data Driver (二)

1-of-n Selector

Shift Register

Decode External Fixed voltages

Decode

Simple DAC Pro : Digital input. Programmable external voltages. Con : Complex circuit. High speed digital circuits. Many pass gates per data line.

2018/7/9

74

Digital Data Driver (三)

All Digital Circuit

T1 T2 T3 T4

V64 V56 V48 V40 V32 V24 V16 V8 V0

T1 T2

7 6 5 4 4 2 3

1

D0 D1 D2 D3 D4 D5

S0 S8 S16 S24 S32 S40 S48 S56 S64

T3

OUT

T4

Fig4. Waveform of TMS

V0

Fig3. Sturcture of the SCOL

SCC

V8

Fig5. Output Waveform when data is 6

Vaverage?

2018/7/9

m Vi ? nVj m?n

75

Gamma Correction of LCD

攝像機測 Y

受像機測

Analog Correction : 2 ~ 3 Segment Approach.

取像元件

顯像元件

Digital Correction : External fixed voltage.

X

取像電路 顯像電路

2018/7/9

76

Gamma Correction Simple Case

攝像機測 Y 受像機測 Transmission 取像元件 顯像元件 X 取像電路 顯像電路 Voltage

2018/7/9

77

The Block Diagram of the TFT LCD Module

TFTLCD Module

Data Driver RGB Timing Controller Scan Driver

TFT-LCD PANEL

CLK Hsx Vsx

CCFL Backlight

2018/7/9 78

The TFT LCD Module Type

? Classified into two kinds by data driver

– Analog type TFT-LCD module

? The analog data drivers ? The analog interface to PC ? Only NEC

– Digital type TFT-LCD module

? The digital data drivers ? The ADC/ LVDS/PanelLink interface to PC ? Mainstream

2018/7/9 79

The Analog Interface

PC Analog Module

OSD PreAmp Level Shifter

TFTLCD Module

Analog Data Driver

Analog RGB

Graphics Controller Hs Vs

Analog RGB

Timing Controller

Scan Driver

TFT-LCD PANEL

Controller

PLL

CLK Hsx Vsx

CCFL Backlight

2018/7/9 80

The ADC Interface

PC ADC Module

OSD ADC Buffer

TFTLCD Module

Digital Data Driver

Analog RGB

Graphics Controller Hs Vs

Digital RGB

Timing Controller

Scan Driver

TFT-LCD PANEL

Controller

PLL

CLK Hsx Vsx

CCFL Backlight

2018/7/9 81

The LVDS/PanelLink Interface

PC

Digital RGB

Graphics Controller

CABLE

TFT-LCD Module

Digital Data Driver Digital RGB

Timing Controller

Scan Driver

LVDS/ PanelLink

Clock Hs Vs Tx

LVDS/ PanelLink

Rx Clock Hs Vs

TFT-LCD PANEL

CCFL Backlight

2018/7/9

82

Analog/ADC/LVDS/PanelLink

? Analog Interface

– – – – True Color Sampling Error Low Edge Sharpness Noise in the Analog Signal Transmission

2018/7/9

83

Analog/ADC/LVDS/PanelLink

? ADC Interface

– – – – – – Mainstream in the Desktop LCD Monitor Interface Sampling Error Low Edge Sharpness Noise in the Analog Signal Transmission EMI Issue for High Resolution Format Low Image Quality and High Cost

2018/7/9

84

Analog/ADC/LVDS/PanelLink

? LVDS Interface

– – – – – – Mainstream in the Notebook PC Interface High Edge Sharpness Reducing EMI & Number of Cable Line High Image Quality and Low Cost Short Transmission Length & Low Noise Margin Compatible Issue

2018/7/9

85

Analog/ADC/LVDS/PanelLink

? PanelLink Interface

– – – – – Application in the Desktop LCD Monitor Interface High Edge Sharpness Reducing EMI & Number of Cable Line High Image Quality and Low Cost Second Supply Source Issue

2018/7/9

86

大面積高解析度 TFT LCDs 的開口 率影響因素

大尺寸面積 增加水平驅動 電極阻值 增加水平驅動 波形的時間常數 增加水平掃描線 減少液晶畫素的 有效充放電時間 增加解析度 增加 Cgd/CLC 的比值 增加 ΔVgd 降低畫面品質 增加水平驅動 電極的寬度 增加 TFT 的 尺寸 增加儲存電容 增加 Black Matrix CS 的面積 的遮蔽面積

增加 Reverse Tilt Domain 與畫素 面積的比例

降低開口率

2018/7/9 87

Plasma Addressing LCDs

Sampling Capacitor

Negative Clow Faraday Dark Positive Column

Analog Signal

-200V

Cathode -200V

Anode Cathode

Anode

Virtual Connection

0 -200

2018/7/9

88

In-Plane-Switch Mode LCDs

出射光 解偏版 出射光之 極化狀態 玻璃基板 液晶分子 作用電極 作用電場方向

偏光版 入射光 未加電場 "OFF" 狀態 施加電場 "ON" 狀態

2018/7/9

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Vertical Alignment Mode LCDs

出射光

解偏板

出射光之 極化狀態

玻璃基板

液晶分子

未加電場 OFF 狀態

偏光板 入射光

施加電場 ON 狀態

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Comparison of Liquid Crystal Modes

TN

Off(White) On(Black)

IPS

Off(Black)

On(White)

VA

Off(Black)

On(White)

Strongly dependent on viewing angle 低驅動電壓 視角窄小

Slightly dependent on viewing angle 廣視角 液晶反應速度慢 畫面對比低 畫面品質差

Slightly dependent on viewing angle 畫面對比高 廣視角 液晶反應速度快 彩色畫面顯像佳

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