Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 放大/轉換
 
 
放大/轉換  

TFT液晶螢幕的新驅動技術

上網時間: 2003年02月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Philips  TFT  LCD  AMLCD  Mobile Device 

先進的可攜設備要求顯示技術必須滿足低功耗和高性能。本文分析了彩色顯示螢幕對驅動技術帶來的挑戰,對二級驅動方案、公共電極調變方案和四級驅動方案進行比較,解析了TFT四級驅動的實現技術的性能特點。

在過去幾年內行動電話技術獲得快速進展,手機體積越來越小之外,用戶界面的性能也有了顯著的改善,如鍵盤更小了,而顯示螢幕的尺寸則增大了。今天先進的手機螢幕與幾年前使用的2×12線字符顯示螢幕已經不可同日而語了,不僅圖素的數量增加了,而且圖素本身也變得更小。同時,將顯示螢幕從單色提升到彩色已成為當前行動電話廠商的重要任務之一。表1:60Hz行反相中的功率(單位:mW)。

由於手機的體積很小,其電池的使用時間有限,因此必須降低顯示模組的功耗。對於需要連續顯示資訊的手機尤其如此。

顯示技術的發展

自然界本身就是多姿多彩而不是黑白色調組成,因此手持設備需要彩色的顯示螢幕是大勢所趨,但必須為此付出彩色顯示螢幕所需要的額外研發成本,並由於高功耗使得待機時間大大減少。

借助色彩可以在一個小顯示螢幕上建立資訊,因此,色彩的數量並不是一個關鍵的參數。但是,隨著數位相機出現在消費市場上並能夠提供極高色彩解析度(如3×8位元)的圖素,圖像品質的事實標準其實已經確定,在能顯示很高圖像品質的行動電話上整合數位相機模組的需求已經出現。與黑白顯示螢幕相比,彩色顯示螢幕的圖素尺寸肯定還要更小,如果圖素尺寸太大,人們可能會把紅、綠、藍三種顏色的子圖素誤認為是單個的彩色點。目前,標準的圖素點尺寸為0.20×0.20到0.25×0.25mm2。使用相機時,傳輸人像將是一種普遍的應用。此時人眼對於人體的色調差異非常敏感,為達到人眼視覺滿意的水平需要4k到64k的色彩深度。

採用當前通用的WCDMA、GSM、EDGE、HSCSD和GPRS傳輸標準,可以傳送靜止或半靜止圖像,而採用更快的協議則有可能可以傳送小型的視頻序列。在這成為主要的應用後,就會需要具有更快響應時間的顯示螢幕。此時,使用薄膜電晶體(TFT)技術的主動矩陣顯示螢幕就成了一種理想的選擇。

彩色顯示技術帶來的挑戰圖1:TFT單元示意圖。

驅動彩色顯示螢幕與驅動黑白顯示螢幕的技術差異很大,增加了技術實現的複雜性。使複雜性增加的因素有三個方面:首先,對於每一個點必須單獨控制三個圖素,因此多了三倍的列輸出引腳;其次,對於4k顏色的色彩深度,每個點需要12位元的記憶體,而黑白顯示螢幕只需要1位元記憶體;快速響應時間(視頻)需要具有不同物理性能的液晶,對於控制電路而言,這意味著更高的驅動電壓。

另一方面,普遍用於TFT顯示螢幕的非定型(amorphous)薄膜電晶體的導通電壓(Vth)較高,需要很大的信號,有的高達20V。由於電池並不能直接提供這些電壓,需要使用片上倍增級來產生。通常,LCD驅動器晶片中直接整合了電容器,它們會佔用大量的矽面積。

為了在晶片(組)中整合大容量記憶體,通常需要採用深次微米製程,而採用這種製程的晶片的最大電壓僅為3.3V左右。因此,需要創造性地綜合運用各種製程來滿足不同的要求。

驅動技術

a) 考察一下點亮顯示螢幕上的深紅色點時所產生的過程:


-通過將紅、綠、藍三種顏色的點緊靠著放在一起,進行光學的加性色彩混合;


-利用電-光相關性,通過控制LC扭轉所依賴的電場的傳輸強度,調節每種色點的強度;


-通過對圖素固有電容(圖1中的CLC)充電,設置和保存電場;


-由一個電晶體開關(顯示基片上的TFT)控制充電;


-然後,在顯示驅動器中產生了電晶體的控制信號。

b) 液晶顯示中的一些尺寸

液晶嵌在距離通常為6微米的兩層玻璃薄片之間,圖素的尺寸通常為230×230(m,它們構成了圖素電容CLC,顯示驅動器晶片與TFT的柵極和源極以及公共電極(CE)都相接。AMLCD單元上的無定型電晶體(amorphous transistor)的電子遷移率比用於半導體晶片的單晶矽約小1000倍,這使其閾值電壓要高很多,所需的門限電壓在15V到25V之間,充電CLC的源極電壓低於6V。由於這個原因,柵極與源極的驅動器最好是單獨晶片,以便柵極驅動器可以採用專門的高電壓製程。但是,這種製程對於大型邏輯和記憶體模組可能並不經濟,而實際上,這些模組與源極驅動器電路整合在一起。圖2:直接驅動,2級行波形 。

有人可能會提出為什麼不使用外部記憶體?這有兩個方面的不利因素。首先,為了存取外部RAM,需要較大的輸入?輸出驅動器電路來確立一個可接受的噪聲容限,它們會消耗大部份功率;其次,小容量靜態或動態RAM現在已經沒有供貨。而且,將它們作為單獨的新晶片來設計既不經濟又浪費空間。

目前高電壓深次微米製程正處於開發過程中,它們將是為小尺寸TFT顯示螢幕(160×128×RGB)設計單晶片解決方案的理想技術。

c) 液晶的特性

為了防止液晶材料的性能降低,工作時液晶單元上的平均電壓必須為零。有四種不同的可能方案可供選擇:場、行、列或點反相。反相的方法一致性越高,圖像的品質就越高。此外,反相也使光學副效應(如串擾和大面積閃爍)降到了最低,它可以通過一種節省功耗的方法來實現。

d) 驅動方案的實現

驅動時,行是順序存取的,與此同步,圖素值被加到列信號中。大多數情況下,二級驅動方案的用法如圖2所示。它允許使用直接驅動器電路。所需的電壓相當大。有一些可供選擇的方案可以降低最大電壓的幅度。其中的一種為公共電極(CE)調變,另一種為四級驅動方案(FLDS),由Philips公司最近發佈。

公共電極調變

行信號直接連接到電晶體的柵極,它通過導通或關閉電晶體來對圖素電容CLC充電,充電電壓被加到列線。在下一訊框,信號被反向。CE調變與此類似,但公共電極並不是用行電壓和列電壓直接相加的方法進行調變,因此無需一種具有高擊穿電壓的製程。

四級驅動方案圖3:點的佈局示意圖。

與CE調變方案一樣,四級驅動方案的目的是為了降低源驅動器所需的電壓幅度。其實現方法是透過儲存電容器CST將一個電壓階梯容性耦合到已經預先充電的液晶圖素CLC。典型的圖素如圖3所示。

這種方案需要將儲存電容器連接到前一行(第N-1行)。在圖素充電期間,第N-1行設置為一個中間電壓,建立了一個耦合脈衝。當TFT導通時第N行被充電到列電壓。

充電之後,第N行的TFT被關斷,此時第N-1行的電壓又回到原來的幅值。這樣,通過經由儲存電容器把電荷容性耦合到圖素,第N行圖素的圖素電壓產生了改變。

功耗問題

顯示螢幕的功耗可分為兩部份:驅動器IC的功耗和顯示螢幕本身的功耗。此處主要討論後者。

在AMLCD顯示螢幕中,顯示螢幕所產生的功耗是由於顯示螢幕電極(行、列和公共電極)上各種轉換導致的充電電容或放電電容所引起的。

為了計算功耗,人們用電壓來計算與顯示螢幕中每個電極相連的容性負載。實際上還有附加的寄生電容,為了計算每個電極的負載,必須考慮所有的寄生電容。圖4:TFT AMLCD模組中的功率路徑。

從表2可以明顯地看出,最低功耗方案為FLDS驅動方案。其功耗較低是因為降低了行電壓幅度,這種方案對於行反相補償最為適合。

電壓的反相可以藉由一個或兩個步驟完成:a)單步時使用一個電壓源;b)採用兩個步驟時,首先變換到地電壓,然後再變換到最終電壓。變換到地電壓具有以零功耗將電容放電的效果,可以通過這個步驟來降低顯示螢幕的功耗。例如,假設要將電容C上的電壓從U=5V變換到U=-5V。如果這個電容不首先通過一個額外的轉換步驟放電到0V,那麼電壓源所消耗的能量為C×(-5)×(-5-5)=50C。如果這個轉換分兩步完成,第一步首先讓電容放電到0V,電壓源不需要消耗任何能量,那麼轉換所需的總能量為C×(-5)×(-5-0)=25C。這樣,轉換作業只需消耗原來能量的一半。由此可見,仔細選擇模組的地電勢並盡可能首先轉換到地電勢可以減少顯示螢幕的總功耗。

本文結論:

隨著上述新驅動技術的出現,現在能夠設計出具有超強的性能一種彩色模組,可以開發具有高亮度、適應視頻顯示的顯示螢幕。

新的驅動技術也實現了低功耗,可以滿足目前對手持設備在尺寸和功耗方面的期望,並在為TFT顯示螢幕技術開啟新市場的同時,彌補彩色STN和TFT之間在性能成本上的差異。

作者:


Markus Hintermann


Patrick Nolan


Philips半導體公司




投票數:   加入我的最愛
我來評論 - TFT液晶螢幕的新驅動技術
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首