TFT-LCD的驱动原理(提高篇).pdf_LCD点翻转和列翻转

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TFT LCD

液晶显示的驱动原理

(提高篇 )

2014 年 4 月 13 日星期日

第 1 章 TFT LCD 液晶显示的驱动原理 (上) ···············································1

1.1 Cs(Storage Capacitor)储存电容的架构 ····················································１

1.2 整块面板的电路架构 ·········································································２

1.3 面板的各种极性变换方式 ··································································3

1.4 Common 电极的驱动方式 ···································································４

1.5 面板极性变换与 common 电极驱动方式的选用 ·······································6

1.6 各种面板极性变换的比较 ··································································6

第

章

TFT LCD

液晶显示的驱动原理

(

中

) ···············································8

2.1 SVGA 分辨率的二阶驱动波形 ····························································8

2.2 Cs on common 架构且 common 电压固定不动的 feed through 电压 ···············9

2.3 Cs on common 架构且 common 电压变动的 feed through 电压 ···················· 11

2.4 Cs on gate 架构且 common 电压固定不动的 feed through 电压 ···················12

2.5 Cs on gate 架构且 common 电压变动的 feed through 电压 ·························13

第 3 章 TFT LCD 液晶显示的驱动原理 (下) ·············································· 15

3.1 三阶驱动的原理 (Three level addressing method) ······································ 15

3.2 四阶驱动的原理 (Four level addressing method) ·······································17

TFT LCD液晶显示的驱动原理 ( 电子版） Sobin.Huang

- 1 -

第 1 章 TFT LCD 液晶显示的驱动原理 (上)

本次我们将针对 TFT-LCD 的整体系统面来做介绍，也就是对其驱动原理来做介绍，而其

驱动原理仍然因为一些架构上差异的关系而有所不同。首先我们来介绍由于 Cs(Storage

Capacitor)储存电容架构不同，所形成不同驱动系统架构的原理。

1.1 Cs(Storage Capacitor) 储存电容的架构

一般最常见的储存电容架构有两种，分别是 Cs on gate 和 Cs on common 这两种。顾名思义，

这两者的主要差别就在于储存电容是利用 gate 走线还是 common 走线来完成的。储存电容主要

是为了让充好电的电压，能保持到下一次更新画面的时候之用。所以我们就必须像在 CMOS 的

制程之中，利用不同层的走线，来形成平行板电容。而在 TFT-LCD 的制程之中，则是利用显

示电极与 gate 走线或是 common 走线，所形成的平行板电容，来制作出储存电容 Cs。

图 1 就是这两种储存电容架构，从图中我们可知， Cs on gate 由于不必像 Cs on common 一

样，需要增加一条额外的 common 走线，所以它的开口率 (Aperture Ratio)相对较大。而开口率

的大小，是影响面板的亮度与设计的重要因素。所以现今面板的设计大多采用 Cs on gate 的方

式。但是由于 Cs on gate 方式，它的储存电容是由下一条的 gate 走线与显示电极之间形成的 (请

见图 2 的 Cs on gate 与 Cs on common 的等效电路 )。而 gate 走线，顾名思义就是接到每一个 TFT

的 gate 端的走线，主要就是作为 gate driver 送出信号，来打开 TFT ，好让 TFT 对显示电极作充

放电的动作。所以当下一条 gate 走线，送出电压要打开下一个 TFT 时，便会影响到储存电容上

储存电压的大小。不过由于下一条 gate 走线打开到关闭的时间很短，例如 1024*768 分辨率，

60Hz 更新频率的面板来说，一条 gate 走线打开的时间约为 20us，而显示画面更新的时间约为

16.67ms，所以相对而言，影响有限。所以当下一条 gate 走线关闭，回复到原先的电压，则 Cs

储存电容的电压，也会随之恢复到正常。这也是为什么大多数的储存电容设计都是采用 Cs on

gate 的方式。

TFT LCD液晶显示的驱动原理 ( 电子版） Sobin.Huang

- 2 -

至于 common 走线，我们在这里也需要顺便介绍一下。从图 2 中我们可以发现，不管采用

怎样的储存电容架构， C

LC 的两端都是分别接到显示电极与 common 。既然液晶是充满在上下两

片玻璃之间，而显示电极与 TFT 都是位在同一片玻璃上，那么 common 电极很明显的就是位在

另一片玻璃之上。如此一来，由液晶所形成的平行板电容 C

，便是由上下两片玻璃的显示电

极与 common 电极所形成。而位于 Cs 储存电容上的 common 电极，则是另外利用位于与显示

电极同一片玻璃上的走线，这跟 CLC

上的 common 电极是不一样的，只不过它们最后都是接到

相同的电压。

1.2 整块面板的电路架构

从图 3 我们可以看到整片面板的等效电路，其中每一个 TFT 与 C

跟 Cs 所并联的电容，

代表一个显示的点。而一个基本显示单元 Pixel, 则需要三个这样显示的点 ,分别来代表 RGB 三原

色。以一个 1024*768 分辨率的 TFT-LCD 为例，共需要 1024*768*3 个这样的点组合而成。整

片面板的大致结构就是这样，然后再由如图 3 中 gate driver 所送出的波形，依序将每一行的 TFT

打开，好让整排的 source driver 同时将一整行的显示点，充电到各自所需的电压，显示不同的

灰阶。当这一行充好电时， gate driver 便将电压关闭，然后下一行的 gate driver 便将电压打开，

再由相同的一排 source driver 对下一行的显示点进行充放电。如此依序下去，当充好了最后一

行的显示点，便又回过来从头第一行再开始充电。以一个 1024*768 SVGA 分辨率的液晶显示器

来说，总共有 768 行的 gate 走线，而 source 走线则共需要 1024*3=3072 条。以一般的液晶显示

器多为 60Hz 的更新频率来说，每一个画面的显示时间约为 1/60s=16.67ms。由于画面的组成为

768 行的 gate 走线，所以分配给每一条 gate 走线的开关时间约为 16.67ms/768=21.7us。所以在

图 3 gate driver 送出的波形中，我们就可以看到，这些波形为一个接着一个宽度为 21.7us 的脉

波，依序打开每一行的 TFT 。而 source driver 则在这 21.7us 的时间内，经由 source 走线，将显

示电极充放电到所需的电压，显示相对应的灰阶。

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- 3 -

1.3

面板的各种极性变换方式

由于液晶分子还有一种特性 ,就是不能一直固定在某一个电压不变，不然时间久了，即使将

电压取掉，液晶分子会因为特性被破坏，而无法再响应电场的变化来转动，以形成不同的灰阶。

所以每隔一段时间，就必须将电压恢复原状，以避免液晶分子的特性遭到破坏。但是如果画面

一直不动，也就是说画面一直显示同一个灰阶的时候怎么办？所以液晶显示器内的显示电压就

分成了两种极性，一个是正极性，另一个是负极性。当显示电极的电压高于 common 电极电压

时，就称之为正极性。而当显示电极的电压低于 common 电极的电压时，就称之为负极性。不

管是正极性还是负极性，都会有一组相同亮度的灰阶。所以当上下两层玻璃的压差绝对值是固

定时，不管是显示电极的电压高，还是 common 电极的电压高，所表现出来的灰阶是一样的。

不过在这两种情况下，液晶分子的转向却是完全相反，也就可以避免上面所描述的当液晶

分子转向一直固定在一个方向时，所造成的特性破坏。也就是说，当显示画面一直不动时，我

们仍然可以通过正负极性不停地交替，达到显示画面不动，同时液晶分子也不会被破坏掉的效

果。所以当你所看到的液晶显示器画面虽然静止不动，其实里面的电压正在不停地交替变化，

而其中的液晶分子也正不停地一次往这边转，另一次往反方向转。

图 4 就是面板各种不同极性的变换方式，虽然有这么多种的变换方式，但它们有一个共通

点，都是在下一次更换画面数据的时候来改变极性。以 60Hz 的更新频率来说，也就是每 16.67ms，

更改一次画面的极性。也就是说，对于同一点而言，它的极性是不停地变换的。而相邻的点是

否拥有相同的极性，那可就依照不同的极性转换方式来决定了。首先是 frame inversion ，它整

个画面所有相邻的点，都是拥有相同的极性。而 row inversion 与 column inversion 则各自在相邻

的行与列上拥有相同的极性。另外在 dot inversion 上，则是每个点与自己相邻的上下左右四个

点都是不一样的极性。最后是 delta inversion，由于它的排列比较特殊，所以它是以 RGB 三个

点所形成的 pixel 作为一个基本单位，当以 pixel 为单位时，它就与 dot inversion 很相似了，也

就是每个 pixel 与自己上下左右相邻的 pixel 是采用不同的极性来显示的。

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