液晶顯示器驅動系統 講師 : 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

液晶物質的相變化 加熱 加熱 冷卻 冷卻 固體結晶 液晶 液體

液晶分子的種類 Cholesteric LC 膽固醇狀液晶 Smectic LC 層狀液晶 Nematic LC 線狀液晶

液晶分子的排列 Crystalline Liquid Crystalline Liquid K SmC SmA N L Biaxial Unaxial Isotropic Temperature

液晶的分類

液晶的電光特性 異向性 (Anisotropic) 排列因數 ( ) 折射率 ( ) 黏滯係數 ( ) 介電係數 ( ) 電導係數 磁化率 排列因數 ( ) 折射率 ( ) 黏滯係數 ( ) 介電係數 ( ) 電導係數 磁化率 彈性係數 ( )

液晶的光學特性 Helical Axis Optical Axis Optical Axis Optical Positive Optical Negative

液晶驅動原理 電極 液晶 電極 Field OFF Field ON

液晶顯示器主要優缺點 優點 缺點 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。 視角限制。 外加被光源或投射光源。 溫度操作範圍限制。

液晶顯示器的種類 液晶 顯示器 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 液晶 顯示器

TN 型 LCDs 顯示原理 Field OFF Field ON 液晶分子 Twist 90 利用液晶的旋光特性 液晶的旋光特性消失 調變穿透光線 液晶的旋光特性消失

STN LCDs 顯示原理 Twist 270 Field ON Field OFF 液晶分子 利用液晶的雙折射 特性調變穿透光線

TN & STN 電光轉移曲線 V-T Curve Vns TN Vs TN 100% 90% 10% V Vns STN Vs STN

TN 與 STN 的電壓漂移 T 100% V TN Mode T STN Mode 100% V

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

LCDs 靜態驅動法 LC Cell XOR Vs Vc Vsig ON OFF Vsig Vc Vs Vc-Vs

多工驅動法 (振幅選擇驅動法, APT) 1 2 3 4 N 1 2 3 Frame 1 Frame 2 F D T 水 平 掃 描 訊 號 1 2 3 4 N 1 2 3 Frame 1 Frame 2 F D T 水 平 掃 描 訊 號 +D -D 垂 直 影 像 Row 1 Row 2 Row 3 Row N Column 1 ON OFF F+D F-D N 液晶畫素電壓

多工驅動法的限制 1.0 1.1 1.2 1.3 100 200

APT 驅動波形

IAPT 驅動波形 APT Addressing IAPT Addressing

APT 與 IAPT 方式比較 APT Addressing IAPT Addressing Low Voltage Segment Driver : 2D High Voltage Common Driver : 2F IAPT Addressing Offset +D for Positive Polarity Offset +F for Negative Polarity Voltage Range of Segment Driver : F+D Voltage Range of Common Driver : F+D

高容量多工驅動的對策 (a) (b) (c) (d) (e)

STN LCDs 規格 Operation Voltage Vop : Bias Ratio : Steepness : Selection Ratio :

STN LCDs 驅動電壓計算 If Voff=2V, N=240 rows, Then : APT : Segment Driver : 2.96V, Common Driver : 44.40V IAPT : Segment & Common Drivers : 23.68V

STN LCDs Drivers 架構 IAPT 驅動 IC IAPT 參考電壓 串列輸入訊號 (HLHL...H) ......移位暫存器(Shifter Register) DCLK 並列輸出 LP ...閂鎖暫存器(Latch Register) H L H H 偏 F+D 壓 ............................ 位 F-D 準 2D ............................ IAPT 驅動 IC DF ............................ IAPT 參考電壓 2D 2D 垂直訊號電極 2D

灰階顯示 ─ FRC Frame Rate Control, FRC :

灰階顯示 ─ PWM Pulse Width Modulation, PWM :

灰階顯示 ─ PHM Pulse High Modulation, PHM :

液晶的頻率響應

Vertical Crosstalk of STN LCDs

Vertical Crosstalk 的抑制 (一) 每兩條水平線變換一次驅動電壓極性

Vertical Crosstalk 的抑制 (二) 採用補償驅動週期

Vertical Crosstalk 的抑制 (三) 一條水平掃描線的掃描週期分割成兩部份， 一半的掃描時間是採用正極性的驅動訊號， 另一半的時間是採用負極性的驅動訊號。

Horizontal Crosstalk of STN LCDs B A B 垂直驅動訊號 L Line 水平掃描波形 液晶畫素波形 (a) (b) (c) (d) L

Horizontal Crosstalk 的抑制 垂直驅動訊號 L Line 水平掃描波形 液晶畫素波形 (a) (b) (c) (d) 傳 統 驅 動 方 式 水平掃描 補償波形 補償之液晶畫素波形 (e) (f) £GV A B L

Frame Response of STN LCDs

Active Addressing for STN LCDs

Active Addressing 驅動電壓 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.

Segment Voltage of Active Addressing

Active Addressing 的矩陣運算 行向量（Row） 列（Column） 時間（Time） 列向量（Column） 時間（Time） Bit-Map Image Matrix Column Voltage Matrix Row Function Matrix × ＝

矩陣運算方式 行向量（Row） 列向量（Column） 列（Column） 時間（Time） Time = Dtk Row Vector Bit-Map Image Matrix × ＝ 垂直序列運算 Column Sequential 第j列 行向量（Row） 列（Column） 列向量（Column） 行（Row） Column Vector 時間（Time） Row Function Matrix × ＝ 時間序列運算 Time Sequential

Column Sequential 硬體架構 N×M 圖框記憶體 影像資訊 輸入 Ij N XOR 陣列 加法 邏輯陣列 N×M STN LCDs 液晶層間隙4.5um 液晶材料：低黏滯係數 水平驅動函數唯讀記憶體 Row Function ROM STN LCDs 垂直驅動晶片 TFT LCDs 垂直驅動晶片 1轉2 多工器 2轉1 解多工器

Time Sequential 硬體架構 N×M 圖框記憶體 影像資訊 輸入 Ij N XOR 陣列 加法 邏輯陣列 水平驅動函數唯讀記憶體 Row Function ROM 1轉2 多工器 2轉1 解多工器 N×M圖框緩衝記憶體 N×M STN LCDs 液晶層間隙4.5um 液晶材料：低黏滯係數 STN LCDs 垂直驅動晶片 TFT LCDs 垂直驅動晶片

主動矩陣式液晶顯示器 AM-LCDs

TFT LCDs 等效電路 Column Driver Row Drivers

Arrangement of Color Filter B R G B R G B R B G R G W B Stripe Triangle

Pixel Structure of TFT LCDs

Cs on Common 與 Cs on Gate 架構 液晶畫素 TFT Gate Line Data Line Cs Common Cs on Gate

Timing Chart of TFT LCDs Time Gate 1 2 3 N Frame Time

TFT LCDs Driving Method Frame Inversion Row Inversion Column Inversion Dot Inversion

Direct Driving of TFT LCDs 1 Frame / 1 Line GrayScale Voltage DC Bias of Common

AC Modulation Addressing of TFT LCDs Graylevel Voltage V0 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 Common Waveform 1Frame / 1 Line

TFT LCDs 的電光效應 Direct Addressing

TFT LCDs 的電光效應 AC Addressing

TFT LCDs Driving Waveform Cs on Common (一) TFT LCD 驅動波形 (Cs on Common, Common = DC Bias)

TFT LCDs Driving Waveform Cs on Common (二)

TFT LCDs Driving Waveform Cs on Gate

TFT 電容效應的影響 Pixel Cgd Cgs Csd Csdb

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：

二階驅動方式的效應 垂直影像訊號 Vs Vsh Vsl Vst Vth 正極性驅動 負極性驅動 資料驅動晶片 輸出訊號電位 液晶畫素電位 Vct=Vst-ΔVp ΔVp Black(+) White(+) Black(-) White(-) Ch(N-1) 水平掃描訊號 Vg Vct Csd Clc Cs Cgs Cgd Ch(N) 水平掃描訊號 Vg

TFT 補償驅動法 4 Level Addressing 3 Level Addressing Ch(N-1) Ch(N) Vst=Vct 影像訊號 波形 Vs 水 平 脈 波 掃 描 形 Vge Vghl Ch(N-1) Ch(N) Vst 影像訊號 波形Vs Vge(+) Vge(-) Vghl 3 Level Addressing 4 Level Addressing

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

4 Level Addressing B(+) 正極性 B(+) W(-) W(+) ΔVp(+) W(-) B(+) CsVge(-)/Ct 正極性 Vst=Vct 負極性 ΔVp=CgdVghl/Ct CsVge(+)/Ct W(+) B(-) W(-) ΔVp(-) W(+) B(-) Ct=Cs+Clc+Cgd 負極性 B(-)

Cs on Gate 電壓補償方式 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 的電壓漂移及改善液晶畫素內的直流電 電壓殘餘. 經由 TFT 的 Cgd 造成的電壓漂移

Comparsion of Addressing Method

Horizontal Line Crosstalk B A Color Filter Substrate Csc Csc Csc TFT Substrate

Horizontal Area Crosstalk B A

Vertical Area Crosstalk Up Low

Shading Crosstalk

Shading Crosstalk 的抑制

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。 R C N

液晶畫素邊際電場效應(一) Reverse Tilt Reverse Tilt 共通電極 VP VL VA 畫素電極 鄰近電極 VA < VL : Disclination Appeared VA > VL : Disclination Disappeared VP > LC Threshold Voltage

液晶畫素邊際電場效應(二) 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 TFT 水平驅動電極 垂直驅動電極 Rubbing Direction Disclination Line Reverse Tilt Domain 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

驅動 IC － Scan Driver STVR STVL CPV VDDD STVR Bidirectional Shift Register R/L VSSD G1 VDDA Level Shift Circuit VSSA G2 Gx Output Buffer STVL G1 G2 G3 ………...

Serial In － Serial Out Analog Data Driver Multiplexer Sample and Hold Shift Register Video In Qi Qi+1 Select Data j Data j+1 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 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.

Serial In － Parallel Out Analog Data Driver (一) Shift Register Qi Qi+1 Qi+2 Qi+3 Video In Transfer Double Sample and Hold / Single Phase Sample N Sample N+1 Sample N+2 T N N+1 N+2 Out N-1 Out N Out N+1 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.

Serial In － Parallel Out Analog Data Driver (二) Double Sample and Hold / Multi-Phase Shift Register Qi Qi+1 Video In Transfer Por : Reduced operation frequency . System Note : Video In : N Video Phase : N Shift Clock : (Dot Clock) / N.

Digital Data Driver (一) Digital-to-analog Converters Sampled Ramp Shift Register DAC Serial Data Bus Shift Register Count Ramp In 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.

Digital Data Driver (二) 1-of-n Selector Shift Register Decode External Fixed voltages Simple DAC Pro : Digital input. Programmable external voltages. Con : Complex circuit. High speed digital circuits. Many pass gates per data line.

Digital Data Driver (三) All Digital Circuit

Gamma Correction of LCD X Y 取像元件 取像電路 顯像電路 顯像元件 攝像機測 受像機測 Analog Correction : 2 ~ 3 Segment Approach. Digital Correction : External fixed voltage.

Gamma Correction Simple Case X Y 取像元件 取像電路 顯像電路 顯像元件 攝像機測 受像機測 Transmission Voltage

The Block Diagram of the TFT LCD Module CCFL Backlight TFT-LCD PANEL Timing Controller Scan Driver Data Driver RGB CLK Hsx Vsx TFTLCD Module

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

The Analog Interface PC Analog Module TFTLCD Module Graphics Controller TFT-LCD PANEL Timing Controller Scan Driver Analog Data Driver Hs Vs Analog RGB CLK Hsx Vsx PreAmp Level Shifter PLL PC Analog Module TFTLCD Module OSD CCFL Backlight

The ADC Interface PC ADC Module TFTLCD Module Graphics Controller PANEL Timing Controller Scan Driver Digital Data Driver Hs Vs Analog RGB Digital CLK Hsx Vsx ADC Buffer PLL PC ADC Module TFTLCD Module OSD CCFL Backlight

The LVDS/PanelLink Interface Graphics Controller LVDS/ PanelLink Tx Rx TFT-LCD PANEL Timing Controller Scan Driver CABLE Clock Hs Vs Digital RGB PC TFT-LCD Module Digital Data Driver CCFL Backlight

Analog/ADC/LVDS/PanelLink Analog Interface True Color Sampling Error Low Edge Sharpness Noise in the Analog Signal Transmission

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

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

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

TFT Module 設計考慮(一) 顯示的影像訊號時序規格(Image Format) 圖框重複率(Frame Rate) 水平掃描線掃描時間 TFT 的 ION/IOFF 電流 水平掃描脈線的RC時間常數 灰階誤差 直流漂移

TFT Module 設計考慮(二) 選擇適合的驅動方式(Cs on Gate or COM) 選擇適合的極性轉換方式 驅動IC(Scan & Source)的選取 TFT LCDs 模組介面技術的選擇

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 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 增加 Reverse Tilt Domain 與畫素 面積的比例 增加 Black Matrix 的遮蔽面積 降低畫面品質 電極的寬度 增加 TFT 的 尺寸 增加儲存電容 CS 的面積 降低開口率

Plasma Addressing LCDs Cathode Anode -200V Virtual Connection Sampling Capacitor Analog Signal Cathode -200V Anode -200 Negative Clow Positive Column Faraday Dark

In-Plane-Switch Mode LCDs 偏光版 解偏版 液晶分子 作用電極 玻璃基板 入射光 作用電場方向 出射光之 極化狀態 未加電場 "OFF" 狀態 施加電場 "ON" 狀態 出射光

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 施加電場 ON 狀態 入射光

Comparison of Liquid Crystal Modes TN IPS VA Strongly dependent on viewing angle 低驅動電壓 視角窄小 Off(White) On(Black) Off(Black) On(White) Slightly dependent on viewing angle 畫面對比高 廣視角 Off(Black) On(White) 液晶反應速度快 彩色畫面顯像佳 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