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TFT液晶顯示驅動電路原理

2021-11-18 17:39:53 0

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TFT是英文Thin Film Transistor(薄膜場效應晶體管)的縮寫。TFT液晶顯示器件是指在液晶顯示器件的每個像素上都連接一個薄膜場效應晶體管。這個場效應管制作在液晶顯示器件的玻璃上。每個場效應管獨立驅動一個像素,從而可以實現高速度、高亮度、高對比度的顯示效果。


TFT液晶顯示器件的驅動特性取決于場效應管的工作特性。場效應管,英文為Field Effect Transistor。它同三極管一樣可以分為NPN型和PNP型。

NPN型通常稱為N溝道型, PNP型也叫P溝道型。引腳定義為漏極D、源極S和柵極G。相似于三極管的集電極c、發射極e和基極b。

以NPN型為例,其源極S和漏極D分別接在2個N型半導體上,這2個N 型半導體被一個P型半導體隔離著,形成了兩個對立的P-N結。柵極G設置在P型半導體之上,柵極G電極與P型半導體之間被氧化膜所隔離。其內部結構如圖a所示。

在沒有給場效應管的柵極G施加電壓時,如同三極管的工作原理一樣,即使在漏極D和源極S之間施加電壓,也因其電子流方向有一個N-P結而不會產生電流,場效應管處于截止狀態,也稱為關斷狀態,如圖(b)左圖所示。當在柵極G上施加一個正電壓時,由于電場的作用,源極S和漏極D的負電子被吸引出來而涌向柵極G,但由于氧化膜的阻擋,使得吸引出來的電子聚集在氧化膜的P型半導體中,如圖(b)右圖所示,當電子聚集到一定量時,沿氧化膜在兩個N型半導體之間的P型半導體中建立了一個電子連通帶,使得源極S和漏極D之間導通,形成電子流。此狀態稱為場效應管的導通狀態。此時柵極電壓的大小決定這個連通帶的大小,從而決定通過源極S和漏極D的電流大小。


我們知道,三極管是電流放大型的工作原理,即通過調制基極的輸入電流來控制三極管的集電極和發射極之間的輸出電流。對比三極管,場效應管屬于電壓放大型,是通過調制柵極G上的輸入電壓(或稱電場)來控制漏極D和源極S之間的輸出電流。在電壓施加在場效應管柵極G上時,柵極G的漏電流極小或沒有,表現出該器件具有非常高的輸入阻抗,由此我們稱之為場效應管。


歸納起來,場效應管的工作特性如下。

  • 電壓控制型。

  • 源極S和漏極D可以雙向工作,在柵極電壓大于源極電壓的條件下,源極S和漏極D之間的電流方向將隨它們之間電場方向的變化而變化。

  • 導通電阻RON和關斷電阻ROFF。

  • 導通電阻RON為源極S與漏極D之間的電阻,隨柵極電壓的增加而減小。

關斷電阻ROFF為柵極G與源極S之間的電阻,具有非常大的阻值,在107以上。


TFT液晶顯示器件就是利用了場效應管的工作原理,結合液晶材料在電路中的電容特征,實現對液晶顯示的驅動。TFT液晶顯示驅動的直觀示意圖如圖2所示。像素的一個電極接到場效應管的漏極D上,另一個電極接到公共電源VCOM上,場效應管的柵極G作為像素的選通控制連接到選通信號SEL SIGNAL上,決定場效應管的導通與關斷;場效應管的源極S作為像素數據的輸入連接到一個D/A轉換器的輸出,該D/A轉換器的輸入是該像素的顯示數據,以此組建TFT的像素驅動電路。


當在場效應管的柵極G上施加正向的導通電壓Ug時,場效應管進人導通態 ,同時顯示數據通過D/A轉換器產生模擬電壓Us給源極S及漏極D,利用場效應管的導通電阻RON與容性負載的液晶材料CLC形成較小的充電時間常數T=RON*CLC,在像素上迅速建立電壓Ud,且Ud接近Us電壓值,呈現顯示效果,如圖3所示中的T1周期波形。當去掉柵極電壓后,場效應管進入關斷狀態,源極S上的電壓Us變化不影響漏極D上的電壓Ud 。由于場效應管的關斷電阻ROFF與容性負載的液晶CLC形成比較大的放電時間常數T=RON*CLC,使得像素上的電壓Ud緩慢地釋放,使得該像素的顯示效果可以保持相當一段時間。如圖3所示中的T2周期波形。


為了達到良好的顯示效果TFT液晶顯示的驅動電路要求在如圖3所示中的選通時間T_1內要使像素CLC上的Ud電壓充滿到所輸入電壓U_s的99%以上。在不選通時間T_2內要保持像素CLC上的電壓Ud損失應小于5%以下。 因此,TFT液晶顯示的驅動對場效應管的導通電阻RON和關斷電阻ROFF之比有著比較高的要求,一般要求在5個數量級以上,當考慮到溫度的升高會影響到ROFF的降低,所以這個比值擴大到7個數量級以上。接在漏極上的電容 C(補償電容)起到維持U_s至一幀的時間。


至此,TFT液晶顯示的驅動原理可以總結以下幾個概念。

  • 像素選通的獨立性:在TFT液晶顯示的驅動電路下,由于每個像素都連接一個場效應管,當某一個像素上的場效應管處于關斷狀態時,驅動系統對其他像素的操作不構成對該像素的影響,所以TFT液晶顯示的驅動沒有交叉效應,也沒有因占空比的下降(掃描行數的增多)給對比度帶來的降低。

  • 像素電壓的保持性:TFT液晶顯示的驅動電路在像素不選通的狀態下,原施加在像素上的電壓可以保持一段時間。因此在同樣的幀掃描時間內,TFT液晶顯示驅動的行數比STN液晶顯示驅動要多得多。如果認為液晶負載的容性值不夠大,還可以在漏極D上并人一個補償電容C,以增加像素上驅動電壓的保持時間,見圖4。

  • 幅值驅動法:TFT液晶顯示的驅動電路在源極S上施加的電壓值不同,建立在像素上的電場強度就不同,液晶的電光效應也就不同,從而在液晶顯示器件上產生灰階的顯示效果,所以稱TFT液晶顯示的驅動方法為幅值驅動法

TFT液晶顯示器件的結構示意圖如圖4所示。TFT液晶顯示器件的后玻璃上有薄薄的一層硅,在硅層內光刻有許多場效應管,每個場效應管的源極D連接到一個像素的驅動電極,一個像素行的所有場效應管柵極G都連接起來,形成行驅動電極;一個像素列的所有場效應管源極S都連接起來,形成列驅動電極,構成對像素的驅動矩陣電路。為了增加像素的弛豫時間,在每個像素上都并聯一個電容,如圖5所示。這些連接都是在硅層中實現的。在TFT液晶顯示器件的前玻璃上,分布著像素的另一個電極,所有這些電極全部連接在一起,形成一路電極COM。彩色濾色膜(Color Filter)在貼近前玻璃的位置上。


圖5  TFT液晶顯示驅動電路結構

TFT液晶顯示的驅動電路與STN液晶顯示驅動電路的結構基本是一樣的。TFT液晶顯示器件的所有行電極連接到柵極驅動器(gate driver)上,相當于STN液晶顯示驅動電路的行驅動器;所有的列電極連接到源極驅動器(source driver)上,相當于STN液晶顯示驅動電路的列驅動器。柵極驅動器和源極驅動器也同樣使用驅動的路數冠之驅動器名首。


TFT液晶顯示驅動電路的工作原理也采用的是逐行掃描方式。柵極驅動器選通一行,將該行上所有的場效應管都導通;同時源極驅動器將顯示信號分別施加給該行的每個像素上,實現顯示效果。當選通時間到,柵極驅動器切換到下一行選通后,該行的場效應管全部進人關斷狀態,不管源極驅動器的輸出如何變化,都不會影響到該行場效應管的漏極電壓,即該行像素上的驅動電壓可以保持一段時間,這個時間接近或等于一幀的時間,而與掃描行數N 無關。這樣就徹底解決了STN液晶顯示器件驅動時出現的交叉效應和占空比的問題。


柵極驅動器,也就是行驅動器。圖6為256路柵極驅動器的電路框圖。柵極驅動器的結構同STN的行驅動器,由256位移位寄存器、256路電平轉換器和256路驅動電路組成。256位移位寄存器是1位串行輸入,256位并行輸出的寄存器。為了電路連接方便,移位寄存器具有雙方向輸入和移位的功能,數據輸入/輸出端為DL和DR,SHL信號設置DL 和DR的輸入/輸出功能。在TFT液晶顯示驅動電路中,柵極驅動器的數據輸入信號被定義為幀同步信號VSYNC,而移位脈沖信號被定義為場同步信號HSYNC0。256路電平轉換器將移位寄存器并行輸出的邏輯電平信號轉換成驅動電平。256路驅動電路是柵極驅動器的輸出,直接連接到TFT液晶顯示器件的柵極電極上。


源極驅動器,也就是列驅動器。TFT液晶顯示的驅動特性都是從源極驅動器的電路結構與功能體現出來。圖7為128 × RGB源極驅動器的電路示意圖。源極驅動器由數據寄存器、數據鎖存器、數模轉換器DAC和輸出電路等組成。


128 × 18位數據寄存器由128個18位寬的寄存器組成,每個寄存器的18位輸出直接連接到數據鎖存器的輸入端。每個寄存器的18位輸人均對應并聯在一起,形成驅動器的數據輸入端,分別定義為R [ 5:0 ]、G [ 5:0 ] 和 B [ 5:0 ] 。128個寄存器在像素脈沖信號DCLK 的作用下,依次被選通,將顯示數據保存起來。


384 × 6位數據鎖存器由128 × 3 個6位寬的數據鎖存器組成,每個鎖存器的6位輸出連接一個數模轉換器DAC的輸入端。鎖存器的輸入對應接在數據寄存器的輸出端。 384位數據錯存器的作用是在選通時間內保證輸出的數據不變。當一行的顯示數據全部寫入到128x18位數據寄存器后,數據鎖存器在場同步信號HSYNC的作用下將數據寄存器的數據全部保存到數據鎖存器中,并按照6位一組的形式輸出到384路數模轉換器DAC的輸入端。


384路數模轉換器DAC的作用是將控制系統提供的6位數字信號轉換成模擬信號輸出。每路數模轉換器DAC的精度表現在輸入的數字信號位數上,6位數字信號表示DAC可以實現64級數模轉換,作為彩色顯示器,一個彩色像素由3個子像素組成 ,這3個子像素分別是紅色像素R、綠色像素G和藍色像素B。一個子像素的顯示可以實現64級變化,則一個彩色像素可以實現64 × 64 × 64=256K級顏色的變化,這就是TFD液晶顯示驅動電路的最大特性——采用模擬量驅動,實現全彩色顯示。TFT液晶顯示驅動使用了電光特性曲線的全過程,通過對驅動電壓的控制,從理論上可以實現無級調節透過率,實現高灰階或高彩色度。


由于液晶的電光特性為非線性曲線,要想使數模轉換器輸出的電壓都重合在電光特性曲線上,就需要對數模轉換器DAC輸出的電壓進行調制。電壓調制的基本思路是 :

  • 將液晶的電光特性曲線分段線性化模擬;

  • 調節各段直線的斜率和起始點值,向液晶材料的電光特性曲線靠近;

  • 在電路中采用最簡單的電阻分壓電路,實現數模轉換功能;

  • 使用數字信號選擇每一級的電平。

以此完全逼近地表現液晶的電光特性曲線。參照電視色度調節,稱這種調節方法為γ校正。


數模轉換器的電路結構是比較簡單的,由一組基準電壓、數字電阻排陣和電壓選擇器組成。數模轉換器的基準電壓VGMA1~VGMA10是通過對TFT液晶顯示器件的電光特性曲線的測試和計算得出的一組γ校正電壓。有的源極驅動器將這組電壓制作在驅動器內部,然后提供一個SPI接口給控制系統軟件設置。數字電阻排陣將基準電壓通過分壓與合成,形成64級驅動電壓。電壓選擇器則是根據數據鎖存器的輸出選擇64級驅動電壓中的一級給驅動輸出,以驅動相應的像素。


384路驅動輸出直接連接到TFT液晶顯示器件的電極上,驅動輸出是模擬電壓輸出。
TFT液晶顯示的驅動同STN液晶顯示的驅動一樣,也需要進行交流驅動。這個交流驅動通過給TFT液晶顯示像素的另一個電極COM施加一個方波驅動電壓VCOM來實現。因為TFT液晶顯示器件的COM電極與柵極和源極不在一起,所以有的柵極驅動器和源極驅動器都不包含該電極的驅動,需要控制系統提供驅動。但交流驅動需要源極驅動器的輸出電壓給予配合,所以在源極驅動器中提供了一個極性輸入信號POL用于實現交流驅動的功能。


為了實現交流驅動,在源極驅動器中的數模轉換電路中,將基準電壓VGMA1~VGMA10分為兩組,以VCOM的電壓為中線,一組為VGMA1~VGMA5, 大于VCOM值,稱為正向電壓;一組為VGMA6~VGMA10, 小于VCOM值,稱為負向電壓,如圖8所示。這兩組電壓由POL信號選擇。在控制系統中將POL信號與VCOM電壓組合控制,通過像素電極COM的電壓與另一個電極的電壓組合的變化,實現交流驅動,如圖9所示的交流驅動信號波形。當VCOM在負半周時,設置POL=H,選擇數模轉換器的VGMA1~VGMA5電壓組,即大于VCOM值的γ校正電壓曲線;當VCOM在正半周時,設置POL=L,選擇數模轉換器的VGMA6~VGMA10,即小于VCOM值的γ校正電壓曲線。從而實現交流驅動的效果。


TFT液晶顯示驅動系統是源極驅動器和柵極驅動器的集合。驅動時序信號如下。

  • 垂直同步信號VSYNC:負脈沖序列

  • 水平同步信號HSYNC:負脈沖序列。

  • 像素時鐘信號DCLK:顯示數據輸入脈沖信號。

  • 顯示數據:R [ 7:0 ]、G [ 7:0]B [ 7:0 ]。

TFT液晶顯示驅動系統的時序圖如圖10所示。

圖10   TFT液晶顯示驅動系統的時序圖GRISH

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