液晶畫面串音(Crosstalk)的原理與本質(zhì)分析

ID:412920 · 發(fā)表于 2018-10-20 22:36

1.串音的本質(zhì)

何謂串音：若是系統(tǒng)中某一個(gè)電壓源發(fā)生變化，因而擾亂到顯示器的畫面灰階顯示狀態(tài)，此種現(xiàn)象即被稱為畫面串音（Crosstalk）。再明確的說明，即是顯示器中的某一個(gè)顯像畫素（Pixel），因?yàn)槠渌嬎仫@像或是操作電極狀態(tài)的變動(dòng)，影響到這個(gè)畫素原本的顯像狀態(tài)時(shí)，即是顯示器的畫面串音。參考圖一的TFT LCDs的陣列佈局與等效電路，從靜態(tài)操作的直觀角度而言，只有當(dāng)TFT是在開啟（ON）的狀態(tài)下，液晶畫素才可以被資料驅(qū)動(dòng)線上的影像電壓訊號(hào)影響，經(jīng)由TFT對(duì)液晶畫素充放電；若是TFT在關(guān)閉（OFF）的狀態(tài)下，理論上液晶畫素是與外部其他的電極或是液晶畫素隔絕，所以不會(huì)受到其他部分訊號(hào)變化的影響。但是，TFT并不是一個(gè)優(yōu)良的電子開關(guān)，在TFT關(guān)閉的狀態(tài)下仍然會(huì)有漏電流的產(chǎn)生，參考圖二在TFT關(guān)閉的狀態(tài)下，液晶畫素電壓的改變可以用指數(shù)衰減的形式描述，影像資料電壓為Vs；另外各個(gè)電極間與半導(dǎo)體元件的雜散電容效應(yīng)，都會(huì)影響液晶畫素的顯像狀態(tài)。

首先討論資料訊號(hào)線與液晶畫素間的雜散電容效應(yīng)。參考圖一的等效電路，由于訊號(hào)線與畫素間的雜散電容，造成在訊號(hào)線上的訊號(hào)位階變動(dòng)會(huì)經(jīng)由雜散電容藕合至液晶畫素，液晶畫素的顯像狀態(tài)因而改變，在整體畫面上出現(xiàn)垂直方向上的串音現(xiàn)象。例如液晶電容CLC的電容值為0.4pF，液晶畫素沒有設(shè)計(jì)儲(chǔ)存電容Cs，若是訊號(hào)線與畫素間的雜散電容Cps與Cps’為0.02pF時(shí)，在液晶畫素上會(huì)造成大約10%的電壓誤差。參考圖三液晶電光轉(zhuǎn)移曲線，10%的電壓誤差將會(huì)造成約20%的灰階穿透率改變。但是對(duì)于黑白的液晶顯示器而言，由于是操作在液晶電光轉(zhuǎn)移曲線的兩個(gè)極端區(qū)域，所以這種灰階電壓的變化并不會(huì)影響黑白液晶顯示器的畫面品質(zhì)。另外有一點(diǎn)要注意，由以上的例子發(fā)現(xiàn)，若是加大液晶畫素的儲(chǔ)存電容Cs，可以有效的降低垂直串音的現(xiàn)象。

1.1圖框反轉(zhuǎn)（Frame Inversion）對(duì)垂直串音的影響

由于液晶必須以交流方式驅(qū)動(dòng)，以避免液晶電容內(nèi)有殘馀的直流電壓成份，造成液晶分子的電化學(xué)反應(yīng)。交流驅(qū)動(dòng)的方式有圖框反轉(zhuǎn)（Frame Inversion）、線反轉(zhuǎn)（Row Inversion、Line Inversion）、行反轉(zhuǎn)（Column Inversion）、及點(diǎn)反轉(zhuǎn)（Dot Inversion）。以下即針對(duì)不同的交流驅(qū)動(dòng)方式所產(chǎn)生的垂直串音現(xiàn)象分別作討論。首先參考圖一的液晶畫素等效電路，一個(gè)液晶畫素的等效電容值Ct如（1）式，是所有的雜散電容、儲(chǔ)存電容、及液晶電容的總和。液晶畫素經(jīng)由Cps與Cps’的電容藕合效應(yīng)，可以用藕合參數(shù)（Coupling Parameter）α、β來表示，如（2）（3）式：

（1）

（2）

（3）

圖1. TFT LCDs 的畫素矩陣佈局與液晶畫素的等效電路

在同一條水平掃描線上，跨于液晶畫素電容兩端的畫素電壓可用（4）式描述，隨掃描時(shí)間不同，液晶畫素被其他掃描時(shí)間的影像資料訊號(hào)（Vj）影響，所以液晶畫素的有效電壓為在整個(gè)圖框掃描的均方根電壓（RMS）。

（4）

對(duì)于訊號(hào)電壓的極性定義以共通電極（Common）的電壓位準(zhǔn)為參考依據(jù)，若是訊號(hào)的電壓位準(zhǔn)低于共通電極的電壓位準(zhǔn)，此時(shí)訊號(hào)電壓Vj（t）即為負(fù)極性，若是高于共通電極的電壓位準(zhǔn)，即為正極性的影像訊號(hào)，同理Vi的定義也是以共通電極的電壓位準(zhǔn)為參考。參考（4）式，若Vi是正極性而Vj（t）為負(fù)極性，（4）是可改寫成如（5）式：

（5）

（5）式中Vi，Vj都是取正數(shù)。

圖2. 採用圖框反轉(zhuǎn)交流驅(qū)動(dòng)時(shí)，TFT LCDs的驅(qū)動(dòng)波形與液晶畫素電壓波形。Vgh與Vgl分別為水平掃描脈波開啟與關(guān)閉TFT的電壓位階，Vs為垂直訊號(hào)線上的驅(qū)動(dòng)波形，Vp為液晶畫素內(nèi)的電壓波形。

圖3. 液晶的電光特性曲線

若是採用圖框反轉(zhuǎn)的極性交換方式，第i列（Row）的液晶畫素的有效電壓值，是整個(gè)畫面完成掃描的週期時(shí)間內(nèi)的電壓均方根（RMS）值。假設(shè)第i列水平掃描線被選取驅(qū)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的垂直影像電壓為Vi；同理，當(dāng)其他水平掃描線被選取驅(qū)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的垂直影像電壓為Vj（1 < j < N，N為水平掃描線的數(shù)目），所以對(duì)于第i列上液晶畫素的最后RMS電壓值如（6）式：

（6）

分析（6）式各項(xiàng)

所表示的意義：大括號(hào)內(nèi)的第一項(xiàng)Vi2是掃描第i列時(shí)的訊號(hào)電壓平方值，第二項(xiàng)多項(xiàng)式重寫如下式：

這項(xiàng)是表示在第i列以上的水平掃描線，在掃描週期內(nèi)對(duì)于第i列的電容藕合效應(yīng)。由于從第1列至第i－1列的垂直影像訊號(hào)與第i列上液晶畫素所儲(chǔ)存的影像訊號(hào)電壓極性是相反的，對(duì)于第i列的液晶畫素所造成的影響趨勢(shì)是將液晶畫素內(nèi)儲(chǔ)存的電荷經(jīng)由藕合電容洩漏到垂直影像訊號(hào)驅(qū)動(dòng)線。所以液晶畫素的有效電壓會(huì)較理想的電壓位階低。

參考（5）式中的第三項(xiàng)：

這項(xiàng)是表示在第i列以下的水平掃描線，在掃描週期內(nèi)對(duì)于第i列的電容藕合效應(yīng)。由于從第i-1列至第N列的垂直影像訊號(hào)與第i列上液晶畫素所儲(chǔ)存的影像訊號(hào)電壓極性是相同的，對(duì)于第i列的液晶畫素所造成的影響趨勢(shì)是將儲(chǔ)垂直影像訊號(hào)驅(qū)動(dòng)線上的電荷經(jīng)由藕合電容洩漏到液晶畫素內(nèi)。

重新審視整理（6）式，經(jīng)過計(jì)算后可得到如（7）式的結(jié)果。（7）式的三個(gè)部份分別代表不同的意義：第一部份表示第i列上液晶畫素被寫入的正確電壓，第二部份表示第一階串音成份，第三部份表示第二階串音成份。至于造成串音的主要成份是第一階串音，第二階串音由于是平方項(xiàng)所以造成串音的影響很小。所以垂直串音都以第二項(xiàng)的一階串音為主要克服對(duì)象。

假設(shè)一個(gè)液晶顯示器的畫面具有240條水平掃描線，交流驅(qū)動(dòng)的方式採用圖框反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，畫面顯示單一灰階背景時(shí)，在實(shí)際畫面上會(huì)有什麼情況發(fā)生？參考（7）式的結(jié)果：若i＜120也就是第i列是在前半部的水平掃描中的某一條時(shí)，由于從i＋1至第N條水平掃描線的對(duì)應(yīng)垂直影像電壓極性與第i列相同，而且電容藕合的效果大于由第1列至第i－1列的相反極性電壓藕合的影響，所以會(huì)造成第i列上液晶畫素的RMS電壓值大于理想正確電壓值（1－α－β）2 Vi2，而且當(dāng)i愈接近1時(shí)此一情況愈嚴(yán)重。相反的情況發(fā)生在當(dāng)i＞120時(shí)，液晶畫素上的RMS電壓值會(huì)愈來愈小于理想的正確電壓值。若是液晶顯示器是NW（Normal White）顯像模式，垂直串音造成的結(jié)果是畫面的亮度由畫面頂端到底端分佈不均勻，愈頂端畫面愈黑，愈低端畫面亮度愈亮。參考圖4的顯示畫面。

（7）

若是畫面顯示如圖5的視窗畫面時(shí)，同樣可以用上述的方式來討論：若是視窗畫面為黑色背景與白色視窗時(shí)，由于白色視窗訊號(hào)電壓為低電壓驅(qū)動(dòng)訊號(hào)，所以在白色視窗的垂直區(qū)域內(nèi)，電壓的電容藕合效應(yīng)較低，所以上半部份的畫面會(huì)較背景的亮度更低，下半部的情況則相反。若畫面的視窗圖樣是白色背景與黑色視窗時(shí)，畫面的顯示狀態(tài)如圖6所示。

圖4.採用圖框反轉(zhuǎn)交流驅(qū)動(dòng)時(shí)，液晶畫面的垂直串音現(xiàn)象。

圖5.採用圖框反轉(zhuǎn)交流驅(qū)動(dòng)時(shí)，液晶畫面顯示黑底白視窗畫面的垂直串音現(xiàn)象。

圖6.採用圖框反轉(zhuǎn)交流驅(qū)動(dòng)時(shí)，液晶畫面顯示白底黑視窗畫面的垂直串音現(xiàn)象。

1.2直行反轉(zhuǎn)（Column Inversion）對(duì)垂直串音的影響

前面介紹了圖框反轉(zhuǎn)的垂直串音效應(yīng)，現(xiàn)在繼續(xù)考慮直行反轉(zhuǎn)的交流驅(qū)動(dòng)方式對(duì)垂直串音現(xiàn)象的影響。首先考慮直行反轉(zhuǎn)時(shí)的垂直驅(qū)動(dòng)電壓的極性，若在第i列、第j行上的垂直驅(qū)動(dòng)電壓為正極性時(shí)，其相鄰的第j’行上的驅(qū)動(dòng)電壓極性變?yōu)樨?fù)極性驅(qū)動(dòng)，所以在第i列、第j行上的液晶畫素電壓為：

（8）

如同前一節(jié)討論的方式，若是以第i列為參考依據(jù)時(shí)，從第1列至第i-1列的水平掃描週期時(shí)間內(nèi)，第j行上的垂直驅(qū)動(dòng)電壓極性都是與第i列，第j行上液晶畫素所儲(chǔ)存的電壓極性相反，從i+1至第N列的水平掃描週期時(shí)間內(nèi)的垂直驅(qū)動(dòng)電壓極性與第i列相同；相反的，在相鄰的第j行上的電壓極性正好相反，意即從第1列至第i-1列的垂直驅(qū)動(dòng)電壓極性與液晶畫素所儲(chǔ)存的電壓極性相同，從i+1至第N列的垂直驅(qū)動(dòng)電壓極性是相反。所以在整個(gè)圖框週期內(nèi)，液晶畫素內(nèi)儲(chǔ)存的RMS電壓如（9）式：

（9）

比較（7）式與（9）式，可以發(fā)現(xiàn)在造成串音的主要成份中（（7）式與（9）式中的第二項(xiàng)），直行反轉(zhuǎn)由于相鄰垂直電極對(duì)于液晶畫素所造成的電容藕合效應(yīng)有相互抑制的效果（參考（9）式第二項(xiàng)），所以垂直串音的現(xiàn)象因?yàn)閽裼弥毙蟹崔D(zhuǎn)的交流驅(qū)動(dòng)方式而獲得改善。

參考（9）式，若是假設(shè)Vm=Vm’時(shí)，（9）式可以改寫成如（10）式：

（10）

同樣的若（7）式的Vj=Vj’時(shí)，（7）式可以重寫成如（11）式：

（11）

參考（10）與（11）可以更明顯的看出圖框反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式與直行反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式之間的差異；圖框反轉(zhuǎn)的方式中，水平方向上相鄰的電極對(duì)于液晶畫素是造成加成的藕合效應(yīng)（因?yàn)殡娙菖汉享?xiàng)為（α＋β）），直行反轉(zhuǎn)是造成相互抑制的效應(yīng)（因?yàn)殡娙菖汉享?xiàng)為（α－β））。

1.3線反轉(zhuǎn)（Line Inversion）對(duì)于垂直串音的影響

對(duì)于線反轉(zhuǎn)的交流驅(qū)動(dòng)訊號(hào)而言，在同一條水平線上的影像驅(qū)動(dòng)訊號(hào)極性是相同的，但是相鄰的水平掃描線上的垂直驅(qū)動(dòng)訊號(hào)極性是相反的。若是第i條（假設(shè)i是偶數(shù)時(shí)）水平掃描線上對(duì)應(yīng)的垂直訊號(hào)電壓極性為正極性時(shí)；在整個(gè)圖框掃描週期時(shí)間內(nèi)，掃描第1條至第i－1條的水平掃描線時(shí)對(duì)應(yīng)的訊號(hào)極性，偶數(shù)條的水平掃描線的訊號(hào)極性是負(fù)極性，奇數(shù)條掃描線上的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)為正極性；而后在驅(qū)動(dòng)第i條掃描線上的液晶畫素時(shí)，是將液晶畫素由正極性轉(zhuǎn)變成負(fù)極性；剩下的第i＋1條至最后一條掃描線的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)極性也是偶數(shù)條是負(fù)極性，奇數(shù)條是正極性。所以對(duì)于第i條水平掃描線上的液晶畫素的有效RMS可以用（12）式來表示：

（12）

（12）式中的第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)在第i條掃描線以上的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)對(duì)于液晶畫素的影響，其中奇數(shù)條掃描線的影響是向正極性的方向（假設(shè)第i條掃描線為偶數(shù)條掃描線，而且液晶畫素所儲(chǔ)存的電荷電壓極性為正極性），偶數(shù)條掃描線的驅(qū)動(dòng)電壓影響為向負(fù)極性的方向；同理從第i+1條到第N條掃描線的驅(qū)動(dòng)電壓影響與前述的相反。將（12）式簡(jiǎn)化可以獲得（13）式的結(jié)果：

（13）

觀察（13）式可以發(fā)現(xiàn)使用線反轉(zhuǎn)的交流驅(qū)動(dòng)方式，由于奇數(shù)條與偶數(shù)條水平掃描線對(duì)于液晶畫素相反的電容藕合效應(yīng)，使其具有與直行反轉(zhuǎn)相似的抑制作用，不同的地方在于直行反轉(zhuǎn)是相鄰垂直驅(qū)動(dòng)訊號(hào)間的抑制作用，線反轉(zhuǎn)的交流驅(qū)動(dòng)是由于相鄰的水平掃描線上相反的垂直驅(qū)動(dòng)電壓極性，造成電容藕合效應(yīng)的抑制。所以採用直行反轉(zhuǎn)或是線反轉(zhuǎn)對(duì)于垂直方向上的畫面串音有明顯的抑制，可以改善畫面的顯像品質(zhì)。

若是將（13）式簡(jiǎn)化，同樣假設(shè)Vj=Vj’時(shí)，即是以顯像畫面為單調(diào)的灰階畫面為參考時(shí)，能夠更加的明瞭線反轉(zhuǎn)對(duì)于垂直串音的影響。

（14）

1.4點(diǎn)反轉(zhuǎn)（Dot Inversion）對(duì)于垂直串音的影響

點(diǎn)反轉(zhuǎn)的交流驅(qū)動(dòng)方式可以視為直行反轉(zhuǎn)與線反轉(zhuǎn)交流驅(qū)動(dòng)方式的組合，對(duì)于任意的一個(gè)液晶畫素，它與周圍其他四個(gè)液晶畫素的電壓極性都不相同。若是顯示某一灰階畫面實(shí)，點(diǎn)反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)于液晶畫素的影響如（15）式：

（15）

所以比較（15）式與其他驅(qū)動(dòng)方式的分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)採用點(diǎn)反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)于垂直串音的抑制效果最佳。

1.5 水平串音的畫面分析

水平串音的形成主因在于各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上的訊號(hào)電壓變化，經(jīng)由液晶面板間的雜散電容藕合效應(yīng)，影響到共通電極的參考位準(zhǔn)，因而造成畫面的水平串音。在此對(duì)于水平串音的分析主要是對(duì)于影像驅(qū)動(dòng)訊號(hào)對(duì)于液晶畫素的充電方式所造成的效應(yīng)做討論。

1.5.1串列輸入/并列輸出（Serial In /Parallel Out）方式的影響

首先考慮訊號(hào)驅(qū)動(dòng)的方式是採用串列輸入/并列輸出的架構(gòu)，這也是一般大尺寸高解析度的液晶顯示器所採行的訊號(hào)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)�；镜膭�(dòng)作方式是影像訊號(hào)依時(shí)間的順序依序的輸入至影像訊號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路依序的將影像訊號(hào)儲(chǔ)存起來，等到一條水平掃描線的訊號(hào)全部都儲(chǔ)存起來后，再同時(shí)并行的輸出至液晶畫素。所以此種方式對(duì)于共通電極的影響是發(fā)生在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上。以下的討論分別對(duì)于不同的極性驅(qū)動(dòng)方式做更進(jìn)一步的分析：

（a）採用圖框反轉(zhuǎn)或是線反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式：

考慮一個(gè)影像訊號(hào)電極的輸出電壓訊號(hào)對(duì)于共通電極的影響為αVm，水平解析度為N的影像畫面，對(duì)于共通電極的參考位準(zhǔn)影響為NαVm，而且共通電極的影響會(huì)隨水平解析度的增加而愈加嚴(yán)重。由于共通電極是一個(gè)RC的電路負(fù)載，所以共通電極上的參考位準(zhǔn)變化可用RC放電曲線來描述，所以共通電極被藕合效應(yīng)影響后，對(duì)于液晶畫素參考電壓位準(zhǔn)的變化，必須視RC等效電路而定。若RC常數(shù)大的話，代表放電時(shí)間長，所以產(chǎn)生的誤差電壓大，因而造成較嚴(yán)重的水平串音的效應(yīng)。參考圖7。

圖7.并列輸出方式，圖框反轉(zhuǎn)與線反轉(zhuǎn)之驅(qū)動(dòng)方式對(duì)于共通電極的參考電位影響

（b）採用直行反轉(zhuǎn)或是線反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式：

採用直行反轉(zhuǎn)與點(diǎn)反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式，由于水平方向上，相鄰的液晶畫素的驅(qū)動(dòng)電壓極性是相反的，所以對(duì)于共通電極的藕合影響會(huì)有相互抑制的效果，因而降低水平串音的現(xiàn)象。

1.5.2串列輸入/串列輸出（Serial In /Serial Out）方式的影響

若訊號(hào)驅(qū)動(dòng)的方式是採用串列輸入/串列輸出的架構(gòu)，這也是一般小尺寸低解析度的低溫多晶硅液晶顯示器（Low Temperature Poly-Si TFT LCDs）所採行的訊號(hào)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)�；镜膭�(dòng)作方式是影像訊號(hào)依時(shí)間的順序依序的輸入至影像訊號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路再依序的將影像訊號(hào)經(jīng)由傳輸閘或是輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出至液晶畫素。所以此種方式對(duì)于共通電極的參考電位影響是發(fā)生在不同時(shí)間點(diǎn)上。以下的討論分別對(duì)于不同的極性驅(qū)動(dòng)方式做更進(jìn)一步的分析：

（a）採用圖框反轉(zhuǎn)或是線反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式：

考慮一個(gè)影像訊號(hào)電極的輸出電壓訊號(hào)對(duì)于共通電極的影響為αVm，水平解析度為N的影像畫面，對(duì)于共通電極的參考位準(zhǔn)影響如圖8，而且共通電極的影響會(huì)隨水平解析度的增加而愈加嚴(yán)重。由于共通電極是一個(gè)RC的電路負(fù)載，所以共通電極上的參考位準(zhǔn)變化可用RC放電曲線來描述，由于共通電極被藕合效應(yīng)影響的時(shí)間點(diǎn)不在同一時(shí)間點(diǎn)上，所以會(huì)造成更嚴(yán)重的共通電極的參考電位漂動(dòng)問題。若RC常數(shù)大的話，代表放電時(shí)間長，所以產(chǎn)生的誤差電壓大，因而造成更嚴(yán)重的水平串音的效應(yīng)。參考圖8。

圖8. 串列輸出方式，圖框反轉(zhuǎn)與線反轉(zhuǎn)之驅(qū)動(dòng)方式對(duì)共通電極的參考電位影響

（b）採用直行反轉(zhuǎn)或是線反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式：

採用直行反轉(zhuǎn)與點(diǎn)反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式，由于水平方向上，相鄰的液晶畫素的驅(qū)動(dòng)電壓極性是相反的，所以對(duì)于共通電極的藕合影響會(huì)有相互抑制的效果，因而降低水平串音的現(xiàn)象。

2.低溫多晶硅薄膜電晶體液晶顯示器的電路架構(gòu)

經(jīng)由上述對(duì)于影像畫面的分析，我們可以明確的架構(gòu)出LT Poly-Si TFT LCDs的電路架構(gòu)，以及預(yù)測(cè)不同的架構(gòu)對(duì)于畫面的影響；此節(jié)主要是由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的觀點(diǎn)來討論不同的架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)：

2.1串列輸入/串列輸出（Serial In /Serial Out）方式

串列輸入/串列輸出方式的架構(gòu)，對(duì)于高解析度大面積的TFT LCDS而言，是一個(gè)極不洽當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)方式，主要原因在于對(duì)于每個(gè)液晶畫素的充放電時(shí)間不相同，參考圖9，愈先取樣輸出的影像電壓，對(duì)于液晶畫素的充放電時(shí)間愈長，愈后取樣輸出的影像電壓，對(duì)于液晶畫素的有效充放電時(shí)間會(huì)愈短，因而造成畫面的左右亮度不均勻。

圖9.串列輸出架構(gòu)的液晶畫素充放電時(shí)間

所以，對(duì)于大尺寸高解析度的液晶顯示器而言，不建議採用此種架構(gòu)，因?yàn)殡S著解析度的提高，表示一條水平掃描線的時(shí)間亦加縮短，因而會(huì)加重畫面的不均勻性；隨著面板面積的增加，造成垂直驅(qū)動(dòng)電極與水平驅(qū)動(dòng)電極的負(fù)載增加，使得水平脈波與訊號(hào)電壓的驅(qū)動(dòng)波形延遲時(shí)間增長，降低有對(duì)液晶畫素的有效充放電時(shí)間，同樣會(huì)增加畫面亮度分佈的不均勻性。

若為了克服亮度分佈不均勻的問題，可以採用如圖10的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，先將垂直電極走線上的雜散電容充電（此時(shí)雜散電容當(dāng)作是訊號(hào)電壓的儲(chǔ)存電容），待依序充電完畢后在開啟水平脈波，但是此方式所面臨的問題是水平脈波的時(shí)間寬度大幅的減小，對(duì)于高解析度的影像畫面而言，所面臨的問題是整個(gè)畫面的液晶畫素充放電時(shí)間不夠，造成整個(gè)畫面的亮度不足，而且畫面對(duì)比劇降。

圖10. 串列輸出架構(gòu)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序

串列輸入/串列輸出的驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)，如圖11所示。參考圖11的架構(gòu)，影像訊號(hào)的輸入有三個(gè)路徑，分別為Phase1，Phase2，以及Phase3；對(duì)于彩色的液晶面板而言，這三個(gè)影像訊號(hào)輸入的路徑分別為紅色、綠色、及藍(lán)色。若是VGA解析度的液晶面板，移位暫存器（Shift Register）的鐘控訊號(hào)（Clock）的頻率為25MHz。

若是黑白的液晶面板而言，Phase1、Phase2、及Phase3的影像訊號(hào)為原本的影像訊號(hào)除三倍頻后的低頻訊號(hào)，而且移位暫存器的鐘控訊號(hào)亦為25MHz的除三倍頻，約為8.33MHz；如此架構(gòu)的好處在于在玻璃上的積體化多晶硅驅(qū)動(dòng)電路的操作頻率可以降低，同時(shí)對(duì)于每一條垂直訊號(hào)電極走線上的雜散電容充電的時(shí)間較原本增加三倍，由原本的40ns增加為120ns。但是外部的影像訊號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的複雜度會(huì)增加許多。參考圖12影像驅(qū)動(dòng)分相電路的架構(gòu)圖、圖13分相鐘控訊號(hào)時(shí)序圖。

圖11. 串列輸入 / 串列輸出電路架構(gòu)

圖12. 影像驅(qū)動(dòng)分相電路架構(gòu)

參考圖12與圖13，LCK1、CLK2、及CLK3分別控制第一級(jí)上半部三個(gè)栓鎖電路（Latch1、Latch2、及Latch3），CLK4、CLK5、及CLK6分別控制第一級(jí)上半部三個(gè)栓鎖電路；CLK7控制第二級(jí)的三個(gè)栓鎖電路。第一級(jí)的兩組栓鎖電路將影像訊號(hào)交錯(cuò)的取樣儲(chǔ)存起來，第二級(jí)的栓鎖電路則是經(jīng)由內(nèi)部多工器的選擇，交錯(cuò)的選取上半部或是下半部栓鎖電路所取樣

儲(chǔ)存的影像訊號(hào)，經(jīng)由CLK7的鐘控訊號(hào)將三個(gè)不同相位的影像訊號(hào)同步成為相同相位的訊號(hào)，再送至液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)電路。

圖13. 分相電路控制時(shí)序圖

2.2串列輸入 / 并列輸出（Serial In / Parallel Out）方式

對(duì)于高解析度，大尺寸的液晶面而言，如果如同小尺寸的液晶面板一般，採用所謂的Driver on Glass的架構(gòu)，就是將水平掃描脈波驅(qū)動(dòng)線路與垂直影像驅(qū)動(dòng)線路全部都設(shè)計(jì)佈局與玻璃之上，薄膜的製程採用多晶硅（Poly-Si）的元件，雖然可以提高電荷載子的移動(dòng)率（Mobility），克服非晶硅（Amorphous Si）元件電荷載子移動(dòng)率不足的問題，但是仍需要注意多晶硅元件在玻璃基板上製作電路的元件特性，是否達(dá)到高解析度的高頻操作要求。例如對(duì)于SVGA的解析度而言，若是圖框重複率（Frame Rate）為60Hz，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)操作頻率需要39MHz；若為XGA時(shí)，需要65MHz；若是更高的SXGA的解析度而言，所需的操作頻率高達(dá)130MHz。

所以在高解析度、高頻的操作模式下，採用Driver on Glass的架構(gòu)時(shí)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)架構(gòu)，必須先做評(píng)估：在此提出三種驅(qū)動(dòng)電路的架構(gòu)以解決高頻動(dòng)作所可能面臨的問題。

2.2.1 影像分相電路架構(gòu)（Video Multi-Phase Structure）

第一種架構(gòu)如前節(jié)所介紹的影像分相架構(gòu)，但是為了增加對(duì)于垂直驅(qū)動(dòng)電極走線上雜散電容的充電時(shí)間，驅(qū)動(dòng)電路的架構(gòu)為串列輸入 / 并列輸出的架構(gòu)。若影像分相的數(shù)目愈多，垂直驅(qū)動(dòng)電路的鐘控訊號(hào)頻率就愈低；假若將影像分成10相，對(duì)于60Hz圖框重複率的VGA而言，鐘控訊號(hào)由原先的25MHz降至2.5MHz；但是要注意，若是外部影像分相驅(qū)動(dòng)電路（圖12）處理的影像訊號(hào)是類比影像訊號(hào)時(shí)，影像分相的數(shù)目愈多，最后在液晶面板上所顯示的影像畫面會(huì)愈模糊，這是由于分相電路的低通濾波特性所造成，而且隨分相數(shù)目的增加，低通的效果會(huì)愈明顯；因此，若採用影像分相電路架構(gòu)時(shí)，對(duì)于影像分相的數(shù)目需要多考慮，同時(shí)分相數(shù)目過多時(shí)，影像分相電路的控制時(shí)序會(huì)變的更複雜，所需的處理電路亦會(huì)增加許多。

圖14. 并列輸出驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)

參考圖14、移位暫存器（Shifter Register Array）依序的送出控制訊號(hào)控制輸入栓鎖暫存器（Input Latch Array），輸入栓鎖暫存器將影像訊號(hào)依序的取樣儲(chǔ)存起來，等到一條水平掃描線上的影像訊號(hào)全部都被取樣儲(chǔ)存后，利用輸出栓鎖訊號(hào)將輸入栓鎖暫存器所儲(chǔ)存的影像資料轉(zhuǎn)移至輸出栓鎖暫存器（Output Latch Array），同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓至液晶面板上，在此同時(shí)輸入栓鎖暫存器再繼續(xù)取樣儲(chǔ)存下一條水平線的影像訊號(hào)。由以上的動(dòng)作方式可知，輸出至液晶面板的驅(qū)動(dòng)電壓作用時(shí)間長達(dá)一條水平掃描線的週期，所以與串列輸出的方式最大的不同，即是增加了對(duì)液晶面板上垂直驅(qū)動(dòng)電極走線的雜散電容充電時(shí)間，改善顯像畫面的亮度不均勻性與低的畫面對(duì)比。

至于圖中的影像輸入訊號(hào)有三組，對(duì)于彩色的液晶面板而言，此三組的影像輸入訊號(hào)分別為紅色、綠色、與藍(lán)色。此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的鐘控訊號(hào)頻率每有降低三倍，仍然維持顯像系統(tǒng)的影像畫素更換頻率（Pixel Rate），若為三個(gè)相同顏色訊號(hào)的輸入影像訊號(hào)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的鐘控訊號(hào)頻率即可較畫素更換頻率降低三倍。

2.2.2垂直畫面分割架構(gòu)

另一種降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)頻率的方式是將顯像畫面分割成數(shù)個(gè)小的顯像掃描區(qū)域，每個(gè)顯像掃描區(qū)域都是同時(shí)的掃描顯示畫面。這種分個(gè)畫面掃描的分是可以歸納成為兩類，一為垂直畫面分割，另一為時(shí)間擴(kuò)展（Timing Expansion）的訊號(hào)處理架構(gòu)。這節(jié)先對(duì)垂直畫面分割的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)做一簡(jiǎn)單的分析與介紹。首先參考圖15的液晶面板佈局方式，將一個(gè)液晶面板分割成為上下兩半，上面一半與下面一半的畫面是被同時(shí)驅(qū)動(dòng)顯像，所以對(duì)于垂直訊號(hào)驅(qū)動(dòng)電極走線的設(shè)計(jì)也與傳統(tǒng)的方式不同，傳統(tǒng)的垂直訊號(hào)電極佈局的方式是一條垂直訊號(hào)電極由面板的上方舖設(shè)到下方，若是對(duì)于VGA的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)而言，垂直方向的解析度為480條水平掃描線，所以一條垂直驅(qū)動(dòng)訊號(hào)電極上便會(huì)連接480個(gè)液晶顯像畫素；但是垂直畫面分割是將垂直訊號(hào)驅(qū)動(dòng)電極走線分成上下兩半，上半部連接240個(gè)液晶畫素，下半部連接240個(gè)液晶畫素。此種驅(qū)動(dòng)架構(gòu)使得每一條水平掃描線的週期成為傳統(tǒng)的兩倍，意即系統(tǒng)的操作率可以降低一半。

圖15.垂直分割掃描的液晶面板架構(gòu)圖

從圖15中可以看出垂直影像驅(qū)動(dòng)電路需要兩組，傳統(tǒng)的掃描方式只需要一組的垂直影像驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于外部的影像處理電路而言，影像電路處理的架構(gòu)如圖16：

圖16. 垂直畫面分割影像處理電路架構(gòu)

參考圖16，輸入影像訊號(hào)先經(jīng)由多工器選擇輸入至哪一個(gè)圖框緩衝記憶體。當(dāng)圖框緩衝記憶體A被多工器選擇輸入影像訊號(hào)儲(chǔ)存時(shí)，在同一時(shí)間圖框緩衝記憶體B將其所儲(chǔ)存的影像資料輸出至液晶面板的驅(qū)動(dòng)電路。反之，圖框緩衝記憶體A與B的處理動(dòng)作交換；為何要如此的架構(gòu)設(shè)計(jì)？其中原因?yàn)榇怪狈指町嬅娴膾呙璺绞剑谳敵鲇跋裼嵦?hào)時(shí)記憶體所儲(chǔ)存的資訊內(nèi)容不可以變更，所以需要兩組緩衝記憶體交互讀寫的動(dòng)作。

在將影像訊號(hào)寫入緩衝記憶體時(shí)，寫入資料的順序是從第一個(gè)圖框記憶體寫起，順序的資料寫入；當(dāng)寫完一半的圖框畫面資料后，接著后面一半的圖框畫面寫入第二個(gè)圖框記憶體。影像資料由圖框記憶體內(nèi)讀出時(shí)，是同時(shí)由第一個(gè)與第二個(gè)圖框記憶體并行的讀出，送至液晶面板的驅(qū)動(dòng)電路，所以圖框記憶體的寫入鐘控訊號(hào)（Write Clock）的頻率與影像訊號(hào)的畫素更換頻率（Pixel Rate）相同，但是圖框記憶體的讀取鐘控訊號(hào)（Read Clock）頻率只有寫入頻率的一半，而且每一條水平掃描線的週期增加一倍。影像訊號(hào)與控制訊號(hào)的關(guān)系如圖17：

採用此種方式的優(yōu)點(diǎn)在于液晶面板上的垂直影像驅(qū)動(dòng)電路的操作頻率可以降低一半外，另一個(gè) 優(yōu)點(diǎn)是水平掃描週期的時(shí)間增加一倍，所以除了可以降低操作頻率外，還可以增加TFT 的水平脈波選取時(shí)間，增加液晶電容充電的時(shí)間。

圖17. 圖框緩衝記憶體動(dòng)作時(shí)序圖

2.2.3時(shí)間擴(kuò)展（Timing Expansion）架構(gòu)

應(yīng)用時(shí)間擴(kuò)展電路架構(gòu)時(shí)，液晶面板的佈局上與傳統(tǒng)的方式相同，但是垂直驅(qū)動(dòng)電路的架構(gòu)需要做變更，參考圖18，假設(shè)將畫面在水平方向上分割成為三個(gè)顯像區(qū)域，每個(gè)顯像區(qū)域如同垂直畫面分割的方式，都是并行同時(shí)掃描。因此垂直驅(qū)動(dòng)電路的操作頻率可以較原先所需的降低為三分之一。

但是要注意到，水平掃描時(shí)間週期并沒有改變，若原先水平掃描週期為31us，採用垂直畫面分割的電路架構(gòu)，水平週期增加為62us，但是時(shí)間擴(kuò)展的電路架構(gòu)週期仍為31us。另外比較兩者的影像訊號(hào)處理架構(gòu)，垂直畫面分割需要圖框記憶體（Frame Memory），但是時(shí)間擴(kuò)展方式只需要線掃描記憶體（Line Memory）。在液晶面板的佈局架構(gòu)上，垂直畫面分割需要在佈局上將液晶面板分成上下兩個(gè)獨(dú)立的顯像區(qū)域，垂直訊號(hào)驅(qū)動(dòng)電極分別由上下兩邊的驅(qū)動(dòng)電路所驅(qū)動(dòng)，垂直電極也被分割成上下兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電極走線。採用時(shí)間擴(kuò)展方式時(shí)，液晶面板的佈局方式與傳統(tǒng)的完全相同，不需要在佈局上將液晶面板分割，只需在垂直驅(qū)動(dòng)電路上做電路架構(gòu)的獨(dú)立分割。

圖18. 時(shí)間擴(kuò)展方式垂直驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)

參考圖18，垂直驅(qū)動(dòng)電路的控制與傳統(tǒng)的方式的不同點(diǎn)，最主要是在水平掃描觸發(fā)訊號(hào)的控制模式，傳統(tǒng)的觸發(fā)訊號(hào)是觸發(fā)第一顆垂直驅(qū)動(dòng)晶片開始動(dòng)作掃描，但是時(shí)間擴(kuò)展的方式是掃描觸發(fā)訊號(hào)是同時(shí)觸發(fā)三個(gè)掃描區(qū)間的第一顆驅(qū)動(dòng)晶片，同時(shí)操作頻率降低為原本所需的三分之一。

至于外部訊號(hào)處理電路的架構(gòu)如圖19，兩組掃描線緩衝記憶體的功用在于影像訊號(hào)寫入一組的同時(shí)，另一組將所儲(chǔ)存的影像資料輸出至液晶的驅(qū)動(dòng)電路。訊號(hào)處理的時(shí)序圖如圖20：

圖19. 外部訊號(hào)處理電路架構(gòu)圖

圖 20. 訊號(hào)處理架構(gòu)圖

3.結(jié)論

以上各節(jié)分別針對(duì)低溫多晶硅所可採行的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)做初步的介紹，同時(shí)針對(duì)不同架構(gòu)所可能面對(duì)的畫面問題做初步的討論，綜合以上的各部分討論，對(duì)于高解析度的液晶面板，要採用多晶硅元件于玻璃上製作驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，需要針對(duì)多晶硅的頻率操作特性作深入的瞭解，方可採行適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路架構(gòu)。例如將串列輸入 / 串列輸出的電路架構(gòu)應(yīng)用于大尺寸、高解析度的液晶面板時(shí)，第一個(gè)面臨的問題是多晶硅元件的操作頻率是否可以達(dá)到要求，第二是對(duì)于垂直驅(qū)動(dòng)電極走線的雜散電容充電的問題，因?yàn)闀r(shí)間過短的話，無法對(duì)液晶畫素提供正確的充電電壓位準(zhǔn)，第三由于對(duì)于液晶畫素的充電時(shí)間隨畫素在水平掃描線上的位置不同，因而隨之改變，可能造成畫面的亮度分佈不均勻的問題，第四若是要降低驅(qū)動(dòng)電路的操作頻率，以及增加對(duì)垂直驅(qū)動(dòng)電極的充電時(shí)間，採用影像分相驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)時(shí)，對(duì)于類比的影像訊號(hào)若分相數(shù)目過多，會(huì)造成嚴(yán)重的低通濾波器的效果，使得高頻畫面失真。

再者，需要考慮到驅(qū)動(dòng)電路的架構(gòu)，事實(shí)上與外部訊號(hào)處理電路的架構(gòu)是一體的，在決定採用何種的驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)時(shí)，即已決定可與之搭配的訊號(hào)處理電路架構(gòu)，具體而言，面板上的驅(qū)動(dòng)電路與外部處理電路所要執(zhí)行的工作定為100%時(shí)，若是面板上驅(qū)動(dòng)電路所能處理的部分僅為20%，那麼外部電路就要處理80%的工作，所以雖然將驅(qū)動(dòng)電路直接製作于玻璃上有降低液晶面板的成本考量，但是必須更進(jìn)一步的考量外部處理電路的複雜度與周邊電路成本上升的問題，所以對(duì)于利用多晶硅元件直接于玻璃上製造驅(qū)動(dòng)電路的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必要以液晶模組的角度作整體性的考量，方可擺脫由半導(dǎo)體製程方面考慮的盲點(diǎn)。

王智偉

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