第四章 有源矩阵液晶显示的驱动
无源矩阵驱动的缺点
1、 存在交叉串扰，驱动路数的宽容度α随N的增加而迅速下降，αmax=
N+1，N−1
使对比度降低。
2、 当N上升，象素工作的占空比1/N也下降，需提高驱动电压（引起象素电极间的电
压差减小，从而降低显示质量）。 有源矩阵分类
4.1二端有源器件
一、二极管寻址矩阵液晶显示
1、液晶盒与二极管串联电路的电光特性
γ=V90/V10 →γ= (Vb+V90) /（Vb+V10） 即γ= 1+ΔV /（Vb+V10） （ΔV=V90―V10） 若二极管伏安特性呈理想矩形，Vb大，γ→1。（可突破液晶屏的扫描极限） 2、等效电路
DNM和PNM分别代表二极管和液晶象素；
寻址过程与普通液晶屏一样，象素的开启电压与二极管的正向压降有关。
信号电极 象素电压 扫描电极 选择 零电压 非选 负偏压VXF选择 负电平VYVY－Vb反偏截止 非选 零电压 反偏截止 反偏截止 满足条件：VY > Vb + V90 ，VY－VXF < Vb
单二极管有源矩阵可消除交叉效应，但无存储效应。 二、双阈值元件 1、结构
图4-3 双阈值元件寻址的液晶器件的等效电路和驱动电压波形
2、寻址
扫描脉冲：正的置位(充电)脉冲和负的复位(放电)脉脉冲组成。 1）复位：Xi加-nVb，Yj接地；i行上DijB导通放电，电压清零； 2）置位：Xi加nVb，Yj加VY；i行上DijA导通对LC充电。
满足条件：nVb +VY > V90
nVb < V10
4.2 三端有源器件
二端子AM方式：大大提高了液晶显示的显示容量、对比度和响应速度。但二端子元件的阈值电压的均匀性和稳定性将直接影响显示特性；寄生电容CNL必须满足CNL/CLC<0.1。
三端子AM方式（FET）：可把开关元件的控制电压和液晶像素的驱动电压分开设置。 4.2.1 TFT的基本结构与工作原理
1、TFT的基本结构：利用Vg来控制源、漏电极间的电流
图4 -5 TFT的基本结构
二极管反向电阻大于
液晶像素的漏阻，被选择像素充上电压后，当寻址信号移去后，仍将保持，因为串联的二极管反向不导通。像素上电荷只有靠自身的漏电才能泄放掉，这决定于液晶像素的介质弛豫常数τlc。
2、n型TFT的电流—电压特性
1）若半导体为p型（高阻不掺杂a- Si），源、漏极处为n型，源、漏极之间相当于两个背靠背p-n结串联，是不导电的，相当于源漏间开路；
2）当栅极上加正压时，界面处能带下弯，形成电子的陷阱和空穴的势垒，若电场很强，界面处少子（电子）浓度大于多子（空穴）浓度，将形成反型层（可移动的载流子）。当在源漏加外电压，电子运动产生电流，形成n型导电沟道，源漏导通。
3) 当栅极上加正压时，形成n沟道，加负压时形成p沟道。但是在a-Si中电子迁移率比空穴迁移率高一个数量级，所以总是工作于栅极加正电压，形成n沟道的电子导电。
导通区：Ids=μCOXW/L[(Vgs-Vth)-Vds/2] Vds
饱和区：Ids=μCOXW/L×(Vgs-Vth)Vds （4－8）
图4-6TFT的电流—电压特性
4.2.2 TFT-LCD工作原理
a-Si TFT LCD：在两块玻璃之间封入液晶，在下基板上要光刻出行扫描线和列寻址线，构成一个矩阵，在其交点上制作出TFT有源器件和像素电极，上基板作公共电极。
图4 -7 液晶显示屏的构造
（数百万个TFT控制着各个象素的色彩显示）
一、三端有源矩阵器件工作原理 1、有源矩阵结构
1）行电极与该行上所有TFT栅极相连，列电极与该列上所有TFT源极相连，TFT的漏极与液晶像素单元的一端相连。
行电极X称栅极母线，列电极称源极母线
2）液晶像素单元的另一端接在一起形成公共电极，并在每个液晶象素上并联一个补偿电容，液晶像素单元可等效为一个电容。
图4-8TFT-LCD等效电路
2、TFT－LCD驱动技术（逐行扫描寻址）
栅极：实施开关的导通和断开。 源极：对列电极施加目标电压；
1）行扫描：在TFT的栅极加正偏压，使该行的TFT同时导通，与此同时，把对应该行上所要显示的图像信号送到TFT的源极上，信号通过开启的TFT对对应的液晶像素和补偿电容充电，实现液晶显示。
2）行未扫描：在TFT的栅极接负电压，该行的TFT都截止，液晶象素上的电压慢慢放电，保持一帧时间。
3)对TFT的要求：
设RON与ROFF为TFT的导通和开路时的电阻，CLC为液晶等效电容（包括补偿电容），T1为行扫描时间，T2为帧扫描时间。则在TFT导通的时间T1应将99%的信号输入到CLC上，在TFT截止的时间T2，CLC上信号损失小于5%
T1
V[1−exp(−RON
C)]>0.99V → T1>4.6RONCLCT2
Vexp(−ROFF
C)>0.95V → T2<0.051ROFFCLC
NTSC制， T1＝×0.16μs，T2＝16.7ms，若设CLC＝1pF， 则RON<2.2×106Ω，ROFF>3.3×1011Ω
则TFT的通断比一般应在5个数量级以上。考虑到温度增加时ROFF会下降，这个比值应扩大到7个数量级以上。
3、优点 1） 无行间串扰问题，除寻址时间外，处于电气切断状态； 2） 被记录在象素上的电荷不能逃逸，具有电压保持的准静态驱动性能，可实现高亮度
显示； 3） 对液晶响应速度的要求放宽了，可显示视频图象； 4） 易实现电压调制的灰度显示。
4.3 TFT-LCD驱动技术
模拟和数字驱动系统最大的区别在于其数据驱动器是模拟的还是数字的，并没有本质区别。 4.3.1 驱动系统的基本内容
3位驱动器一．驱动器 主流的是成本和性能均衡
数据驱动器（data driver）
驱动器 （driver）
栅极驱动器（gate driver）
图4 -9 TFT-LCD用驱动器的种类
数字驱动器
（digital driver）
模拟驱动器
（analogue driver）
6位驱动器8位驱动器
的6位驱动器。但8位也在缓慢地普及之中。3位驱动器是现在不大使用，但具备数字驱动器的所有单元，简单易懂，所以本节就举出3位驱动器作为典型进行说明。
模拟驱动器：输入模拟图像信号，将视频信号的采样/保持后，电压加到象素。
特点：可产生多级灰度（模拟驱动电压不），但速度受采样/保持的（必须给出足够的时间让采样电容充电）。
数字驱动器：输入数字图像信号，经数模转换后输出。（选择几个离散电压之一加到象素上）
特点：可获得更高的帧频，但多级电压的获得
图4-10 驱动 AML CD的采样保持电路
和集成麻烦，显示的灰度有限。
数字驱动对多行计算机显示和大屏幕显示是很重要的。液晶驱动的主要挑战在于将驱动器集成在显示面板上。集成化的优点表现在：减少外部连线、降低空间冗余、降低由于外部连线而增加的象素间距、更高的象素密度等。
二．驱动系统
控制器ASIC：以计算机送来的时钟和图像数据为输入，产生各种控制信号和传输图像数据。
灰度电源：将数字信号转换为灰度电压。
栅极电源：产生栅极驱动器的输出电压（VGH，VGL）。
图4-12数字驱动系统的框图
三．LCD面板和图像信号
1、工作时钟信号关系：回扫周期是电子扫描的用语，但LCD中也使用。因LCD驱动中本来不需要回扫，所以也在进行缩短回扫周期以增加数据的有效传输时间的工作。
图4 -13 数字图像信号
2、面板及其外围电路
0个信号线连接相应的数据驱动器；480个扫描线连接栅极驱动器。 左数第i个信号线为D（i）， 上数第j个扫描线为G（j）， 其交点上的TFT为T（i，j）， 像素电极为P（i，j）。 共用电压Vcom。
图4-14 面板和其外围电路的示意图
3、像素空间位置和图像数据信号时间位置的对应关系。 4.3.2 驱动波形
一．液晶的交流驱动：施加于像素电极的正负对于共用电极而交替反转
图4 –26 行反转驱动
行反转驱动：每行电压极性反转
图4-36表示了在行反转以外的驱动方法中，像素电压的极性排列。
（a）帧反转：是将一画面（帧）全部为同一极性的；
（b）列反转：反转每列极性的；
（c）点（像素）反转：组合行、列反转。
图4 -36 像素电压的极性排列
图4 -17 最简化的像素的等效电路
Vcom
(7.5V)
VGL
(0V)
源极D（i）输出最高电压15V，共用电压Vcom为7.5V。
T1（奇数帧行扫描）：G（j）为VGH，开关T（i，j）导通，D（i）（>7.5V）对Vcom输出正电压，像素电极相对于共用电极为正电压。
图4-18
一个象素的驱动波形
T2（奇数帧行未描）：G（j）为VGL，T（i，j）断开，保存电压。 T3（偶数帧行扫描）：G（j）为VGH，T（i，j）导通，D（i）（<7.5V）对Vcom输出负电压，像素电极相对于共用电极为负电压。
T4（偶数帧行未描）：同T2。
二．列的驱动：同一列相邻象素电压极性交替，在下一帧，输出电压极性发生反转。
图4 -23 列的驱动波形
三．行的驱动：同一行像素进行同一极性的充电，而相邻行的像素以反极性充电
行反转驱动：在j行输出正，在（j+1）行输出负的电压。
图4-24连续两行的等效电路
图4-25连续两行的驱动波形
4.3.3 驱动器的结构
一、 栅极驱动器的结构
控制信号：栅极启动脉冲（GSP）和栅极时钟（GCK）。
输出信号：当移位寄存器位为1，输出VGH； 0时，输出VGL。
图4 -28 栅极驱动器的工作定时
图4 -27 栅极驱动器的基本结构
二、数据驱动器的结构
1．单元驱动电路： 取样存储器+ 保持存储器+ 驱动输出电路
以取样脉冲Tsmp的上沿读进取样存储器Msmp的数据，以输出脉冲OP的上沿移到保持存储器MH。移到保持存储器的数据在输出电路部分OPC转换为电压输出。
图4-29数字驱动器的单元驱动电路的结构（3位时的情况）
2．输出电路：3－8译码器＋8路模拟开关
ASW0～ASW7为模拟开关，各开关是由驱动器外部提供灰度电压V0～V7。保持存储器（MH）的内容被译码，而与数据值相对应的一个模拟开关被导通。输入到导通开关的电压成为电路的输出。表4-4表示了数据和输出电压的关系。
图4 -30 3位驱动器输出电路部的结构
4．数据驱动器的总体结构：时序与无源驱
动器基本相同
取样脉冲Tsmp（i）：将数据读进取样存储器Msmp（i）（把它叫做取样）。 输出脉冲（OP）：该行数据全部被取样之后出现，数据同时移到保持存储器MH（i）。 输出电路OPC（i）：将保持存储器的数据转换为电压输出。 4.3.4 液晶驱动电压
四、多灰度驱动器（6位驱动器）
结构：与3位驱动器大同小异。从外部输入若干个基准灰度电压电压，其余灰度电压在驱动器内部形成。
从驱动器外部输入的9个电压（基准灰度电压）的各电压间设8个电阻列以分压，和原来电压一起将个电压提供给各单元驱动电路。
输出电路：从个电压选择一个，通过缓冲放大而被输出。
图4 -42 分压电路的结构
图4 –43 6位驱动器的输出电路结构
4-4 液晶电视
一、要求
1、显示屏必须具有大的像素容量。 2、必须采用背光源。 3、足够的响应速度。 4、彩色化。
5、必须采用有源矩阵驱动。 6、加大视角。
二、TFT矩阵寻址的液晶电视 1、TFT液晶屏的结构 2、TFT液晶电视框图
调谐器从天线选择某一频道电视信号，经中频放大、视频检波后分成两路。
一路进入音频放大和处理电路，推动扬声器输出伴音；
另一路经视频放大和彩色解码后，将R、C、B三色信号送彩色信号采样电路，而将行、场同步信号送人同步电路，产生的行同步脉冲信号SV被送人扫描驱动器，产生的场同步信号SH与行同步信号一起送入彩色信号采样电路。
图4 - 44 a-Si:H TFT寻址的彩色液晶电视电路