第二章-TFT操作原理课件.ppt
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- 第二 _TFT 操作 原理 课件
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1、第二章 TFT操作原理1、极性反转及其必要性2、充电3、电位保持4、电容耦合效应5、信号延迟第一节 极性反转及其必要性1、什么是极性反转2、为什么可以极性反转3、极性反转的必要性4、像素阵列反转的方式1、极性反转 施加在液晶分子上的电场是有方向性的,若在不同的时间,以相反方向的电场施加在液晶上,即称为“极性反转”。在大部分的情况下,电极间距为常数,电场的方向对应到电位差的正负号,因此“极性反转”也意味着:对液晶施加正负号相反的电位差。2、为什么可以极性反转 首先来看液晶分子在电场中的电偶极力矩的情形,与第一章不同的是电场方向相反,因而电偶极的方向也是相反的,所以所产生的力矩 和 ,却因负负得正
2、而保持原来的转动方向,有差别的地方,在于电场方向不同时,液晶分子上的电子云不同而已,力矩 和 的大小并没有改变,因此极性的方向并不会影响力矩对液晶分子的作用,所以可以利用“极性反转”的方式来驱动液晶而不影响其排列与穿透度,由第一章液晶分子在电场中受到的力净力矩 可知,液晶分子在电场中的力矩与电场的平方成正比,这个力矩用来克服液晶的弹性,以控制其排列方式,进而控制穿透度,当电场大小固定时,即使电场的正负极性改变,液晶分子上的电子云分布可立即反应,因此可视为是处在一个平衡状态下。/2sin2/12/0Enet电场方向相反时长轴和短轴方向上的所受的力矩驱动电压的均方根 当电场大小改变时,受到液晶的弹
3、性与粘滞系数的影响,液晶的反应会视电场改变频率而定。在此先讨论电场改变频率很快,液晶来不及改变其排列方式的情况。在这样的情况下,液晶的排列,会由其所受的力矩在时间上的平均值来决定,而力矩与电场的平方成正比。对力矩作时间平均,其实便是对电场的平方作时间平均,穿透度直接对应到液晶的排列,电场直接对应到驱动电压,因此,穿透度与驱动电压的均方根相关。平均力矩 TdttTaverage/0 t其中t为时间,为力矩的时间函数,而由于力矩与电压平方成正比,得到的电压均方根 RMSV的计算公式 TdttVVTRMS/202 2/120)/(TdttVVTRMS其中 tV为电压的时间函数,T为 tV为例,其均方
4、根值为的变化周期,以下图 VTTVRMS354.16/11/12120162/12/1222222(1)若周期T甚小于液晶的反应时间,以该图的电压波形驱动液晶,其分子排列与穿透度,会以大小1.354V的电压来驱动液晶的情况是相同的。3、为什么必须极性反转 既然液晶的驱动与电压大小有关,而与其正负号无关,是否只要用正电压或负电压来驱动液晶即可?答案是不行的,必须以“极性反转”的方式来驱动,其原因有两个方面。(1)配向膜的直流阻绝效应 为了控制液晶在未施加电压时的排列状态,在夹置液晶的基板表面上,涂布一层如聚酰亚胺(PI)的有机材料薄膜,并以绒毛滚刷或紫外线照射,以在材料上形成沟槽,以强迫将表面上
5、的液晶分子,固定在所需的排列方向上,这层具有沟槽的薄膜,即为取向膜,因此,施加在电极上的电压,是透过取向膜才施加在液晶上的,如图所示,这样的结构的等效电路可视为是三个电容的串联,而且,取向膜与液晶并非是理想的绝缘体,本身仍会有一个高电阻值,因此,完整的等效电路也将串联电阻考虑进来。基本电阻公式为其中为电阻率,d为电流方向AdR/的距离,A为与电流垂直的截面积,与电容一起考虑等效电路,一般而言,取向膜的厚度约为液晶的1/100,相对介电系数则差不多,电阻率则约高于液晶的100000倍,因此:LCOLCC100LCOLRR1000我们知道,电容的阻抗 CjZ/1在施加直流电压 DCV角频率 的情况
6、下0故电容的阻抗甚大而可以被忽略,所以液晶上的跨压 LCV几乎为施加电压 DCV的两千分之一。DCDCOLLCOLLCLCVVRRRRV2000/1/也就是说,以直流方式驱动液晶,绝大部分的电压差会产生在取向膜上,无法改变液晶分子的排列,因而也不能控制光阀。相反地,在施加交流电压 的情况下,若频率很高,电容的阻抗反而会小于电阻,而可以忽略电阻的效应,此时液晶上所跨的电压 ,几乎等于施加电压ACVACVLCVACACOLLCOLLCVVCjCjCjCjV/1/1/1/1在电压施加的瞬间之后,取向膜与液晶上的跨压随时间的变化情况,则视电阻电容值而定,会以近似指数的形式趋于0,以一般的液晶而言,其时
7、间常数约为200秒,而且,此变化与液晶面积大小无关。LCVLCV 由以上的讨论,可知液晶不能只以直流驱动,而必须以高于1/200Hz的频率做交流驱动,在正常的情况下,考虑到液晶与人眼的反应时间,并不会以这么低的频率操作,所以并不考虑这个效应,但是,当电极并不直接与液晶接触时,直流阻绝效应便可能发生,在开发新的阵列或彩色滤光片的制程结构时,要注意避免这个效应。(2)可移动离子与直流残留 在液晶的制程中,由于无法将液晶完全纯化,不可避免地会在其中残留一些可移动离子,如图所示,在施加电压时,会受电极上与其极性相反的电荷吸引而向电极移动,施加的极性相反,离子运动的方向也跟着相反,若是施加电压的平均值为
8、零,可移动离子向两个电极的移动会相互抵消,所以净距离也会为零,然而,当施加电压的平均值不为零时,离子会趋向其中一个电极运动,一直移动到液晶与取向膜的界面,而被攫取在此界面上,这些被攫取在界面上的带电离子,会与另一电极上相反极性的电荷形成内部电场,这个内部电场会与外加电压形成的电场加成,而一起影响液晶的排列与穿透度,使得T-V曲线改变,即使完全不施加电压时,液晶的排列也会因内部电场而变得与原始排列状态不同,这样的情况,即被称为“直流残留”。直流残留最明显的效应是,以TN型液晶显示器为例,若以直流电压驱动,白底部分不需加电压,黑色图案部分则需施加电压,经过一段时间后,施加电压的黑色部分,离子已被攫
9、取在界面上,而未施加电压的白色部分,离子并未向界面移动,此时施加相同的电压,原本期望会显示出灰阶相同的全灰色画面,但黑色部分由于直流残留的内部电场而改变了施加电压的效果,在灰色画面中可以看出之前的画面图案,也可以说是前一画面留下了残影,这样的现象是不希望在显示器中发生而要极力去避免的。为了避免直流残留发生,必须使施加电压的平均值为零,第一步便是使驱动电压要有正极性和负极性的,也就是极性反转,这是极性反转的第二个原因。不仅如此,除了要有极性反转之外,还要使正负极性的平均值相互抵消,换言之,所施加的电压不能有直流的成分,不管直流的成分是正是负,都会造成直流残留,而且,直流的成分愈大,产生直流残留的
10、时间就愈短,效应就越明显,以下图电压波形为例,计算其平均值:我们知道,液晶上的电压像素电压共电极电压,真正决定液晶排列的是液晶上的跨压,所以要使施加电压的平均值为零,有两种做法,一是改变所有像素施加电压,以上图波形为例,可将所有电压降下0.5V,得到电压平均值:VVAVERAGE5.06/36/121201VVAVERAGE06/5.15.15.15.15.05.0顺便计算其均方根值:VVRMS2583.16/5.96/5.15.15.15.15.05.02/12/1222222(2)比较(1)和(2)式发现,虽然将所有电压降下使平均值改变了0.5V,方均根值却只差了0.096V,比平均值的改
11、变小了5倍,可知方均根的效应,有降低电压绝对误差的效果。第二种做法,是改变共电极电压在上图波形中,皆是以0V为相对参考点,若是将共电极电压参考值由0V改为0.5V,电压平均值为:VVAVERAGE06/5.015.025.015.025.005.01其结果与第一种做法中的平均电压结果相同,这就是公共电极电压补偿的观念,在以后的章节中会进一步讨论相关内容4、像素阵列反转的方式 如上面所述,每个像素液晶本身必须以极性反转的方式来驱动,但就像素阵列而言,在阵列中的相邻像素,却不一定要以相同的极性来驱动,因此常见的像素阵列极性反转的方式有图框反转(帧反转),行反转,列反转和点反转等四种。在一个图框开始
12、写入之前,如果整个图框上的像素所储存的电压极性都是相同的,即称为图框反转;若是同一栏(列)上的像素所储存的电压极性都是相同的,且左右相邻的栏上的像素所储存的电压极性相反,即称为栏(列)反转,若是同一行上的像素所储存的电压极性都是相同的,且上下相邻的行上的像素所储存的电压极性相反,即称为行反转,若是每个像素所储存的电压极性,都与其上下左右相邻的像素所储存的电压极性相反,即称为点反转。TFT LCDs Driving Method1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines 1 2 3 4 512345
13、Frame NColumnsLines+1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines +1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines +1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines+Column InversionDot InversionRow InversionFrame Inversion第二节 充电 依据TFT的操作方式,除了时间上的先后顺序外,对于每一行或每一个像素而
14、言,其动作都是一样的,即“充电”“保持”“放电”(反充)“保持”。本节首先来详细讨论“充电”的过程。1、充电电流2、充电时间3、驱动电压的范围 由公式 ,就一个特定液晶电容而言,其电容值是已知的,其操作电压范围也是已知的。TFT的操作,即是以一电流 ,在小于特定的充电时间 内,将所需充电的像素电容 ,充电或放电 的电压范围,因此,就充电而言,要求:以下就电流,充电时间和电压范围加以详细说明。CdVIdtdQechIargechdtargechCargechdVargechechechechdVCdtIargargargarg1、充电与放电电流 像素电位的设定,在显示器运作的过程中,并不是由零电
15、位开始(只有刚开机时才是),而是由前一次更新时所设定的电位开始,由上节的讨论可知,所要设定的像素电位,其极性需与前一次更新时所设定的电位极性相反,当前一次的极性为负时,所要设定的电位极性便是正的,因此,需要对液晶电容做“充电”,而当前一次的极性为正时,所要设定的电位极性便是负的,此时便需要对液晶电容做“放电”。在TFT-LCD的操作中,无论充电或放电,都是将TFT的栅极设定在一个电压以使其导通,来提供所需的电流,将像素电位设定到与数据线(资料线)上等电位,在这个充放电的过程中,数据线上的电位是对应所要显示的灰阶而设定在一定的电压,由数据驱动IC的输出端来对数据线 与像素电极充放电,而像素电极上
16、的电压,会随着充放电的过程而逐渐接近数据线上设定的电压值,由充电电流公式(补充),可以知道,随着像素电极电压值接近数据线的电压值而使 得变小,充放电的电流 也会跟着降低,而并不是以定电流对像素电极充放电。另外,在前面,都是以较低电位作为源极电压 ,而以较高电位作为漏极电压 ,而资料线对像素电极充放电,并不一定总是资料线较高。来比较一下充电和放电两种情况,当放电时,前一次的像素极性为正,而资料线上所设定的电位极性是负的,因此,像素电极为漏极电压 ,而资料线电极为源极电压 ,由于放电过程中资料线电压为定值,所以栅极源极电压 亦为定值。而当充电时,前一次的像素极性为负,资料线上所设定的电位极性是正的
17、,因此,像素电极为源极电压 ,而资料线电极为漏极电压 ,由于像素电极会随着充放电VdsIdsVsVdVdVsVgsVsVd 过程而增加而并非为定值,所以栅极源极电压 会因为源极电压 的增加而变小,造成充电时电流降低的情况,要比放电时严重,因而需要更充足的充电时间。基于此,设计时需要考虑这个问题。VgsVs2、充电时间 以一个有M条水平行的显示器而言,每个行上的开关,最多仅会开启整个画面更新时间的1/M,画面更新频率越快,水平扫描线数越多,则充电时间越短,举例而言,画面更新频率为60Hz,而有1024条水平扫描线,则每行的开启时间为1/60/1024=16.3微妙,然而,事实上,真正的充电时间并
18、不到16.3微妙。首先配合视讯资料的传送时间,在完成一次画面之后,下一个画面的资料并不会立即送到面板,而会留下一段空白的时间;类似的,在完成一列像素资料写入之后,下一个像素资料写入并不会立即进行,亦会留下一段空白的时间,这个空白的时间需依所采用的视讯系统标准而定,如图为某一种视讯标准,定义出各图框与扫描时间的长度,由表中可查知每条扫描线的时间为15.6微妙,略小于16.3微妙,对应到相当于1066条扫描线的时间。其次,由于信号的延迟效应,需要提早发送关闭信号,使真正有效的充电时间缩短。3、资料驱动IC的电压范围 前面章节中,我们说明了TFT-LCD的灰阶设定方式,资料驱动IC需要精确控制电压来
19、设定灰阶,举例而言,6-bit(2664灰阶)驱动所需的最小灰阶控制电压,约为30mV左右,而8-bit(28256灰阶)驱动所需的最小灰阶控制电压,约在8mV左右。当然,这个最小电压与液晶的电压穿透度特性有绝对的关系。资料驱动IC需要提供这样微小的电压控制,所以一般把资料驱动IC视作类比型的IC。在实际的TFT-LCD中,为了要达成极性反转,以一般的液晶需要5V驱动为例,会把共电极的电压设定在5V左右,正极性的电压设定在510V,而负极性的电压设定在05V,因此,资料线上最大的充电电压范围为010V,当然,这个范围会随所使用的液晶驱动电压而稍有不同,如IPS模式和MVA模式的液晶便需要较大的
20、电压,其资料线上最大的充电电压范围将扩大为014V左右。共电极电压调变 利用“共电极电压调变”的方式,可以降低资料驱动IC的输出电压范围。其操作原理说明如下:当液晶像素需要写入正极性时,将共电极电压设定在0V左右,此时,资料驱动IC的输出电压,依灰阶不同而在05V的范围内,即可将画素电压设定在+0V至5V的范围,而当液晶像素需要写入负极性时,将共电极电压设定在5V左右,此时,资料驱动IC的输出电压,依灰阶而不同,但也在05V的范围内,例如,要在像素电极写入0V,则将资料驱动IC的输出电压设定在5V,如此,像素电压资料线上电压共电极电压(55)V0V;要在像素电压写入5V,则将资料驱动IC的输出
21、电压设定在0V,如此,像素电压资料线上电压共电极电压(05)V,因而即可将像素电压设定在0V至5V的负极性范围,如图所示,前一幅图为直流共电极驱动 方式,资料驱动IC的输出电压范围大,而后一图为共电极驱动方式,可将资料驱动IC的输出电压范围缩小为直流电压驱动的一半。V0V1V2V3V4V5V6V7V7V6V5V4V3V2V1V01 Frame/1 LineV0V1V2V3V4V5V6V7V7V6V5V4V3V2V1V0共电极电压范围 为了使液晶电压正负极性对称以避免直流残留效应,共电极电压应设定在资料线电压的对称中心,然而,由于寄生电容效应,使画素电压在TFT关闭时,受到栅极电压变化的影响,而
22、偏离由资料线所写入的电压。为了补偿这个电压变化,共电极电压会调校到比资料线电压的对称中心低的电压值,若资料线电压的电压范围为010V而对称中心在5V,直流共电极电压一般会设定在4.8V左右,亦即有0.2V左右的共电极电压补偿,若此补偿设定的不对,会产生直流电压和直流残留效应,因此,在共电极电压调变下,共电极电压应该在0和5V之间交互切换,但此时同样也要考虑电压耦合效应,因此要修正共电极电压补偿至0.2V和4.8V的切换 扫描驱动IC的电压范围 由上面的讨论,每条扫描线只开启一小段时间,在这段TFT打开的时间内,需要提供足够的电流来对画素电容充电,所以要使栅极源极电压大于TFT的截至电压到一定程
23、度,这个电压的设定会与所用栅极绝缘层和所设计的TFT尺寸有关,一般而言,栅极源极电压通常会设定到10V以上,而我们知道,TFT是以较低电位作为源极电压Vs,而以较高电位作为漏极电压Vd,因此在TFT-LCD操作时,栅极源极电压并非定值,有可能源极电压Vs和漏极电压Vd都在接近10V的情况,所以栅极电压Vg通常会设定在20V以上,以使大于10V。另一方面,为了关闭TFT,需使栅极源极电压小于TFT的截至电压,在共电极直流电压驱动时,源极的最低可能电压为0V,栅极电压要设定在0V以下;而在共电极为电压调变驱动时,画素电压可能会被下拉至5V,因此,栅极电压要设定在5V以下。第三节 电位保持 在完成充
24、放电的动作之后,即将TFT关闭,直到下一次再被扫描线打开,一般扫描线的重复频率为60Hz,对应到电位保持的时间为16.67毫秒,理想上,画素电位在充放电期间设定后,可以一直保持在所设定的电压,但实际上,像素电压由于会受到两大主要因素的影响,而使得所设定的电压有所变化,而造成液晶电容上所施加的RMS电压值改变,影响到穿透度。这两大因素就是漏电流和电容耦合效应。本节先来讨论漏电流对电位保持的影响。电位保持的考量,就是要确保漏电对电位和穿透度的影响程度,要小于“可以接受的范围”。关于这个“可以接受的范围”,最终的根据,是使用者不能看出显示的缺陷。但由于许多视觉效应的影响,并没有办法做明确的规定。一个
25、相对比较可观的的参考设计规格,是视讯资料信号的最小电压差别。如6位的显示器资料驱动最小信号差别是30mV,而8位的则为8mV。漏电对电位造成的影响,要求漏电流 ,在下次写入的电压保持时间 内,在保持画素电压的画素电容 上的电压变 化,不可大于驱动信号的最小电压差别 ,因此就电位保持而言,要求:leakIholddtholdCholddVholdholdholdleakdVCdtI其中保持时间,液晶电容以及电压的变化都可认为是已知的,那么引起像素电压变化就和漏电流有关,该漏电流是指从液晶电容的像素电极而产生的漏电流,产生漏电的途径有许多条,这里先来讨论最重要的两条漏电途径,即液晶电容本身的漏电和
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