液晶驱动原理(一)

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資料訊號走線 水 平 掃 描 脈 波 走 線 G S 畫素電極 D
垂直訊號走線
液晶畫素 畫素電極 水 平 訊 號 走 線 液晶畫素
液晶畫素
畫素電極
畫素電極
液晶畫素
共通電極
圖1. TFT AM LCDs 的架構（左圖）與 PM LCDs 的架構（右圖）。 1.2 振幅選擇驅動法（Amplitude Selection Method） 振幅選擇驅動法（ Amplitude Selection Method ）是首先發展出 來驅動 LCDs 顯像的驅動方法，直到目前仍是 STN LCDs 所採用的 主要驅動方式。參考圖2，一個有 N 條水平掃描線的 STN LCDs 矩 陣，採用振幅選擇驅動法的驅動訊號波形： LCDs 矩陣的水平掃描 線在正常的狀態下一直保持在零電位，只有當水平掃描線被順序選 擇到的時間週期ΔT 內施加振幅為 "F" 的電壓脈波，垂直訊號線上 則是施加對應的影像訊號；從第一條水平掃描線開始掃描到最後一 條線，如此構成一個完整的影像畫面，而後再從第一條水平掃描線 開始重新掃描下一個新的畫面，我們稱每個完整的掃描畫面為一個 『圖框（Frame）』。每一條水平掃描線被選擇的時間 ΔT 為每個 圖框的週期 T 除上水平掃描線數 N ，如 Δ T=T/N 。若以 VGA 640X480 解析度的影像訊號，圖框的頻率為 60Hz ，STN LCDs 的液 晶材料反應速率至少需 200ms 以上。 振幅選擇驅動法是將影像訊號電壓加於垂直訊號走線上，垂直 訊號線上的影像訊號是由兩個電壓極性相反、振幅相同的訊號串列 組成（+D 與 -D）。垂直訊號線與水平掃描線間的電壓差決定每個 液晶畫素的開關狀態，當某一個液晶畫素被水平掃描脈波選取到 後，若是對應的垂直訊號電壓為 -D，液晶畫素電容會寫入 F+D 的 電壓訊號；若是訊號電壓為相反極性的 +D，液晶畫素電容會被寫 入 F-D 的電壓訊號，其他沒有被水平脈波選取的時間，在液晶畫素 電容上是出現 +D 或 -D 的電壓訊號。所以在一個圖框掃描時間內，
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參考圖2，計算一個完整圖框的掃描週期時間 T ，在 "ON" 狀態 下液晶畫素電壓的 RMS 與 "OFF" 的 RMS。RMS 的表示式如（1） 式，在圖框掃描選取時間 ΔT 內 "ON" 的液晶畫素電壓為 F+D，其 他 N-1 個週期內畫素電壓為 |D|，RMS 如（2）式所示。 "OFF" 的 液晶畫素在選取週期 Δ T 內的電壓為 F-D ，其他為 |D| ， RMS 如 （3）式所示； "ON" 狀態的 RMS 與 "OFF" 狀態的 RMS 的比例值 被稱為『選擇率（ Select Ratio ， SR ）』，（ 4 ）式為選擇率的表 示：
+D -D
OFF +D
-D
0
液晶畫素電壓
圖2. 振幅選擇驅動法驅動波形，右圖為水平與垂直驅動波形，左圖 為液晶畫素的電壓波形。 若是振幅選擇驅動法的 F/D 電壓比例為 F/D=2，即是一般稱的 3:1 偏壓驅動法；當 F/D=2 時，"ON" 的液晶畫素在被水平脈波選取 的時間內被施加 3F/2 的電壓，其他沒有被選取的掃描週期是 |F|/2 的電壓； "OFF" 的液晶畫素在整個掃描週期內都是 |F|/2 的電壓。在 1970 年以前，對於線扭轉型（ Twisted Nematic ， TN ）液晶的電光 效應（Electro-optical Response）不甚了解，所以錯誤的認為 TN 的 電光特性如同波形峰值檢測器，實際上是作用於液晶材料的電場強 度均方根值（ Root Mean Square ， RMS）造成液晶產生電光效應的 轉換。Kawalami，Alt 及 Pleshko 證明當 N>4 時使用振幅選擇驅動 法的理想操作條件，大幅改善原本採用 3:1 偏壓驅動法的畫面對 比，此種理想驅動方式被稱為 Alt & Pleshko 驅動法（Alt & Pleshko Technique Addressing，APT）。 1.3 振幅選擇驅動法的最佳化
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每一條水平掃描線上的液晶畫素會被水平掃描脈波選取一次，在被 選取的 ΔT 時間內，若是垂直訊號線上的電壓訊號為 +D，液晶畫 素 在 開 啟 （ "ON" ） 狀 態 ； 當 訊 號 為 -D 時 ， 液 晶 畫 素 在 關 閉 （"OFF"）狀態。剩下 N-1 個 ΔT 的時間，液晶畫素是被施加不斷 交互變換極性的 +D 與 -D 訊號。
RMS 1 t T 2 V p t dt T 0
（ 1） （ 2）
ON
F D 2 N 1 D 2
N
OFF
F D 2 N 1 D 2
N
（ 3）
SR
ON OFF
（ 4）
液晶的光學特性是決定於液晶畫素電容兩端電壓差的 RMS， STN LCDs 在驅動顯像上，若是選取選擇率 S 的最大值，可以得到 最佳的畫面對比度，將（ 2）與（ 3 ）式代入（ 4）式，以單一變數 "F/D" 表示，如（5）式：
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1.2
APT
選 擇 1.1 率 3:1
1.0 10
100 液晶矩陣的水平掃描線數目
1000
圖3. APT 驅動法與 3:1 偏壓驅動法的液晶畫素電壓選擇率比較。 參考圖4，對於相同圖框頻率，但是垂直解析度分別為 N=10， N=20 及 N=40 時，液晶畫素在 "ON" 與 "OFF" 狀態的電壓波形變 化，其中所有的訊號電壓都以 <OFF>=1 正規化（ Normalize ）處 理。若是水平掃描線的數目 N 增加，相對而言水平掃描脈波的選取 週期時間縮短，因此影響 "ON" 與 "OFF" 狀態的 RMS 大小；雖然 當 N 增大時，相對選取脈波的電壓增大，但是選擇率 SR 的變動仍 是影響畫面對比的主因。
S ON OFF F 1 N 1 D F 1 N 1 D
2 2
（ 5） 將（ 5 ）式 SR 對 F/D 微分後的微分式設定為零，參考（ 6 ） 式；可以求得 F/D 的最佳化比例值，參考（7）式 ；因此 S 在此條 件下可以獲得最大值，參考（8）式：
d SR 0 F d D
（ 6）
F N D opt
（ 7）
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SR opt
N 1 N 1
（ 8）
應用 3:1 偏壓驅動法，F/D=2 代入（5）式，得到此種驅動法的 SR 值，參考（ 9 ）式；始終會小於最佳化的 SR 值（水平掃描線 N>4）。
T Frame 1 1 F 水 平 掃 描 訊 號 0 Row 1 Row 2 Row 3 T 垂 直+D 影 像 0 訊 號-D Row N ON
F-D
Frame 2 N 1 2 3 Column 1
F+D
Frame 1 1 2 3
+D -D +D F+D -D
2
3
4
4
N
0 0 0
F-D
OFF ON
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4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 0 <ON>=1.172 N=30 <OFF>=1.000 <ON>=1.255 N=20 <OFF>=1.000 <ON>=1.387 N=10 <OFF>=1.000
圖4. LCDs 在不同解析度時，液晶畫素 "ON" 與 "OFF" 狀態的電壓 波形，所有的訊號波形都經過 <OFF>=1 的正規化處理。 1.4 振幅選擇驅動法的實際應用 圖 2 與圖 4 的驅動波形已經說明了振幅選擇驅動法的原理，同 時也說明了最佳化的振幅選擇率 SR。但是，在驅動液晶時不能使 用直流電壓驅動，因為會造成液晶分子的電化學反應，形成液晶的 永久性破壞。因此，上述的驅動波形實際上並不能直接用來驅動液 晶；詳細探究原因，由於加於液晶畫素上的垂直訊號電壓是在 +D 與 -D 兩個位階交互變換，隨著顯示的畫面不同，在畫面掃描週期 內 +D 與 -D 電壓會發生無法完全相互抵銷，造成液晶畫素內有直流 成份殘存在其中。若是電光轉換的臨界電壓（ Threshold Voltage ） 為 2V 的液晶材料，當有 +1.5V 的直流電壓作用，便會造成無法回 復的液晶材料電化學反應。要消除直流電壓殘存的問題，最直接的 方式是每掃描完一個圖框後，在掃描下一個新的圖框時將水平與垂 直的驅動波形極性全部反向，如此作法對於驅動液晶畫素的 RMS 電壓值不會有影響，參考圖5。
SR 31 : N 8 N
（ 9）
圖 3 是採用 3:1 偏壓驅動法與最佳化的振幅選擇驅動法的比 較 ， 3:1 偏 壓 驅 動 法 的 畫 面 對 比 不 若 最 佳 化 振 幅 選 擇 驅 動 法 （ APT ） 。 由 於 3:1 偏 壓 驅 動 法 的 F/D 是 固 定 比 例 值 "2" （F/D=2），不因掃描線數 N 的多寡而改變，所以選擇率 SR 遞減 的速率較 APT 驅動法遞減速率快。若是水平掃描線的數目N 一直增 加，選擇率 SR 最後會趨近為"1"，表示 'ON" 與 "OFF" 狀態的 RMS 相同無從分辨；如果水平掃描線的數目為 240 條（N=240），最佳 選擇率為 1.0667（SR=1.0667），若掃描線數增為 234 條，最佳選 擇率降為 1.0524；所以在 "ON" 與 "OFF" 狀態的 RMS 僅相差 6.7% 與 5.2%，因此需要液晶材料的電光效應轉移曲線具有狹窄陡峭的轉 移區間，如此才可提供畫面足夠的對比度； TN 型液晶的電光轉移 區 間 的 範 圍 大 ， 不 適 用 於 高 解 析 度 PM LCDs ； STN 與 Superhomeotropic 型的液晶可提供足夠的電光轉移特性，這也是市 面上所見的 PM LCDs 多為 STN LCDs 之故。參考（3）式，由於在 "OFF" 的狀態時，液晶畫素上仍然有 RMS 電壓作用其上，這就是 為何從較低傾斜視角觀察時 LCDs 仍會有隱約的畫面出現的原因。