LCD液晶显示器的驱动方式及原理

N Bias S.R.
2
1:2 2.23
3
1:2 1.73
3
1:3 1.92
4
1:3 1.73
8
1:4 1.45
16
1:5 1.29
32
1:7
1.2
64
1:9 1.15
100 1:11 1.11
128 1:12 1.09
200 1:15 1.08
240 1:16 1.06
400 1:17 1.06
APT 驅動波形
STN LCDs Drivers 架構
電源電壓 Vlcd
R
串列輸入訊號 F+D (HLHL...H)
DCLK F
......移位暫存器(Shifter Register) 並列輸出
R
F-D LP
(F/D-3)R R
2D 偏 F+D 壓0 位 F-D 準 2D
D
DF R
0
接地 IAPT 參考電壓
...閂鎖暫存器(Latch Register)
F-D +D
-D -(F-D) F+D
+D -D
-(F+D) APT Addressing
Frame N F+D
F
+D
0 F+D
F-D
0
+2D
F+D F-D
0
+2D
F-D +D
-D -(F-D) F+D
+D -D
-(F+D) IAPT Addressing
Horizontal Crosstalk of STN LCDs
4
3
2
<ON>=1.387
1
0
5
4
3
2
<ON>=1.255
1
0
6
5
4
3
2
<ON>=1.172
1
0
N=10
<OFF>=1.000
N=20
<OFF>=1.000
N=30
<OFF>=1.000
IAPT 驅動波形
正極性驅動 +F
0 +D F+D -D
負極性驅動
正極性驅動 波形偏移+D
F+D
+D
0
水平電壓波形
液晶顯示器的種類
液晶 顯示器
扭轉型 (Twinst Nematic, TN) 1971 超扭轉型 (Super Twinst Nematic, STN) 1984
雙層雙扭轉型 (Double Layer STN, DSTN)1987 光相位補償超扭轉型 (Film STN, FSTN)1988 主動驅動超扭轉型 (AASTN or MLS STN) 1992 強介電型 (Ferroelectric Liquid Crystal : FLC) 1980 PDLC (Polymer Dispersive LC) 1988 PSCT (Polymer Stabilized Cholesteric Texture) 1993 Other DS (Dynamic Scattering) 1968 PC (Phase Change) 1968 GH (Guest Host) 1968 ECB (Elcetrical Control Birefregency) 1971 BTN (Bistable Twist Nematic) 1995 IPS (In Plane Switch) 1995 VA (Vertical Alignment)1996
高容量多工驅動的對策
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
STN LCDs 規格
Operation Voltage Vop : Vlcd F D 1 N D
D
1
Bias Ratio : B
Vlcd 1 N
Steepness
:
V90 V10
1 100%
SR
1100%
Selection Ratio : SR opt
N
Row 1 Row 2 Row 3 Row N
ON
+D
OFF
-D
F-D +D
0 OFF F D2 N 1D2
N
F+D -D
0
ON
SR
ON +D
OFF
-D
OFF +D
0
F-D
F N D opt
-D
液晶畫素電壓
0 SR
opt
N 1 N 1
多工驅動法的限制
1.3
1.2
1.1
1.0
100
200
ΔT
D 1-f
-D f
F
垂直影像訊號電壓波形
水平掃描電壓波形
0
F+D F-D
液晶畫素電壓波形
+D
0 -D
灰階顯示 ─ PHM
•Pulse High Modulation, PHM :
ΔT
+D 1-f
-D f
F
垂直影像訊號電壓波形
0
F+D F-D
0
X +D
Y -D
ΔT/2 ΔT/2
水平掃描電壓波形
PWM液晶畫素波形 +D
-D PHM 液晶畫素波形
液晶的頻率響應
1.03 正 規 1.02 化 處 1.01 理 V50 1.00
0.99
0.98
0.97
0.96 10
100
1k
頻率
10k
100k
Vertical Crosstalk of STN LCDs
正極性驅動波形
負極性驅動波形
Frame N
1H
F
Frame N+1
水平脈波 0
垂 直
A
驅
動 波
B
形
+D
+D -D
-D
A B
F-D
液 晶
A
畫
素
-D F-D
+D
電 壓
+D +D
波B 形
-D
-D
Vertical Crosstalk 的抑制 (一)
每兩條水平線變換一次驅動電壓極性
水 平 脈 波
垂 直A 驅 動 波B 形
正極性驅動波形
Frame N
F
1H
0 +D
+D -D
1st
2nd 3rd 4th
Frame Frame Frame Frame
Pixel 1
Pixel 2
Pixel 3
Pixel 4
Pixel 5
Time
Result 5/5 ON 4/5 gray 3/5 gray
2/5 gray 1/5 OFF
灰階顯示 ─ PWM
•Pulse Width Modulation, PWM :
+2D
垂直電壓波形
0
-D
F+D
+D
液晶畫素
電壓波形
-D
負極性驅動 電壓偏移+F
+F
0 F-D
F+D
+D
-(F+D)
APT Addressing
-(F+D)
IAPT Addressing
APT 與 IAPT 方式比較
• APT Addressing
– Low Voltage Segment Driver : 2D – High Voltage Common Driver : 2F
N 1 N 1
F D2 N 1D2
ON N
OFF F D2 N 1D2
N
ON SR
OFF
F N D opt
STN LCDs 驅動電壓計算
If Voff=2V, N=240 rows, Then :
Voff OFF
N 1 2 D 2 N 1D 2
N
15 12 239 D 1.35D
Optical Negative
液晶驅動原理
電極 液晶 電極 Field OFF // 0 Field ON
液晶顯示器主要優缺點
• 優點
– 低電壓驅動。 – 低消耗電流。 – 體積薄，重量輕。 – 可實現大面積化。 – 彩色化容易。
• 缺點
– 視角限制。 – 外加被光源或投射光源。 – 溫度操作範圍限制。
•主動矩陣驅動法 (Active Matrix Addressing)
•兩端元件 (MIM, Diode..) •三端元件 (A-Si:H TFT, Ploy-Si TFT ..)
•Plasma Addressing (PALC) •熱掃描驅動法 (雷射掃描) •光掃描驅動法 (電子速掃描
LCDs 靜態驅動法
Vsig
Vc
Vsig Vc Vs
Vc-Vs
Vs XOR
ON
OFF
LC Cell Vc
多工驅動法 (振幅選擇驅動法, APT)
F
0 水 平 掃 描 訊 號
T Frame 1 1234
T
垂
直+D
影 像
0
訊號-D
Frame 2
Frame 1
N 1 2 3 Column 1 1 2 3 4
N
F+D
ON F D2 N 1D2
• IAPT Addressing
– Offset +D for Positive Polarity – Offset +F for Negative Polarity – Voltage Range of Segment Driver : F+D – Voltage Range of Common Driver : F+D
加熱 冷卻
固體結晶
液晶
液體
液晶分子的種類
Smectic LC 層狀液晶
Nematic LC 線狀液晶
Cholesteric LC 膽固醇狀液晶
液晶分子的排列
Crystalline Liquid
Crystalline
K
SmC
SmA
N
Biaxial
Unaxial
Liquid L
Isotropic Temperature
垂 直A 驅 動 波B 形
正極性驅動波形
Frame N
F
1H
0 +D
+D -D
F-D
液
晶A
畫
-D
素 電
F-D
壓
波 +D
+D
形B
-D
APT Addressing
正極性驅動波形 Frame N
F
0 +D 0
+D 0
-D F F-D
0
-D
-D
F F-D
+D 0
-D
Improvement Addressing
– 黏滯係數 ( )
– 介電係數 ( // )
– 電導係數 – 磁化率
– 彈性係數 ( 11, 22 , 33 )
液晶的光學特性
Optical Axis
no ne
no n ne n//
Helical Axis
Optical Axis
no no
n/2/ n2 2
ne n
ne
Optical Positive
A
B
A
B
(a) 垂直驅動訊號
L Line
(b)
L
(c) 水平掃描波形
(d) 液晶畫素波形
Horizontal Crosstalk 的抑制
(a) 垂直驅動訊號 L Line
(b) 傳 統 驅 動 (c) 水平掃描波形 方 式
(d) 液晶畫素波形
HL H
H
............................ ............................
IAPT 驅動 IC
............................
2D 0 2D
垂直訊號電極
2D
灰階顯示 ─ FRC
•Frame Rate Control, FRC :
TN 型 LCDs 顯示原理
Field OFF
Twist 90
Field ON
液晶分子
利用液晶的旋光特性 調變穿透光線
液晶的旋光特性消失
STN LCDs 顯示原理
Twist 270
Field OFF
利用液晶的雙折射 特性調變穿透光線
液晶分子
Field ON
TN & STN 電光轉移曲線 V-T Curve
液晶顯示器驅動系統
講師 :
課程大綱 • 液晶物質簡介 • 液晶的電光效應 • 液晶基本驅動原理 • STN LCDs 驅動原理 • TFT LCDs 驅動原理 • 影響TFT LCDs 畫面品質的因素 • Driver IC 簡介 • TFT LCDs 模組及介面技術簡介
液晶物質的相變化
加熱 冷卻
F-D
液
晶A
畫
-D
素
F-D
電
壓 +D
+D
波 形
B
-D
APT Addressing
正極性 負極性 Frame N
F
0 +D -D
+D -D
F-D
+D
-D F-D
+D
-D
+Hale Waihona Puke Baidu -D
Improvement Addressing
Vertical Crosstalk 的抑制 (二)
採用補償驅動週期
水 平 脈 波
Vertical Crosstalk 的抑制 (三)
一條水平掃描線的掃描週期分割成兩部份， 一半的掃描時間是採用正極性的驅動訊號， 另一半的時間是採用負極性的驅動訊號。
水
平
脈
波
0
Frame N
1H F
垂 <OFF> +D
-F
直
驅
-D
動
波 <ON>
形
<OFF>
液 晶 畫 素 電 壓 波 <ON> 形
240 D 1.48V F 22.20V
VLCD N 1 D 23.68V
Von ON 2.14V SR 1.07
APT : Segment Driver : 2.96V, Common Driver : 44.40V
IAPT : Segment & Common Drivers : 23.68V
T
100% 90%
Vns
Vs
TN
TN
10%
Vns Vs
V
STN STN
TN 與 STN 的電壓漂移
T
100%
T2 T1
TN Mode
T
100%
T2 T1
STN Mode
V
V
V
V
LCDs 驅動方式
•直接驅動法 (Direction Addressing)
•靜態驅動法 (Static Addressing) •多工驅動法 (Multiplex Addressing) •主動驅動法 (Active Addressing / Multi-Line Selection)
液晶的分類
液晶 分子排列狀態
層狀液晶 Smectic
線狀液晶 膽固醇狀液晶 Nematic Cholesteric
液晶 形成方式
熱致性液晶 溶致性液晶 Thermotropic Lyotropic
液晶的電光特性
• 異向性 (Anisotropic)
– 排列因數 ( S n ) – 折射率 ( n ne no )