液晶显示器的驱动芯片 整理版

题目：学习心得报告編碼：Page：1/3
使用于液晶显示器的驱动芯片主要分为两类，分别为gate driver与source driver。

Gate driver的主要功用是将液晶面板上一行一行的薄膜晶体管（TFT，thin film transistor）依序打开，好让source driver将位于液晶面板上的液晶电容（Clc，capacitor on liquid crystal）与储存电容（Cs，storage capacitor），充电到所需要的电压。

Gate driver名称的由来，是因为接到TFT的gate端，所以才称作gate driver。

此外，由于它是依序将一行一行的TFT打开，所以也称之为scan driver。

而就面板的坐标来说，连接到gate driver的走线，是位于Y轴上，所以也称为row driver。

同理source driver也有许多不同的称呼，而source driver的名称来由是因为这个驱动芯片是连接到TFT的source端，所以才叫做source driver。

此外当gate driver 将一行行的TFT打开时，source driver会将相对应的显示数据转换成电压，把液晶面板的电容充放电到相对应灰阶的电压，因此source driver也叫做data driver。

再者就整块面板的坐标来说，连接到source driver的走线是位于X轴上，因此也叫做column driver。

LCD source river/ate driver的工作频率
1.VGA为例，起荧幕的分辨率为800*600，画面的更新频率为60Hz，因此每秒需要显示的画面资料量为800*600*60=28.8M，所以pixel clock需要为28.8MHz。

不过这只是所必须的最小工作频率而已，实际上SVGA的全部分辨率为
1056*628，只不过一些分辨率并不是拿来显示画面之用的，实际上显示出来的画面只有800*600而已，这真正作为显示画面的部分称之为active field，而不显示的部分则称之为blanking。

2.FT LCD显示器的画面更新频率并不象CRT显示屏幕一样，需要调得很高，以避免画面闪烁的状况。

因此TFT LCD显示器其画面更新频率多半是固定在60Hz。

然而各个分辨率水平输出的数目并不相同，所以每一条水平线的打开时间也不一样。

以SVGA的分辨率来说，由于画面的更新频率为60HVz，所以水平分辨率的每一条线打开的频率约为60Hz*600lines=36KHz，也就是每一条水平线打开的时间约为1/36KHz=27.8μs。

LCD Source driver/Gate driver的工作原理
1.Source driver的主要功能是当gate driver把液晶面板上一行行的薄膜晶体管打开时，将其上的电容充放电到欲显示的灰阶电压。

因此不管是单画素输入或是双画素输入的驱动芯片，都需要约8到10颗的驱动芯片串接起来，以便同时对一行的薄膜晶体管做充放电的动作。

而这整个系统需要一个clock来作同步的动作，好让LCD controller将欲显示的画面资料，依序送到这一串互相连接的source driver。

由于这一串的source driver是将每一个的输入资料端口，全部都接在同一个总线上。

因此需要一个SPI（start pulse input）的起始信号，依序启动每一颗source driver，来抓取LCD controller送到总线上的显示资料。

当第一颗的source driver将欲显示的资料抓满之后，便会由SPO（start pulse output）送出信号到下一颗source driver（上一颗的SPO信号，是接到下一颗source driver的SPI信号），
题目：学习心得报告編碼：Page：2/3
好让下一颗source driver能接续下去，继续抓取位在总线上的资料，直到这一串上所有的source driver都抓取到要显示的画面资料为止。

当所有的source driver 都抓好资料以后，等gate driver把相对应的一行薄膜晶体管打开，便送入LS（latch signal）信号，要求这一串的source driver将所输入的显示画面资料转换成相对应的灰阶电压，并且大家同时将各自所负责的灰阶电压送出到薄膜晶体管上。

而在gate driver 打开一行的薄膜晶体管的时间内，source driver 除了对薄膜晶体管充放电之外，同时也在LCD controller所送出的数据总线上抓取下一行要显示的画面资料，就这样一行一行接替下去，直到整个面板都充好相对应的灰阶电压为止。

2. Gate driver的主要功能是将液晶面板上的薄膜晶体管，一行一行的依序打开，好让source driver对面板上的电容充放电。

因此整个系统需要一个clock来作同步的动作，好让gate driver依序将每一行的薄膜晶体管打开，而SPL（start pulse input）则是让gate driver的输出开始动作的同步信号。

当gate driver一接收到SPL 的信号之后，便会依序由OUT1、OUT2……、OUT199、OUT200送出一个个的脉波，来打开液晶面板上一行一行的薄膜晶体管。

在最后一个脉波送出的同时，会同时由SPO（start pulse output）送出信号到下一颗gate driver（上一颗的SPO 信号，是接到下一颗gate driver的SPI信号），好让下一颗gate driver能接续下去，输出打开薄膜晶体管用的脉波，直到面板上所有的薄膜晶体管都打开过并充好电为止。

LCD Source driver/Gate driver的输出频道数
1.现在最常用的Source driver大多为384个输出。

其实不同输出的接脚数，主要是因为不同的荧幕分辨率而定。

不同分辨率所需使用Source driver的种类与数目，如表1所示。

我们可以看到，对于现在常用的桌上型TFT LCD荧幕来说，对角线宽15寸的分辨率多为XGA，而17寸的则为SXGA，所以常用的Source driver的channel数目为384个。

后面的768指的是面板上的水平线数目，这是跟Gate driver有关。

而1024指的则是每一条水平线上的显示点总数目。

这个是跟Source driver有关。

由于分辨率指的是pixel的总数目，所以整个画面来说，总共有1024*768个pixel。

但是每一个pixel分别是有RGB（红色、绿色、蓝色）三个点所组成的，因此一个TFT LCD面板所需要的亮点个数总共为1024*3*768=2359296个亮点。

而一般液晶荧
题目：学习心得报告編碼：Page：3/3
幕的设计，亮点的分布，在横向的比在纵向的要来的多。

也就是说，是由Source driver来负责1024*3=3072个点的显示。

所以相对来说，对于SXGA的分辨率，横向的显示点则为1280*3=3840。

若希望设计一颗二者可共享的Source driver，只要去取3072与3840的公因子即可。

而二者的最大公因子为768，也就是说，只要设计一个输出为768的Source driver即可。

但是依照现行的设计架构与制程技术来说，768个输出的Source driver会因为面积太大、芯片长度过长，以致影响光罩制作、芯片切割与TCP封状，出现运送与组装不易等问题。

因此现行的设计中，多半会选择768
的一半，也就是384个输出来做设计。

这就是为什么常见的Source driver输出个数为384的缘故。

但对越来越高阶、同时尺寸也加大的panel来说，便需要更高的分辨率。

也就是这样，所以才会有更多输出的Source driver出现。

2.现在应用最广的就是256/263输出的gate driver了，因为现在出货量最大的就是属于XGA以及SXGA的液晶显示器了。

这两种分辨率以256个输出channel来说，分别需要3颗以及4颗的gate driver。

正因为它的出货量很大，所以也有仅256个输出的gate driver 的设计，不过为了延长产品的生命周期，大多会采取256/263的输出channel的设计。

在这种设计下，当使用于XGA与SXGA 的分辨率时，便会浪费了7个输出channel，而当使用于SXGA+的分辨率时，共需要使用4颗。

所以总输出channel为263*4=1052，仍然比SXGA+分辨率所需的1050条线多出2条。

跟前面提到的200/192输出channel与256个输出channel 的gate driver，其3-4颗加起来的总输出channel数目与分辨率一致的状况是不一样的。

LCD Source driver/Gate driver的
整个电路主要分成数字电路与模拟电路两个部分，我们先介绍数字电路部分的电路。

双向移位缓存器（Bi-directional shift register）
首先介绍的是双向移位缓存器，这部分的主要功能是为了来选择输入的显示资料要送到哪一个输出的取样缓存器（sample register）之用。

一般而言，虽然一颗source driver的输出高达384~480个。

但是它的输入往往只有1~2像素而已。

所以才需要移位元缓存器来启动不同输出内的取样缓存器，好让取样缓存器从数据总线（data bus）上抓取相对应于此输出的显示资料。

双向移位缓存器的主要动作就是要能依照所输入的clock产生出循序输出的脉波，好让数据总线内的显示资料依序送到每一个输出channel，所以才需要使用移位元缓存器（shift register）。

但是为什么要使用双向的移位缓存器呢？这主要是为了让LCD电路控制板的设计更有弹性。

也就是说，一旦电路控制板的机构完成后，您要选择由左到右依序将显示资料送到source driver，或是由右到左送资料都可以。

虽然这样需要增加硬件上的成本，不过可以获得的设计弹性更大。

既然使用了双向的移位缓存器，就需要额外的输入接脚来选择移位缓存器的移位方向（shift direction）。

题目：学习心得报告編碼：Page：4/3
而此同时，start pulse的接脚也必须作为是可选择为输入或是输出的方式。

当移位缓存器选择是右移时，左边的start pulse接脚就变成输入（SPI），而右边的接脚就变成输出（SPO）。

倘若移位缓存器选择的是左移时，则左边的start pulse 接脚就变成输出（SPO），右边的接脚就变成输入了（SPI），跟选择右移不一样的是，这时候所送入的显示资料，是从channel 384开始抓取，依序是channel 383，一直到channel 1为止。

而不像右移一样，是先从channel 1开始抓取的。

Data latch
再来就是Data latch，其功用就是要将所输入的data，不管其是3.3伏特CMOS 的输入信号，或是RSDS或是Mini-LVDS的输入信号。

都能正确地抓取下来，然后放到内部的数据总线上，以便各个输出的取样缓存器能从内部的数据总线上，抓到相对应的资料。

不同画素输入的source driver，其所需的data latch数目也就不一样。

以单画素输入的驱动芯片来说，需要3个data latch分别负责红蓝绿三原色的显示资料输入。

若是双画素输入的驱动芯片，便需要6个data latch 来抓取输入的资料。

将驱动芯片由单画素改成双画素输入的时候，不仅驱动芯片的接脚会增加，连带的内部数据总线数目也会倍增。

Hold register控制寄存器
接下来介绍hold register。

以一个XGA分辨率的液晶荧幕而言，假使是用384输出的驱动芯片，则总共需要8颗的驱动芯片。

也就是说显示资料的输入，需要将这8颗的驱动芯片总共8*384=3072个输出内的sample register依序填满，再利用latch signal将所有填满的sample register同时送入hold register之中，由hold register来提供output buffer所要输出的相对应灰阶。

如果没有两组的缓存器，就没办法一边送出欲显示的灰阶，另一边抓取下一行显示资料的功能了。

由于hold register毕竟是属于3.3伏特的数字电路，并不像输出部分需要用到高达10~15伏特的电压，所以这两部分电路（数字电路与模拟电路）的衔接便借由level shifter来完成。

而从level shifter一直到输出，就都是属于模拟电路的部分了。

RSDS输入
RSDS是由美国国家半导体（National Semiconductor Corp）在推广的一种平面显示器的传输接口。

相较于现在常用的3.3Volt的数字传输接口，有着减低EMI （Electro-Magnetic Interference电磁干扰）与降低耗电等等不同的效果。

跟现在常用的CMOS输入接口比较，RSDS的输入接口有什么不一样呢？当然啦，RSDS的输入接口也是可以使用CMOS制程来加以实现，它跟一般接口的主要差异有两个，首先是它的输入接口采用的是所谓差动输入对（differential pair input）的方式，而不是一般输入接脚是相对于接地电压（也就是ground，0伏特）的方式，其次是RSDS的电压振幅大小可以小到0.2伏特，而一般的输入接口电压振幅最少也需要2.5伏特以上才行。

题目：学习心得报告編碼：Page：5/3
一般输入接口，每一个输入信号只需要一个输入接脚就可以了。

而差动输入对于clock以及输入的显示资料信号，需要利用2个输入接脚来表示。

一般的输入接口，只要电压高过VIH（Input high voltage）便会把此输入信号，认定为逻辑上的“1”。

而输入电压要是比VIL（Input low voltage）还要低的话，此信号就会被当成是逻辑上的“0”。

而差动输入对，由于是使用2个输入接脚来表示一个输入信号，因此在芯片内部的电路上，需要先将2个输入接脚的信号相减，而此相减而得的信号，若是大于VIH才认定为逻辑上的“1”，若是小于VIL才被当成是逻辑上的“0”。

除了输入接脚改成是差动输入之外，输入接脚所需要的电压振幅也由原先的3.3伏特缩小到只需要0.2伏特就可以了。

这个最小所需要的电压振幅是指输入的差动信号相减之后的结果。

当输入的差动电压大于0.1伏特时，便可视为逻辑上的“1”。

当输入的差动电压小于负0.1伏特时，便可视为逻辑上的“0”。

所以这个相减后的电压差的振幅，就会从3.3伏特，降低到只剩0.2伏特而已。

而输入的2根接脚，除了他们2个的差的绝对值要大于100mV之外，他们的直流电压值（DC level）也需要维持在1.3伏特上下
Gate driver由于负责的工作很简单，所以它的架构并不复杂。

Gate driver的主要架构有3个部分，首先是双向移位缓存器（bi-directional shift register）。

这个地方的主要功用就是要能依照所输入的clock产生出循序输出的脉波，所以才需要使用移位元缓存器（shift register）。

但是为什么要使用双向的移位缓存器呢？主要是为了让TFT LCD棉板的机构设计更有弹性。

也就是说，一旦面板的机构完成后您要选择由上到下将一行一行的薄膜晶体管打开，或是由下到上一行一行的打开都可以。

虽然这样需要增加硬件上的成本，不过可以获得的设计弹性更大。

既然使用了双向的移位缓存器，就需要额外的输入接脚来选择移位缓存器的移位方向（shift direction）。

而此同时，start pulse的接脚也必须作成是可选择为输入或是输出的方式。

当移位缓存器选择是右移时，左边的start pulse接脚就变成输入，而右边的接脚就变成输出。

倘若移位缓存器选择的是左移时，则左边的start pulse接脚就变成输出，右边的接脚就变成输入了。

注：这些文字并非我自己写的，是从不同的文件整理下来的。