ＬＣＤ驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最新進(jìn)展

摘要：介紹有關(guān)LCD顯示器驅(qū)動(dòng)技術(shù)和相關(guān)芯片的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：TFT-LCD；驅(qū)動(dòng)技術(shù)

5月18日至23日，2008年第46屆SID大會(huì)在美國(guó)洛杉磯會(huì)議中心召開(kāi)，展覽會(huì)吸引了8000余名來(lái)訪者。從展品與專題報(bào)告內(nèi)容來(lái)看，主角仍是LCD與OLED。在73場(chǎng)專題報(bào)告會(huì)中，涉及LCD的有30場(chǎng)，涉及OLED的有13場(chǎng)。LCD顯示屏進(jìn)一步向大屏幕高分辨率發(fā)展，出現(xiàn)了超高清82英寸大屏幕；LED背光源開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化。OLED的亮點(diǎn)是已有多家公司推出OLED電視展品，而在去年只有SONY公司一家在報(bào)告會(huì)上展出OLED-TV。本文集中介紹有關(guān)LCD顯示器驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)展。

LCD顯示器有兩大發(fā)展方向。一個(gè)方向是屏幕尺寸更大、分辨率更高、動(dòng)態(tài)畫(huà)質(zhì)更好的LCD-TV，其中最重要的任務(wù)是提高運(yùn)動(dòng)圖像的質(zhì)量，即解決LCD顯示器天生的運(yùn)動(dòng)偽像問(wèn)題。另一個(gè)方向是用于移動(dòng)顯示(例如手機(jī)顯示屏)的顯示屏向著更高速、更高分辨率方向發(fā)展，即移動(dòng)顯示屏要顯示1280×800或1366×768像素的視頻信號(hào)和畫(huà)面，屏幕尺寸也加大到5英寸～6英寸。為此要開(kāi)發(fā)出一系列成本低、功耗低的芯片。

維持型顯示和較慢的時(shí)間響應(yīng)是LCD產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽像(Motion Artifacts)的原因。CRT顯示屬于瞬態(tài)顯示，每個(gè)像素?zé)晒夥墼谝粠兄挥性诩s0.1μs時(shí)間內(nèi)被電子束激發(fā)而發(fā)光，顯示該位置圖像的亮度，然后在約1ms時(shí)間內(nèi)衰減到零。在下一幀中再發(fā)光，顯示另一個(gè)位置。人眼感受到的運(yùn)動(dòng)是平滑的，其中暗的時(shí)段被人眼的低通時(shí)間響應(yīng)特性(即所謂視覺(jué)暫留)濾掉了。TFT-LCD是維持型，顯示任何運(yùn)動(dòng)物體，在一幀時(shí)間內(nèi)總是停留在一個(gè)位置上，在下一幀跳到另一個(gè)位置，加上人眼對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的自動(dòng)跟蹤特性，將不同幀的發(fā)光強(qiáng)度積分在一起，人眼因此對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像感到模糊，這就是運(yùn)動(dòng)偽像。解決LCD較慢的響應(yīng)時(shí)間可采用過(guò)驅(qū)動(dòng)(OD，Over Drive)技術(shù)，以此將液晶(LC)的響應(yīng)時(shí)間降低到8ms或更短。但是如何正確選擇過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的大小仍是一個(gè)較大的技術(shù)問(wèn)題。過(guò)分的OD將使運(yùn)動(dòng)目標(biāo)邊緣產(chǎn)生亮、暗雙邊，即過(guò)驅(qū)動(dòng)中的邊緣偽像；不足的OD則使LC的響應(yīng)時(shí)間不夠短，引起運(yùn)動(dòng)圖像模糊。即使LC的響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題已完滿地解決，LCD維持型顯示器特性仍會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像產(chǎn)生一系列偽像。對(duì)于高分辨率大顯示屏，運(yùn)動(dòng)偽像問(wèn)題變得嚴(yán)重。因此出現(xiàn)一系列降低維持時(shí)間(即積分時(shí)間)，使LCD顯示更接近于瞬態(tài)型顯示的措施，以減輕運(yùn)動(dòng)偽像的生成。

下面對(duì)2008 SID有關(guān)LCD各種專題討論會(huì)上提出的各種提高LCD運(yùn)動(dòng)圖像質(zhì)量的措施作部分匯總。

用新的驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)超高清

LCD-TV屏尺寸越大，對(duì)像質(zhì)要求越高。三星公司于07年在SID展覽會(huì)上曾展出世界上最大的70英寸全高清(FHI))LCD-TV。如分辨率保持不變，屏尺寸大了會(huì)影響觀看的舒適度。例如40英寸FHD屏的像素密度為55PPI(每英寸像素?cái)?shù))，而對(duì)于80英寸FHD屏，其像素密度減為27.5 PPI。對(duì)于40英寸FHD屏，選視距大于屏高的三倍；用同樣的視距觀看80英寸FHD屏，則視角從33°增至60°，臨場(chǎng)感大為增加。但如仍保持40英寸FHD屏的1920×1080像素容量，則會(huì)感到像素密度不夠。所以置于近處看的80英寸屏，需要超高清(UD)，即像素容量應(yīng)增至3840×2160，為40英寸FHD屏的四倍。

對(duì)UD-TV，采用電荷分享S-PVA充電技術(shù)

為了正確地驅(qū)動(dòng)UD大LCD屏，列驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)電壓必須有效地從列驅(qū)動(dòng)器傳輸出去，并保存到每個(gè)TFT源的輸入端。對(duì)于82英寸的UD大屏，每個(gè)像素的充電時(shí)間不但減少一半，還由于傳輸路徑的增長(zhǎng)，增加了延遲。

顯示器結(jié)構(gòu)采用三星公司常用的S-PVA結(jié)構(gòu)，如圖2所示。每個(gè)像素具有八個(gè)疇，分為A、B兩個(gè)可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的子像素。

電荷分享(CS)s-PVA像素結(jié)構(gòu)在2007年已提出，是用一根數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)兩個(gè)子像素。這個(gè)方案與對(duì)每個(gè)子像素分別用一根數(shù)據(jù)線(1G-2D)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)相比可以減少數(shù)據(jù)線，但是在全白場(chǎng)時(shí)會(huì)損失亮度。

新的電荷分享S-PVA充電技術(shù)

新電荷分享像素驅(qū)動(dòng)方案的等效電路示于圖3。首先第N門(mén)信號(hào)(GN)線使子像素A、B的TFT 1、2導(dǎo)通，對(duì)其存儲(chǔ)電容CSTA、CSTB與液晶電容CLCA、CLCB充電。當(dāng)N+I門(mén)信號(hào)(GN+1)來(lái)時(shí)，子像素通過(guò)小w／L的TFT3少量放電，使子像素A、B充上不同的電荷，這是為達(dá)到S-PVA八個(gè)疇效應(yīng)所需要的。

用于UD改進(jìn)型的驅(qū)動(dòng)方法

TFT的接通時(shí)間對(duì)UD屏非常重要，每條掃描線的充電時(shí)間對(duì)于FHD屏是14.8μs，而對(duì)于UD屏只有7.4μs。此外，由于82英寸屏的門(mén)傳輸線與數(shù)據(jù)傳輸線更長(zhǎng)，RC延遲更大，使充電情況更為嚴(yán)峻。為此，提出了半門(mén)雙數(shù)據(jù)線(hG-2D)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案，以克服充電時(shí)間不夠。新結(jié)構(gòu)等效電路如圖4。

新像素排列使每列的R、G、B像素可被兩根數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)，使得兩行像素能被同時(shí)充電，使UD屏具有與1G-2D S-PVA FHD屏相同的充電時(shí)間。

為了驅(qū)動(dòng)分辨率四倍于FHD的UD屏，必須采用八路LVDS，它是普通系統(tǒng)界面的四倍。將數(shù)據(jù)線分為四塊，只安放在屏的上邊沿，這樣成本最低，每塊的分辨率為960×2160。第1、第961、第1921和第2881列像素的數(shù)據(jù)是同時(shí)傳輸?shù)摹?/p>

用于高分辨率LTPS TFT-LCDs的帶自補(bǔ)償電流負(fù)載的二級(jí)模擬放大器

當(dāng)LTPS(低溫多晶硅)TFT-LCDs屏變得更大、分辨率更高時(shí)，數(shù)據(jù)線增加，這時(shí)需要一個(gè)模擬緩沖器，以提供增加的充放電電流。已開(kāi)發(fā)的有比較器型緩沖器、源跟隨器型緩沖器和共源型緩沖器，但它們分別具有功耗大、運(yùn)行電壓低和失調(diào)電壓大的缺點(diǎn)，不適合于移動(dòng)型、8bils灰度級(jí)的LTPSTFT-LCD顯示屏。

另一方面，一般模擬緩沖器具有上升和下降過(guò)程，用作放電后的充電輸出負(fù)載功耗大。為了降低功耗，常采用變態(tài)AB類模擬緩沖器，但是用LPTS，TFTs制成的緩沖器失調(diào)，電壓過(guò)大，不適合應(yīng)用。

為了克服上述困難，必須采用普通運(yùn)算放大器中常用的自調(diào)零技術(shù)，用于補(bǔ)償失調(diào)電壓。即使假設(shè)閾值零散變化為0.5V，用LTPS TFTs制成的典型二級(jí)模擬放大器仍不能正常運(yùn)行。

采用自補(bǔ)償電流負(fù)載，用LTPSTFTs生成的二級(jí)模擬緩沖器可以勝任高分辨率LTPS TFT-LCl3s所提的要求，其等效電路示于圖5中。它由2個(gè)電容、4個(gè)P型TFT、6個(gè)N型TFT和6個(gè)開(kāi)關(guān)組成。它們組成N型TFT差分輸入對(duì)、帶2個(gè)電容和6個(gè)開(kāi)關(guān)的自補(bǔ)償P型TFT有源負(fù)載、用于差分對(duì)的電流吸收器、用于補(bǔ)償?shù)母郊与娏魑掌骱妥儜B(tài)AB類輸出級(jí)。這個(gè)2級(jí)放大器有三個(gè)補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)：第一個(gè)和第二個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)是N型TFT有源負(fù)載的自補(bǔ)償，第三個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)是典型的自調(diào)零補(bǔ)償。在全部輸出電壓范圍內(nèi)這個(gè)放大器的最大失調(diào)電壓只有10mV，有效地解決了LTPS TFT-LCDs對(duì)低功耗、大輸出電壓范圍、低失調(diào)電壓模擬緩沖器的需要。

用于手機(jī)的只由LTPS P型TFT生成的高效交叉耦合DC-DC變換器

在手機(jī)中是將像素單元和外部驅(qū)動(dòng)電路(包括門(mén)驅(qū)動(dòng)電路、源驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制器和電源控制器)集成在一塊玻璃板上，即所謂SoG。所采用的LTPS TFTs可以是CMOS型TFT，也可以是P型TFT。采用P型TFT時(shí)光刻工序少，所以成本低。此外P型TFT的熱穩(wěn)定性也優(yōu)于N型TFT。

在LTPSTFTL的SoG中，集成門(mén)驅(qū)動(dòng)器和源驅(qū)動(dòng)器需要很寬的工作電壓，它們分別是12V-15V和8V-10V。所以除邏輯電路所需的5V外，還需提供電壓較高的附加電源。為了降低成本，需要將這個(gè)附加電源與其它電路集成在一起。已有的DC-DC方案，如充電泵，效率太低；CMOS交叉耦合型，效率雖然高于充電泵，但是其組成要使用P型TFT和N型TFT，不能用于只使用P型TFT的集成塊中。

只用P型TFT組成的交叉耦合DC-DC變換器的等效電路示于圖6。它由8個(gè)P型TFTs、2個(gè)泵電容、2個(gè)耦合電容和1個(gè)負(fù)載電容組成，能實(shí)現(xiàn)高效率低紋波的DC—DC轉(zhuǎn)換。8.8V輸出電壓下，負(fù)載電流可達(dá)250mA，效率為79.6％，可以符合手機(jī)對(duì)低功耗、低成本、尺寸小巧的要求。