TFT陣列基板的電容充電電路的設計

徐永先

（北京電子科技職業學院，100176）

TFT陣列基板的電容充電電路的設計

徐永先

（北京電子科技職業學院，100176）

液晶顯示器尺寸越來越大，液晶柵極啟動信號持續時間變短，液晶電容和存儲電容的充電時間也隨之減少，導致對液晶電容和存儲電容充電不充分，造成橫向微弱亮線的產生，使得畫面品質下降。本文設計出TFT陣列基板電容充電電路，在當前行像素顯示時，對下一行像素預充電，解決了液晶電容和存儲電容充電不充分的問題。

TFT陣列基板；電容充電電路

從制造的角度來看液晶面板的話，可分為TFT陣列工序、液晶單元工序、液晶模塊工序三類。在這些液晶面板制造工序中，尤其是TFT陣列工序決定液晶面板的顯示性能，對面板制造成本的影響尤為突出。TFT陣列是對液晶進行驅動的電路基板。TFT和顯示像素電極被排列在玻璃基板上，用于驅動TFT的柵極布線、輸送加載在像素上的電壓信號的信號布線縱橫交錯。

1　現有技術

在TFT LCD顯示中，在屏的橫向電極上輸入掃描信號，輸入的電壓加在TFT的柵極上控制TFT的開關狀態，而在縱向電極上輸入顯示數據電壓信號，其信號電壓加在TFT的源極上，提供顯示圖像所需的像素電壓。而液晶電容一端接在TFT的漏極，電容的另一個極板是對面玻璃基板上的電極，即公共電極，它是同驅動電路的COMMON電壓輸出端連接在一起的。除了液晶電容外，為了克服在像素點上的電壓的波動，要做出一個跟像素電容并聯的一個電容，稱為存儲電容。存儲電容的另一個電極可以利用柵線做出一個電容。當Gate電極送入掃描信號，打開像素上的TFT的同時，源驅動器Source Driver送入數據圖像信號通過TFT向像素電容充電。當這一行掃描過后，TFT關斷，像素電容保持這個電壓。

柵極啟動信號都要持續一段時間，這樣有可能發生當前行的所有像素的TFT開關還是開啟狀態的時候，下一行的所有像素的TFT開關也被開啟，數據信號同時加載到兩行像素上，導致顯示異常現象。現有技術的解決方法是減少柵極啟動信號的持續時間，在下一行柵極啟動信號來臨前提前關閉當前行柵極啟動信號，這樣就保證了兩個柵極啟動信號不會有重疊的持續時間，避免了顯示異常。但是也帶來問題：每個像素可以等效成電阻和電容組成的充電電路，這個充電電路的充電時間和電阻、電容有關。電阻電容乘積越小，充電越快。如果要把電阻、電容變小，將對整個面板做巨大的改動，時間、金錢、人力都會有很大的損失。所以要采用新的設計，在柵極啟動信號持續時間縮短的情況下，像素的液晶電容和存儲電容也能充分的充電，不會有充電不充分產生橫向微弱亮線，畫面品質下降的后果。

2　改進的TFT陣列基板電容充電電路

本文提供一種新的TFT陣列基板，使得液晶電容和存儲電容在柵極啟動信號持續時間縮短的情況下也能夠得到較充分的充電。如圖1所示：

圖1　改進的TFT陣列基版電容充電電路

圖中水平的直線是柵極掃描線，用來提供柵極啟動信號。垂直的直線是數據掃描線，用來給像素提供充電電壓。柵極掃描線和數據掃描線通過TFT開關相連，TFT的柵極與柵極掃描線相連，源極與數據掃描線相連，漏極與液晶電容和存儲電容的一端相連。液晶電容和存儲電容相并聯，另一端和公共電極之間有一電壓Vcom。以上所描述的是當前技術單一像素的電路結構。

本文提出的設計又增加了TFT1、TFT2兩個開關以及一個預存儲電容CA。TFT1開關的柵極和源極與當前柵極掃描線Gate N相連，漏極與預存儲電容的一端相連，預存儲電容的另一端和公共電極之間有一電壓Vcom。TFT1與預存儲電容相連處引出一條導線，同TFT2的源極相連。TFT2的柵極與下一行柵極掃描線Gate N+1相連，漏極同下一像素TFT開關的漏極相連。這一設計應用到每一像素當中。

該電路的工作原理如下：當前行的柵極啟動信號到來時，這一行像素的TFT開關都被打開，通過數據掃描線提供充電電壓。因為TFT1的柵極、源極都和當前行的柵極掃描線相連，因此當前行的柵極啟動信號到來時，TFT1開關打開，源極和漏極導通，通過當前行的數據掃描線給預存儲電容充電。當前行的柵極啟動信號關閉后，預存儲電容留有一定的電壓，TFT1關閉，預存儲電容同當前柵極掃描線斷開。下一行的柵極啟動信號到來時，下一行像素的TFT開關都被打開，通過數據掃描線提供充電電壓。因為TFT2的柵極同下一行的柵極掃描線Gate N+1相連，TFT2開關和下一行像素的TFT開關同時被打開，源極和漏極導通，預存儲電容和數據掃描線同時向下一行像素的液晶電容和存儲電容充電。當前技術單一像素的電路結構，像素只能由數據掃描線給充電。而本文提出的電路，在當前行像素充電時，也在給預存儲電容充電，在掃描到下一行像素時，在數據掃描線充電的同時，預存儲電容也在參與充電，故而像素電極能夠快速地完成充電，保證液晶電容和存儲電容充電足夠充分，減少橫向微弱亮線的產生，提高顯示畫面的品質。與改變TFT基板的電阻、電容相比，本文提出的設計更容易實現。

3　仿真驗證

為了驗證設計的正確性，用Multisim軟件進行仿真。

未加預存儲電容時仿真原理圖如圖2。像素中的液晶電容建模為0.1pF的電容，存儲電容建模為0.5pF的電容，兩個電容并聯連接。數據掃描線的電阻建模為2.4Ω的電阻，和兩個電容一端串聯。Vcom電壓取值為5V，建模為一個5V的直流電壓源，和兩個電容另一端串聯。數據線上的信號是方波，但是本文要驗證的只是數據線上剛出現波形時像素的響應情況，因此把數據線上的信號建模為一直流源，電壓的大小對應于方波的最大電壓，即L127灰階時的電壓，取值10V，通過一個開關連接到數據掃描線的電阻上。

然后在兩個電容的兩端連接示波器，觀察波形的上升沿。開關閉合后，像素迅速充電，從初始-5V的電壓上升到+5V的電壓所需的時間為9.95us。接下來把預存儲電容加到電路中，見圖3。

預存儲電容和液晶電容、存儲電容的大小相當，本文中把它建模為0.1pF的電容。因為預存儲電容在上一行像素顯示的時候就已經充電了，因此，把它和10V的直流源并聯，開關打開，10V

圖2　未加預存儲電容

圖3　加入預存儲電容

的直流源就對它提前充電。開關閉合后，就是對當前行的像素充電。10V的直流源和充了電的預存儲電容同時對像素充電，和之前相比，多了個預存儲電容參與充電，因此充電時間會在一定程度縮短。

加入預存儲電容后，從初始-5V到+5V的充電時間縮短了，為9.34us。和之前9.95us相比，縮短了0.61us。因此可以看出加入預存儲電容后，像素的充電時間可以一定程度的縮短，因此本文中提出的設計有一定的效果。

4　結束語

通過仿真可以看到本設計的效果。但是本文只對一個像素進行了設計和仿真，并沒有對整行甚至整個液晶屏的像素進行設計和仿真。因此后續的工作還要以本文的成果為依據，繼續對整個液晶屏進行設計和仿真，來獲得更大的成果。

［1］顏重光.TFT-LCD背光設計策略［J］電子產品世界.2005.14

［2］張春兵.快門式3D顯示中信號驅動方法與3D串擾的研究［J］液晶與顯示.2013.04

［3］林鴻濤.TFT-LCD中驅動信號對線殘像的改善研究［J］液晶與顯示.2012.03

徐永先，1978年4月，男，北京電子科技職業學院，助理實驗師，碩士。研究方向：電子與通信。

TFT array substrate capacitor charging circuit design

Xu Yongxian
（BEIJING POLYTECHNIC，100176）

The LCD size becomes more and more large and the LCD gate startup signal duration becomes shorter.The charging time of liquid crystal capacitor and storage capacitor becomes shorter.So it causes inadequate charging of liquid crystal capacitor and storage capacitor and causes appearance of faint light lines.The picture quality declines.This paper has designed a TFT array substrate capacitor charging circuit.When the current line of pixels are displaying，it pre-charges the next line of pixels， solving the inadequate charging problem of liquid crystal capacitor and storage capacitor.

TFT array substrate；Capacitor charging circuit