液晶驱动原理(一)

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1、Write by 王智偉 1 超扭轉線型液晶顯示器基本原理 （Super-twisted Nematic LCDs，STN LCDs） 第一部份：振幅選擇驅動法 王智偉 Write by 王智偉 2 1. 超扭轉線型液晶顯示器（Super-twisted Nematic LCDs） 1.1 矩陣式液晶顯示器 超扭轉線型液晶顯示器（Super-twisted Nematic LCDs，STN LCDs ）的出現克服直接多工驅動線扭轉型液晶顯示器（Direct Multiplexed Addressing TN LCDs） 的缺點，可以應用於高解析度大 畫面的顯示器。雖然 STN LCDs 實際應

2、用上在畫面對比、視角以及 反應速度（Response Time）與薄膜電晶體液晶顯示器（Thin Film Transistor，TFT LCDs） 比較有極大的差距，但是近年來針對 STN LCDs 各方面的改進已有長足的進步，畫面品質已可達到與 TFT LCDs 相當的程度。 STN LCDs 所採用的驅動方法是發展 STN LCDs 時重要的一部 份。LCDs 的基本顯像原理是藉由液晶材料折射率的非均向性 （Anisotropy），利用改變液晶分子的排列狀態，對於穿透液晶 的光線做調變（Modulation），使穿透光線的穿透率改變或是將光 線吸收；不同的液晶分子排列狀態，改變穿透液晶光

3、線的穿透率， 進而顯示影像畫面。 利用電場控制液晶分子排列狀態的液晶顯示器可分成兩種，一 種稱為被動矩陣式液晶顯示器（Passive Matrix Liquid Crystal Display，PM LCD），另一種稱為主動矩陣式液晶顯示器（Active Matrix Liquid Crystal Display，AM LCD）。AM LCDs 的每一個顯像 畫素上都有一個非線性的主動元件如電晶體或是二極體作為控制液 晶畫素的開關，參考圖1。一般常見的 AM LCDs 的非線性元件是採 用薄膜電晶體（Thin Film Transister，TFT），每個顯像畫素有三個 電極：控制電極（TFT

4、 的閘極）、訊號電極（TFT 的源極）以及畫 素電極（TFT 的汲極所連接的透明電極部份）。 PM LCDs 沒有非 線性元件控制液晶畫素的操作，所以每一個畫素的形成是水平電極 走線與垂直電極走線的重疊區域，參考圖1。一個 N x M （N 條水 平掃描走線與 M 條垂直訊號走線）的 PM LCDs 所有水平與垂直電 極的數目為 M + N ，基本的操作原理是由施加於水平與垂直電極上 的訊號電位差來決定每一個畫素內液晶分子的光學狀態，穿透光線 經由液晶的光學調變來呈現所欲顯示的影像畫面。 Write by 王智偉 3 資料訊號走線 水 平 掃 描 脈 波 走 線 畫素電極 畫素電極 畫素電極

5、畫素電極 G SD 共通電極 垂直訊號走線 水 平 訊 號 走 線 液晶畫素 液晶畫素 液晶畫素 液晶畫素 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

6、位，只有當水平掃描線被順序選 擇到的時間週期T 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 T 為每個 圖框的週期 T 除上水平掃描線數 N ，如 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

7、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， Write by 王智偉 4 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 T 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（

8、ON）狀態；當訊號為 -D 時，液晶畫素在關閉 （OFF）狀態。剩下 N-1 個 T 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。 1 2 3 4N 1 2 3 Frame 1Frame 2 F 0 T 水 平 掃 描 訊 號 +D -D 0 垂 直 影 像 訊 號 Row 1 Row 2 Row 3 Row N Column 1 ON OFF ON OFF F+D F-D F+D F-D +D -D 0 +D -D 0 +D -D 0 +D -D 0 1 2 3 4N Frame 1 液晶畫素電壓 T 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

9、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）

10、造成液晶產生電光效應的 轉換。Kawalami，Alt 及 Pleshko 證明當 N4 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 Write by 王智偉 5 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 T 內 ON 的液晶畫素電壓為 F+D，其 他 N-1

11、 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 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： RMS T Vt dt p t T 1 2 0 （1） ON FDND N 2 2 1 （2） OFF FDND N 2 2 1 （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

12、比度，將（2）與（3）式代入（4）式，以單一變數 F/D 表示，如（5）式： S ON OFF F D N F D N 11 11 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 d F D 0 （6） F D N opt （7） Write by 王智偉 6 SR N N opt 1 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 N4）。 S

13、R N N 31 8 : （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

14、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。 Write

15、by 王智偉 7 10 100 1000 1.1 1.2 選 擇 率 液晶矩陣的水平掃描線數目 1.0 3:1 APT 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 =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

16、影響畫面對比的主因。 Write by 王智偉 8 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 0 N=10 N=20 N=30 =1.387 =1.255 =1.172 =1.000 =1.000 =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 =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