TFT-LCD原理及设计

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OUTLINE TFTLCD簡介 TFTLCD TFTLCD的操作原理 TFTLCD的優點 TFTLCD的設計考量 TFTLCD的設計流程

TFT-LCD原理及设计

TFTLCD簡介TFTLCD的特性 TFTLCD TFTLCD的操作原理 TFTLCD的優點

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LCD : 一種光電裝置光 : n光可分為不同的極化方向 不同極化方向的光經過液晶, 會有不同的光程 光經過此光程差再組合後, 會改變其極化的形式

電 : ε不同的電壓下, 液晶會有 不同的排列方式 不同的液晶排列方式造成 不同的光程差, 因而使得 穿透率改變

配合偏光片擋去某個極化方 向的光, 即可決定光的穿透 如此可將video信號(電)轉換成 率 亮暗顯示(光)

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TN型液晶 : 亮未施加電壓 : 偏極化光 隨液晶分子扭轉

水平偏極化光出

未偏極化光入

液晶偏光片2 (水平) 偏光片1 (垂直)

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TN型液晶 : 暗

V

無光出

未偏極化光入

液晶偏光片2 (水平) 偏光片1 (垂直)

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液晶的光電特性Tpeak(TN) Tpeak(FFS)

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主動矩陣式 LCDDATA DRIVERS

主動元件TFT SiNx電容 MIM電容

SCAN DRIVERS

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TFTLCD的操作原理在主動矩陣式 LCD中, 每個畫素具有一TFT, 其閘極連接至水平向 的掃描線, 汲極連接至垂直向的資料線, 而源極連接至液晶電極 顯示器同時間一次起動一條水平掃描線, 以將TFT打開, 而垂直資 料線送入對應的視訊信號, 對液晶電極充電至適當的電壓 接著關閉TFT, 直到下次重新寫入信號前, 使得電荷保存在電容上; 同時起動次一條水平掃描線,送入對應的視訊信號 依序將整個畫面的視訊資料寫入, 再自第一條重新寫入信號, 一般 此重覆的頻率為60~70 Hz 對每個畫素而言, 液晶上所跨的電壓和穿透度具有一定的關係, 而 且是完全相同的, 因此, 只要能控制所寫入的電壓, 即可顯示想要的 畫面

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TFTLCD的優點 畫素各自獨立, 可消除串音(crosstalk)現象 畫素自資料線獨立, 在畫素電容上可保持 電荷, 故可使用穿透度隨電壓變化較緩的 液晶, 出更多灰階 可製成較大面積與較高解析度

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TFTLCD的設計考量設計原則 : 確保視訊資料不失真 設計考量 :設計目標 儲存電容 TFT特性 信號線延遲 曝光分割 其他設計考量

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Liquid Outlook1. Global parameters 2. Read image 3. Map colors 4. TFT analysis 5. Array analysis 6. Cell electricalVdata Vpixel T%

7. Liquid crystal cell 8. Optical analysis 9. Display imageGIF4,11

10. Configure file 11. Medici

12. Raphael

GIF

2

colors

3

6

8

9

7 12

5

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設計目標解析度 : 驅動頻率, 驅動負載, 畫素大小 面板尺寸 : 驅動負載, 信號延遲, 畫素大小 操作電壓 : TFT充電能力, Feedthrough效應 極性反轉模式 : Cst on gate, common調變 開口率 : 信號線寬, 儲存電容大小 其他光學目標 : 視角, 反應速度, ...

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極性反轉液晶不可在直流電壓下操作過久1 2 3 4 5 1 + + + + + Frame N Column 2 3 4 + + + + +

+ + + + + + + + + + 5 + + + + +1 2 3 4 5 Frame N+1 Column 1 2 3 4 - - - - - - - - - - - - - - - 5 -

1 2 3 4 5

1 + + +

Frame N Column 2 3 4 + + + - - + + + - - + + +

5 + + +

1 2 3 4 5

Frame N+1 Column 1 2 3 4 - - - + + + + - - - + + + + - - - -

5 + + -

Row

Row

Row

Frame inversion1 + + + + + Frame N Column 2 3 4 - + - + - + - + - + 5 + + + + + Frame N+1 Column 1 2 3 4 - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + 5 1 + + +

Row inversionFrame N Column 2 3 4 - + + - + - + + - + - + 5 + + + Frame N+1 Column 1 2 3 4 - + - + + - + - + - + + - + - + - + 5 + + -

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

Row Row

1 2 3 4 5

Row

Column inversion

Row

Row

Dot inversion

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儲存電容協助液晶電容之電荷儲存 減少Feedthrough效應 Cst on gate節省common bus 增加開口率 驅動電壓設計較複雜Cst Cgs Cst Cgs Clc Csp Clc Csp

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液晶電容之電荷儲存漏電途徑TFT關電流 液晶Cst Clc

漏電要求在新視訊資料寫入 前, 漏電不可使電壓 變化大於一個灰階Csp Cgs

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Feedthrough效應Gate 打開 Qn=Cgs(Vn-Vg)+Cst(Vn-Vst)+Clc(Vn-Vcom)+Csp(Vn-Vs)…(1) Gate 關閉 Qn’=Cgs(Vn’-Vg’)+Cst(Vn’-Vst)+Clc(Vn’-Vcom)+Csp(Vn’-Vs’)…(2) (1)-(2) 電荷守衡 0=Cgs(△Vp-△Vg)+Cst(△Vp)+Clc(△Vp)+Csp (△Vp -△ Vs)

V p =

Vg Cgs + VsCsp Cgs + Cst + Clc + Csp Cgs CtotalCst Cgs Clc Csp

一般 VsCsp 比 Vg Cgs小很多，可忽略 V p = Von Voff

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Feedthrough效應 (續) V p = Vg C gs + VsCsp C gs + Cst + Clc + Csp

Vp,a ≠ Vp,b = | Vp,a - Vp,b | (愈小愈好)Cst Cgs Clc Csp

Clc,a

≠

Clc,b

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Feedthrough效應的計算Clc隨電壓而 改變 Cgs隨電壓而 改變 不同電壓下, feedthroughk 大小不同

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TFT特性開電流足以在時 間內完成充電 關電流不致在時 間內漏電太多 Cgs愈小, 則 feedthrough亦 愈小1e-5 1e-6 1e-7 1e-8

Id (A)

1e-9 1e-10 1e-11 1e-12 1e-13 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Vg (V)

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