TFT显示屏的新驱动技术

先进的便携设备要求显示技术必须满足低功耗和高性能。本文分析了彩色显示屏对驱动技术带来的挑战,对二级驱动方案、公共电极调制方案和四级驱动方案进行比较,解析了TFT四级驱动的实现技术的性能特点。

在过去几年内移动电话得到飞速发展,手机体积越来越小之外,用户界面的性能也有了显著的改善,如键盘更小了,而显示屏的尺寸则增大了。今天先进的手机屏幕与几年前使用的2×12线字符显示屏已经不可同日而语了,不仅像素的数量增加了,而且像素本身也变得更小。同时,将显示屏从单色提升到彩色已成为当前移动电话厂商的重要任务之一。

由于手机的体积很小,其电池的使用时间有限,因此必须降低显示模块的功耗。对于需要连续显示信息的手机尤其如此。

显示技术的发展

自然界本身就是多姿多彩而不是黑白色调组成,因此手持设备需要彩色的显示屏是大势所趋,但必须为此付出彩色显示屏所需要的额外研发成本,并由于高功耗使得待机时间大大减少。

借助色彩可以在一个小显示屏上建立信息,因此,色彩的数量并不是一个关键的参数。但是,随着数码相机出现在消费市场上并能够提供极高色彩分辨率(如3×8位)的像素,图像质量的事实标准其实已经确定,在能显示很高图像质量的移动电话上集成数码相机模块的需求已经出现。与黑白显示屏相比,彩色显示屏的像素尺寸肯定还要更小,如果像素尺寸太大,人们可能会把红、绿、蓝三种颜色的子像素误认为是单个的彩色点。目前,标准的像素点尺寸为0.20×0.20到0.25×0.25mm²。使用相机时,传输人像将是一种普遍的应用。此时人眼对于人体的色调差异非常敏感,为达到人眼视觉满意的水平需要4k到64k的色彩深度。

采用当前通用的WCDMA、GSM、EDGE、HSCSD和GPRS传输标准,可以传送静止或半静止图像,而采用更快的协议则有可能可以传送小型的视频序列。在这成为主要的应用后,就会需要具有更快响应时间的显示屏。此时,使用薄膜晶体管 (TFT)技术的有源矩阵显示屏就成了一种理想的选择。

彩色显示技术带来的挑战

驱动彩色显示屏与驱动黑白显示屏的技术差异很大,增加了技术实现的复杂性。使复杂性增加的因素有三个方面:首先,对于每一个点必须单独控制三个像素,因此多了三倍的列输出引脚；其次,对于4k颜色的色彩深度,每个点需要12位的存储器,而黑白显示屏只需要1位存储器；快速响应时间(视频)需要具有不同物理性能的液晶,对于控制电路而言,这意味着更高的驱动电压。

另一方面,普遍用于TFT显示屏的非定型(amorphous)薄膜晶体管的导通电压(Vth)较高,需要很大的信号,有的高达20V。由于电池并不能直接提供这些电压,需要使用片上倍增级来产生。通常,LCD驱动器芯片中直接集成了电容器,它们会占用大量的硅面积。

为了在芯片(组)中集成大容量存储器,通常需要采用深亚微米工艺,而采用这种工艺的芯片的最大电压仅为3.3V左右。因此,需要创造性地综合运用各种工艺来满足不同的要求。

驱动技术

a) 考察一下点亮显示屏上的深红色点时所发生的过程:

-通过将红、绿、蓝三种颜色的点紧靠着放在一起,进行光学的加性色彩混合；

-利用电-光相关性,通过控制LC扭转所依赖的电场的传输强度,调节每种色点的强度；

-通过对像素固有电容(图1中的C_LC)充电,设置和保存电场；

-由一个晶体管开关(显示基片上的TFT)控制充电；

-然后,在显示驱动器中产生了晶体管的控制信号。

b) 液晶显示中的一些尺寸

液晶嵌在距离通常为6微米的两层玻璃薄片之间,像素的尺寸通常为230×230(m,它们构成了像素电容C_LC,显示驱动器芯片与TFT的栅极和源极以及公共电极(CE)都相接。AMLCD单元上的无定型晶体管(amorphous transistor)的电子迁移率比用于半导体芯片的单晶硅约小1000倍,这使其阈值电压要高很多,所需的门限电压在15V到25V之间,充电C_LC的源极电压低于6V。由于这个原因,栅极与源极的驱动器最好是单独芯片,以便栅极驱动器可以采用专门的高电压工艺。但是,这种工艺对于大型逻辑和存储器模块可能并不经济,而实际上,这些模块与源极驱动器电路集成在一起。

有人可能会提出为什么不使用外部存储器？这有两个方面的不利因素。首先,为了访问外部RAM,需要较大的输入/输出驱动器电路来确立一个可接受的噪声容限,它们会消耗大部分功率；其次,小容量静态或动态RAM现在已经没有供货。而且,将它们作为单独的新芯片来设计既不经济又浪费空间。

目前高电压深亚微米工艺正处于开发过程中,它们将是为小尺寸TFT显示屏(160×128×RGB)设计单芯片解决方案的理想技术。

c) 液晶的特性

为了防止液晶材料的性能降低,工作时液晶单元上的平均电压必须为零。有四种不同的可能方案可供选择:场、行、列或点反相。反相的方法一致性越高,图像的质量就越高。此外,反相也使光学副效应(如串扰和大面积闪烁)降到了最低,它可以通过一种节省功耗的方法来实现。

d) 驱动方案的实现

驱动时,行是顺序访问的,与此同步,像素值被加到列信号中。大多数情况下,二级驱动方案的用法如图2所示。它允许使用直接驱动器电路。所需的电压相当大。有一些可供选择的方案可以降低最大电压的幅度。其中的一种为公共电极(CE)调制,另一种为四级驱动方案(FLDS),由Philips公司最近发布。

公共电极调制

行信号直接连接到晶体管的栅极,它通过导通或关闭晶体管来对像素电容C_LC充电,充电电压被加到列线。在下一帧,信号被反向。CE调制与此类似,但公共电极并不是用行电压和列电压直接相加的方法进行调制,因此无需一种具有高击穿电压的工艺。

四级驱动方案

与CE调制方案一样,四级驱动方案的目的是为了降低源驱动器所需的电压幅度。其实现方法是通过存储电容器C_ST将一个电压阶梯容性耦合到已经预先充电的液晶像素C_LC。典型的像素如图3所示。

这种方案需要将存储电容器连接到前一行(第N-1行)。在像素充电期间,第N-1行设置为一个中间电压,建立了一个耦合脉冲。当TFT导通时第N行被充电到列电压。

充电之后,第N行的TFT被关断,此时第N-1行的电压又回到原来的幅值。这样,通过经由存储电容器把电荷容性耦合到像素,第N行像素的像素电压发生了改变。

功耗问题

显示屏的功耗可分为两部分:驱动器IC的功耗和显示屏本身的功耗。此处主要讨论后者。

在AMLCD显示屏中,显示屏所产生的功耗是由于显示屏电极(行、列和公共电极)上各种转换导致的充电电容或放电电容所引起的。

为了计算功耗,人们用电压来计算与显示屏中每个电极相连的容性负载。实际上还有附加的寄生电容,为了计算每个电极的负载,必须考虑所有的寄生电容。

从表2可以明显地看出,最低功耗方案为FLDS驱动方案。其功耗较低是因为降低了行电压幅度,这种方案对于行反相补偿最为适合。

电压的反相可以经过一个或两个步骤完成:a)单步时使用一个电压源；b)采用两个步骤时,首先变换到地电压,然后再变换到最终电压。变换到地电压具有以零功耗将电容放电的效果,可以通过这个步骤来降低显示屏的功耗。例如,假设要将电容C上的电压从U=5V变换到U=-5V。如果这个电容不首先通过一个额外的转换步骤放电到0V,那么电压源所消耗的能量为C×(-5)×(-5-5)=50C。如果这个转换分两步完成,第一步首先让电容放电到0V,电压源不需要消耗任何能量,那么转换所需的总能量为C×(-5)×(-5-0)=25C。这样,转换操作只需消耗原来能量的一半。由此可见,仔细选择模块的地电势并尽可能首先转换到地电势可以减少显示屏的总功耗。

本文结论:

随着上述新驱动技术的出现,现在能够设计出具有超强的性能一种彩色模块,可以开发具有高亮度、适应视频显示的显示屏。

新的驱动技术也实现了低功耗,可以满足目前对手持设备在尺寸和功耗方面的期望,并在为TFT显示屏技术开启新市场的同时,弥补彩色-STN和TFT之间在性能成本上的差异。

作者:

Markus Hintermann

Patrick Nolan

Philips半导体公司