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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TFT 特性需求On current:I on ≥ 6C pixelVon N row T frame C pixel Von N gray MT frameCpixel M Ngray Nrow Tframe Von Von Pixel capacitance Safety margin coefficient Number of gray levels Number of rows Frame period Gate voltage swing Required switching voltage

Off current:I off ≤

On-to-Off ratio:I on 6 MN rowVon N gray ≥ I off Von

M. Shur, M. Jacunski, H. Slade, M. Hack, "Analytical Models for Amorphous and Polysilicon Thin Film Transistors for High Definition Display Technology," J. of the Society for Information Display, vol. 3, no. 4, p. 223, 1995

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o5f4.html