LCD驅(qū)動技術(shù)的最新進展

5月18日至23日，2008年第46屆SID大會在美國洛杉磯會議中心召開，展覽會吸引了8000余名來訪者。從展品與專題報告內(nèi)容來看，主角仍是LCD與OLED。在73場專題報告會中，涉及LCD的有30場，涉及OLED的有13場。LCD顯示屏進一步向大屏幕高分辨率發(fā)展，出現(xiàn)了超高清82英寸大屏幕；LED背光源開始進入實用化。OLED的亮點是已有多家公司推出OLED電視展品，而在去年只有SONY公司一家在報告會上展出OLED-TV。本文集中介紹有關(guān)LCD顯示器驅(qū)動技術(shù)的進展。

LCD顯示器有兩大發(fā)展方向。一個方向是屏幕尺寸更大、分辨率更高、動態(tài)畫質(zhì)更好的LCD-TV，其中最重要的任務是提高運動圖像的質(zhì)量，即解決LCD顯示器天生的運動偽像問題。另一個方向是用于移動顯示(例如手機顯示屏)的顯示屏向著更高速、更高分辨率方向發(fā)展，即移動顯示屏要顯示1280×800或1366×768像素的視頻信號和畫面，屏幕尺寸也加大到5英寸~6英寸。為此要開發(fā)出一系列成本低、功耗低的芯片。

維持型顯示和較慢的時間響應是LCD產(chǎn)生運動偽像(Motion Artifacts)的原因。CRT顯示屬于瞬態(tài)顯示，每個像素熒光粉在一幀中只有在約0.1ms時間內(nèi)被電子束激發(fā)而發(fā)光，顯示該位置圖像的亮度，然后在約1ms時間內(nèi)衰減到零。在下一幀中再發(fā)光，顯示另一個位置。人眼感受到的運動是平滑的，其中暗的時段被人眼的低通時間響應特性(即所謂視覺暫留)濾掉了。TFT-LCD是維持型，顯示任何運動物體，在一幀時間內(nèi)總是停留在一個位置上，在下一幀跳到另一個位置，加上人眼對運動物體的自動跟蹤特性，將不同幀的發(fā)光強度積分在一起，人眼因此對運動圖像感到模糊，這就是運動偽像。解決LCD較慢的響應時間可采用過驅(qū)動(OD，Over Drive)技術(shù)，以此將液晶(LC)的響應時間降低到8ms或更短。但是如何正確選擇過驅(qū)動電壓的大小仍是一個較大的技術(shù)問題。過分的OD將使運動目標邊緣產(chǎn)生亮、暗雙邊，即過驅(qū)動中的邊緣偽像；不足的OD則使LC的響應時間不夠短，引起運動圖像模糊。即使LC的響應時間問題已完滿地解決，LCD維持型顯示器特性仍會對運動圖像產(chǎn)生一系列偽像。對于高分辨率大顯示屏，運動偽像問題變得嚴重。因此出現(xiàn)一系列降低維持時間(即積分時間)，使LCD顯示更接近于瞬態(tài)型顯示的措施，以減輕運動偽像的生成。

下面對2008 SID 有關(guān)LCD各種專題討論會上提出的各種提高LCD運動圖像質(zhì)量的措施作部分匯總。

用新的驅(qū)動方案實現(xiàn)超高清

LCD-TV屏尺寸越大，對像質(zhì)要求越高。三星公司于07年在SID展覽會上曾展出世界上最大的70英寸全高清(FHD) LCD-TV。如分辨率保持不變，屏尺寸大了會影響觀看的舒適度。例如40英寸FHD屏的像素密度為55 PPI(每英寸像素數(shù))，而對于80英寸FHD屏，其像素密度減為27.5 PPI。對于40英寸FHD屏，選視距大于屏高的三倍；用同樣的視距觀看80英寸FHD屏，則視角從33o增至60o，臨場感大為增加(如圖1所示)。但如仍保持40英寸FHD屏的1920×1080像素容量，則會感到像素密度不夠。所以置于近處看的80英寸屏，需要超高清(UD)，即像素容量應增至3840×2160，為40英寸FHD屏的四倍。

圖1 屏尺寸與視角的關(guān)系

對UD-TV，采用電荷分享S-PVA 充電技術(shù)

為了正確地驅(qū)動UD大LCD屏，列驅(qū)動數(shù)據(jù)電壓必須有效地從列驅(qū)動器傳輸出去，并保存到每個TFT源的輸入端。對于82英寸的UD大屏，每個像素的充電時間不但減少一半，還由于傳輸路徑的增長，增加了延遲。

顯示器結(jié)構(gòu)采用三星公司常用的S-PVA結(jié)構(gòu)，如圖2所示。每個像素具有八個疇，分為A、B兩個可以獨立驅(qū)動的子像素。

圖2 八疇S-PVA的像素結(jié)構(gòu)

電荷分享(CS)S-PVA像素結(jié)構(gòu)在2007年已提出，是用一根數(shù)據(jù)線驅(qū)動兩個子像素。這個方案與對每個子像素分別用一根數(shù)據(jù)線(1G-2D)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)相比可以減少數(shù)據(jù)線，但是在全白場時會損失亮度。

新的電荷分享S-PVA充電技術(shù)

新電荷分享像素驅(qū)動方案的等效電路示于圖3。首先第N門信號(G N)線使子像素A、B的TFT 1、2導通，對其存儲電容CSTA、CSTB 與液晶電容CLCA、CLCB 充電。當N+1門信號(G N+1)來時，子像素通過小W/L的TFT 3少量放電，使子像素A、B充上不同的電荷，這是為達到S-PVA八個疇效應所需要的。

圖3 新的電荷分享S-PVA 像素結(jié)構(gòu)

用于UD改進型的驅(qū)動方法

TFT的接通時間對UD屏非常重要，每條掃描線的充電時間對于FHD屏是14.8ms，而對于UD屏只有7.4ms。此外，由于82英寸屏的門傳輸線與數(shù)據(jù)傳輸線更長，RC延遲更大，使充電情況更為嚴峻。為此，提出了半門雙數(shù)據(jù)線(hG-2D)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方案，以克服充電時間不夠。新結(jié)構(gòu)等效電路如圖4。

圖4 半門雙數(shù)據(jù)線驅(qū)動等效電路

新像素排列使每列的R、G、B像素可被兩根數(shù)據(jù)線驅(qū)動，使得兩行像素能被同時充電，使UD屏具有與1G-2D S-PVA FHD屏相同的充電時間。

為了驅(qū)動分辨率四倍于FHD的UD屏，必須采用八路LVDS，它是普通系統(tǒng)界面的四倍。將數(shù)據(jù)線分為四塊，只安放在屏的上邊沿，這樣成本最低，每塊的分辨率為960×2160。第1、第961、第1921和第2881列像素的數(shù)據(jù)是同時傳輸?shù)摹?

用于高分辨率LTPS TFT-LCDs的帶自補償電流負載的二級模擬放大器

當LTPS(低溫多晶硅)TFT-LCDs屏變得更大、分辨率更高時，數(shù)據(jù)線增加，這時需要一個模擬緩沖器，以提供增加的充放電電流。已開發(fā)的有比較器型緩沖器、源跟隨器型緩沖器和共源型緩沖器，但它們分別具有功耗大、運行電壓低和失調(diào)電壓大的缺點，不適合于移動型、8bils灰度級的LTPS TFT-LCD顯示屏。

另一方面，一般模擬緩沖器具有上升和下降過程，用作放電后的充電輸出負載功耗大。為了降低功耗，常采用變態(tài)AB類模擬緩沖器，但是用LPTS TFTs制成的緩沖器失調(diào)電壓過大，不適合應用。

為了克服上述困難，必須采用普通運算放大器中常用的自調(diào)零技術(shù)，用于補償失調(diào)電壓。即使假設閾值零散變化為0.5V，用LTPS TFTs制成的典型二級模擬放大器仍不能正常運行。

采用自補償電流負載,用LTPS TFTs生成的二級模擬緩沖器可以勝任高分辨率LTPS TFT-LCDs所提的要求，其等效電路示于圖5中。它由2個電容、4個P型TFT、6個N型TFT和6個開關(guān)組成。它們組成N型TFT差分輸入對、帶2個電容和6個開關(guān)的自補償P型TFT有源負載、用于差分對的電流吸收器、用于補償?shù)母郊与娏魑掌骱妥儜B(tài)AB類輸出級。這個2級放大器有三個補償節(jié)點：第一個和第二個補償點是N型TFT有源負載的自補償，第三個補償點是典型的自調(diào)零補償。在全部輸出電壓范圍內(nèi)這個放大器的最大失調(diào)電壓只有10mV，有效地解決了LTPS TFT-LCDs對低功耗、大輸出電壓范圍、低失調(diào)電壓模擬緩沖器的需要。

圖5 二級模擬緩沖器等效電路

用于手機的只由LTPS P型TFT生成的的高效交叉耦合DC-DC變換器

在手機中是將像素單元和外部驅(qū)動電路(包括門驅(qū)動電路、源驅(qū)動器、時序控制器和電源控制器)集成在一塊玻璃板上，即所謂SoG。所采用的LTPS TFTs可以是CMOS型TFT，也可以是P型TFT。采用P型TFT時光刻工序少，所以成本低。此外P型TFT的熱穩(wěn)定性也優(yōu)于N型TFT。

在LTPS TFTL的SoG中，集成門驅(qū)動器和源驅(qū)動器需要很寬的工作電壓，它們分別是12V-15V和8V-10V。所以除邏輯電路所需的5V外，還需提供電壓較高的附加電源。為了降低成本，需要將這個附加電源與其它電路集成在一起。已有的DC-DC方案，如充電泵，效率太低；CMOS交叉耦合型，效率雖然高于充電泵，但是其組成要使用P型TFT和N型TFT，不能用于只使用P型TFT的集成塊中。

圖6 只使用P型TFT的DC-DC變換器
(a)正電壓變換 (b)負電壓變換

只用P型TFT組成的交叉耦合DC-DC變換器的等效電路示于圖6。它由8個P型TFTs、2個泵電容、2個耦合電容和1個負載電容組成，能實現(xiàn)高效率低紋波的DC-DC轉(zhuǎn)換。8.8V輸出電壓下，負載電流可達250mA，效率為79.6%，可以符合手機對低功耗、低成本、尺寸小巧的要求。