LCD驱动技术的最新进展

5月18日至23日，2008年第46届SID大会在美国洛杉矶会议中心召开，展览会吸引了8000余名来访者。从展品与专题报告内容来看，主角仍是LCD与OLED。在73场专题报告会中，涉及LCD的有30场，涉及OLED的有13场。LCD显示屏进一步向大屏幕高分辨率发展，出现了超高清82英寸大屏幕；LED背光源开始进入实用化。OLED的亮点是已有多家公司推出OLED电视展品，而在去年只有SONY公司一家在报告会上展出OLED-TV。本文集中介绍有关LCD显示器驱动技术的进展。

　　LCD显示器有两大发展方向。一个方向是屏幕尺寸更大、分辨率更高、动态画质更好的LCD-TV，其中最重要的任务是提高运动图像的质量，即解决LCD显示器天生的运动伪像问题。另一个方向是用于移动显示(例如手机显示屏)的显示屏向着更高速、更高分辨率方向发展，即移动显示屏要显示1280×800或1366×768像素的视频信号和画面，屏幕尺寸也加大到5英寸~6英寸。为此要开发出一系列成本低、功耗低的芯片。

　　维持型显示和较慢的时间响应是LCD产生运动伪像(Motion Artifacts)的原因。CRT显示属于瞬态显示，每个像素荧光粉在一帧中只有在约0.1ms时间内被电子束激发而发光，显示该位置图像的亮度，然后在约1ms时间内衰减到零。在下一帧中再发光，显示另一个位置。人眼感受到的运动是平滑的，其中暗的时段被人眼的低通时间响应特性(即所谓视觉暂留)滤掉了。TFT-LCD是维持型，显示任何运动物体，在一帧时间内总是停留在一个位置上，在下一帧跳到另一个位置，加上人眼对运动物体的自动跟踪特性，将不同帧的发光强度积分在一起，人眼因此对运动图像感到模糊，这就是运动伪像。解决LCD较慢的响应时间可采用过驱动(OD，Over Drive)技术，以此将液晶(LC)的响应时间降低到8ms或更短。但是如何正确选择过驱动电压的大小仍是一个较大的技术问题。过分的OD将使运动目标边缘产生亮、暗双边，即过驱动中的边缘伪像；不足的OD则使LC的响应时间不够短，引起运动图像模糊。即使LC的响应时间问题已完满地解决，LCD维持型显示器特性仍会对运动图像产生一系列伪像。对于高分辨率大显示屏，运动伪像问题变得严重。因此出现一系列降低维持时间(即积分时间)，使LCD显示更接近于瞬态型显示的措施，以减轻运动伪像的生成。

　　下面对2008 SID 有关LCD各种专题讨论会上提出的各种提高LCD运动图像质量的措施作部分汇总。

　　用新的驱动方案实现超高清

　　LCD-TV屏尺寸越大，对像质要求越高。三星公司于07年在SID展览会上曾展出世界上最大的70英寸全高清(FHD) LCD-TV。如分辨率保持不变，屏尺寸大了会影响观看的舒适度。例如40英寸FHD屏的像素密度为55 PPI(每英寸像素数)，而对于80英寸FHD屏，其像素密度减为27.5 PPI。对于40英寸FHD屏，选视距大于屏高的三倍；用同样的视距观看80英寸FHD屏，则视角从33o增至60o，临场感大为增加(如图1所示)。但如仍保持40英寸FHD屏的1920×1080像素容量，则会感到像素密度不够。所以置于近处看的80英寸屏，需要超高清(UD)，即像素容量应增至3840×2160，为40英寸FHD屏的四倍。

图1 屏尺寸与视角的关系

　　对UD-TV，采用电荷分享S-PVA 充电技术

　　为了正确地驱动UD大LCD屏，列驱动数据电压必须有效地从列驱动器传输出去，并保存到每个TFT源的输入端。对于82英寸的UD大屏，每个像素的充电时间不但减少一半，还由于传输路径的增长，增加了延迟。

　　显示器结构采用三星公司常用的S-PVA结构，如图2所示。每个像素具有八个畴，分为A、B两个可以独立驱动的子像素。

图2 八畴S-PVA的像素结构

　　电荷分享(CS)S-PVA像素结构在2007年已提出，是用一根数据线驱动两个子像素。这个方案与对每个子像素分别用一根数据线(1G-2D)驱动的结构相比可以减少数据线，但是在全白场时会损失亮度。

　　新的电荷分享S-PVA充电技术

　　新电荷分享像素驱动方案的等效电路示于图3。首先第N门信号(G N)线使子像素A、B的TFT 1、2导通，对其存储电容CSTA、CSTB 与液晶电容CLCA、CLCB 充电。当N+1门信号(G N+1)来时，子像素通过小W/L的TFT 3少量放电，使子像素A、B充上不同的电荷，这是为达到S-PVA八个畴效应所需要的。

图3 新的电荷分享S-PVA 像素结构

　　用于UD改进型的驱动方法

　　TFT的接通时间对UD屏非常重要，每条扫描线的充电时间对于FHD屏是14.8ms，而对于UD屏只有7.4ms。此外，由于82英寸屏的门传输线与数据传输线更长，RC延迟更大，使充电情况更为严峻。为此，提出了半门双数据线(hG-2D)结构的驱动方案，以克服充电时间不够。新结构等效电路如图4。

图4 半门双数据线驱动等效电路

　　新像素排列使每列的R、G、B像素可被两根数据线驱动，使得两行像素能被同时充电，使UD屏具有与1G-2D S-PVA FHD屏相同的充电时间。

　　为了驱动分辨率四倍于FHD的UD屏，必须采用八路LVDS，它是普通系统界面的四倍。将数据线分为四块，只安放在屏的上边沿，这样成本最低，每块的分辨率为960×2160。第1、第961、第1921和第2881列像素的数据是同时传输的。

　　用于高分辨率LTPS TFT-LCDs的带自补偿电流负载的二级模拟放大器

　　当LTPS(低温多晶硅)TFT-LCDs屏变得更大、分辨率更高时，数据线增加，这时需要一个模拟缓冲器，以提供增加的充放电电流。已开发的有比较器型缓冲器、源跟随器型缓冲器和共源型缓冲器，但它们分别具有功耗大、运行电压低和失调电压大的缺点，不适合于移动型、8bils灰度级的LTPS TFT-LCD显示屏。

　　另一方面，一般模拟缓冲器具有上升和下降过程，用作放电后的充电输出负载功耗大。为了降低功耗，常采用变态AB类模拟缓冲器，但是用LPTS TFTs制成的缓冲器失调电压过大，不适合应用。

　　为了克服上述困难，必须采用普通运算放大器中常用的自调零技术，用于补偿失调电压。即使假设阈值零散变化为0.5V，用LTPS TFTs制成的典型二级模拟放大器仍不能正常运行。

　　采用自补偿电流负载,用LTPS TFTs生成的二级模拟缓冲器可以胜任高分辨率LTPS TFT-LCDs所提的要求，其等效电路示于图5中。它由2个电容、4个P型TFT、6个N型TFT和6个开关组成。它们组成N型TFT差分输入对、带2个电容和6个开关的自补偿P型TFT有源负载、用于差分对的电流吸收器、用于补偿的附加电流吸收器和变态AB类输出级。这个2级放大器有三个补偿节点：第一个和第二个补偿点是N型TFT有源负载的自补偿，第三个补偿点是典型的自调零补偿。在全部输出电压范围内这个放大器的最大失调电压只有10mV，有效地解决了LTPS TFT-LCDs对低功耗、大输出电压范围、低失调电压模拟缓冲器的需要。

图5 二级模拟缓冲器等效电路

　　用于手机的只由LTPS P型TFT生成的的高效交叉耦合DC-DC变换器

　　在手机中是将像素单元和外部驱动电路(包括门驱动电路、源驱动器、时序控制器和电源控制器)集成在一块玻璃板上，即所谓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时光刻工序少，所以成本低。此外P型TFT的热稳定性也优于N型TFT。

　　在LTPS TFTL的SoG中，集成门驱动器和源驱动器需要很宽的工作电压，它们分别是12V-15V和8V-10V。所以除逻辑电路所需的5V外，还需提供电压较高的附加电源。为了降低成本，需要将这个附加电源与其它电路集成在一起。已有的DC-DC方案，如充电泵，效率太低；CMOS交叉耦合型，效率虽然高于充电泵，但是其组成要使用P型TFT和N型TFT，不能用于只使用P型TFT的集成块中。

图6 只使用P型TFT的DC-DC变换器
(a)正电压变换 (b)负电压变换

　　只用P型TFT组成的交叉耦合DC-DC变换器的等效电路示于图6。它由8个P型TFTs、2个泵电容、2个耦合电容和1个负载电容组成，能实现高效率低纹波的DC-DC转换。8.8V输出电压下，负载电流可达250mA，效率为79.6%，可以符合手机对低功耗、低成本、尺寸小巧的要求。