第二章操作原理

1、第二章操作原理第1页，共113页。第一节 极性反转及其必要性1、什么是极性反转2、为什么可以极性反转3、极性反转的必要性4、像素阵列反转的方式第2页，共113页。1、极性反转 施加在液晶分子上的电场是有方向性的，若在不同的时间，以相反方向的电场施加在液晶上，即称为“极性反转”。在大部分的情况下，电极间距为常数，电场的方向对应到电位差的正负号，因此“极性反转”也意味着：对液晶施加正负号相反的电位差。第3页，共113页。2、为什么可以极性反转 首先来看液晶分子在电场中的电偶极力矩的情形，与第一章不同的是电场方向相反，因而电偶极的方向也是相反的，所以所产生的力矩 和 ，却因负负得正而保持原来的转动方

2、向，有差别的地方，在于电场方向不同时，液晶分子上的电子云不同而已，力矩 和 的大小并没有改变，因此极性的方向并不会影响力矩对液晶分子的作用，所以可以利用“极性反转”的方式来驱动液晶而不影响其排列与穿透度，由第一章液晶分子在电场中受到的力净力矩 可知，液晶分子在电场中的力矩与电场的平方成正比，这个力矩用来克服液晶的弹性，以控制其排列方式，进而控制穿透度，当电场大小固定时，即使电场的正负极性改变，液晶分子上的电子云分布可立即反应，因此可视为是处在一个平衡状态下。 /2sin2/12/0Enet第4页，共113页。电场方向相反时长轴和短轴方向上的所受的力矩第5页，共113页。驱动电压的均方根 当电场

3、大小改变时，受到液晶的弹性与粘滞系数的影响，液晶的反应会视电场改变频率而定。在此先讨论电场改变频率很快，液晶来不及改变其排列方式的情况。 在这样的情况下，液晶的排列，会由其所受的力矩在时间上的平均值来决定，而力矩与电场的平方成正比。对力矩作时间平均，其实便是对电场的平方作时间平均，穿透度直接对应到液晶的排列，电场直接对应到驱动电压，因此，穿透度与驱动电压的均方根相关。 平均力矩 TdttTaverage/0 t其中t为时间， 为力矩的时间函数，而由于力矩与电压平方成正比，得到的电压均方根 第6页，共113页。RMSV的计算公式 TdttVVTRMS/202 2/120)/(TdttVVTRMS

4、其中 tV为电压的时间函数，T为 tV为例，其均方根值为的变化周期，以下图 VTTVRMS354. 16/11/12120162/ 12/ 1222222（1）若周期T甚小于液晶的反应时间，以该图的电压波形驱动液晶，其分子排列与穿透度，会以大小1.354V的电压来驱动液晶的情况是相同的。第7页，共113页。3、为什么必须极性反转 既然液晶的驱动与电压大小有关，而与其正负号无关，是否只要用正电压或负电压来驱动液晶即可？答案是不行的，必须以“极性反转”的方式来驱动，其原因有两个方面。（1）配向膜的直流阻绝效应 为了控制液晶在未施加电压时的排列状态，在夹置液晶的基板表面上，涂布一层如聚酰亚胺（PI）

5、的有机材料薄膜，并以绒毛滚刷或紫外线照射，以在材料上形成沟槽，以强迫将表面上的液晶分子，固定在所需的排列方向上，这层具有沟槽的薄膜，即为取向膜，因此，施加在电极上的电压，是透过取向膜才施加在液晶上的，如图所示，这样的结构的等效电路可视为是三个电容的串联，而且，取向膜与液晶并非是理想的绝缘体，本身仍会有一个高电阻值，因此，完整的等效电路也将串联电阻考虑进来。第8页，共113页。基本电阻公式为其中为电阻率，d为电流方向AdR/的距离， A为与电流垂直的截面积，与电容一起考虑等效电路，一般而言，取向膜的厚度约为液晶的1/100，相对介电系数则差不多，电阻率则约高于液晶的100000倍，因此：LCOL

6、CC100LCOLRR1000我们知道，电容的阻抗 CjZ/1在施加直流电压 DCV角频率 的情况下0故电容的阻抗甚大而可以被忽略，所以液晶上的跨压 LCV几乎为施加电压 DCV的两千分之一。第9页，共113页。DCDCOLLCOLLCLCVVRRRRV2000/1/也就是说，以直流方式驱动液晶，绝大部分的电压差会产生在取向膜上，无法改变液晶分子的排列，因而也不能控制光阀。相反地，在施加交流电压 的情况下，若频率很高，电容的阻抗反而会小于电阻，而可以忽略电阻的效应，此时液晶上所跨的电压 ，几乎等于施加电压ACVACVLCVACACOLLCOLLCVVCjCjCjCjV/1/1/1/1在电压施加

7、的瞬间之后，取向膜与液晶上的跨压随时间的变化情况，则视电阻电容值而定， 会以近似指数的形式趋于0，以一般的液晶而言，其时间常数约为200秒，而且，此变化与液晶面积大小无关。LCVLCV第10页，共113页。 由以上的讨论，可知液晶不能只以直流驱动，而必须以高于1/200Hz的频率做交流驱动，在正常的情况下，考虑到液晶与人眼的反应时间，并不会以这么低的频率操作，所以并不考虑这个效应，但是，当电极并不直接与液晶接触时，直流阻绝效应便可能发生，在开发新的阵列或彩色滤光片的制程结构时，要注意避免这个效应。第11页，共113页。（2）可移动离子与直流残留 在液晶的制程中，由于无法将液晶完全纯化，不可避免

8、地会在其中残留一些可移动离子，如图所示，在施加电压时，会受电极上与其极性相反的电荷吸引而向电极移动，施加的极性相反，离子运动的方向也跟着相反，若是施加电压的平均值为零，可移动离子向两个电极的移动会相互抵消，所以净距离也会为零，然而，当施加电压的平均值不为零时，离子会趋向其中一个电极运动，一直移动到液晶与取向膜的界面，而被攫取在此界面上，这些被攫取在界面上的带电离子，会与另一电极上相反极性的电荷形成内部电场，这个内部电场会与外加电压形成的电场加成，而一起影响液晶的排列与穿透度，使得T-V曲线改变，即使完全不施加电压时，液晶的排列也会因内部电场而变得与原始排列状态不同，这样的情况，即被称为“直流残

9、留”。 第12页，共113页。直流残留最明显的效应是，以TN型液晶显示器为例，若以直流电压驱动，白底部分不需加电压，黑色图案部分则需施加电压，经过一段时间后，施加电压的黑色部分，离子已被攫取在界面上，而未施加电压的白色部分，离子并未向界面移动，此时施加相同的电压，原本期望会显示出灰阶相同的全灰色画面，但黑色部分由于直流残留的内部电场而改变了施加电压的效果，在灰色画面中可以看出之前的画面图案，也可以说是前一画面留下了残影，这样的现象是不希望在显示器中发生而要极力去避免的。第13页，共113页。为了避免直流残留发生，必须使施加电压的平均值为零，第一步便是使驱动电压要有正极性和负极性的，也就是极性反

10、转，这是极性反转的第二个原因。不仅如此，除了要有极性反转之外，还要使正负极性的平均值相互抵消，换言之，所施加的电压不能有直流的成分，不管直流的成分是正是负，都会造成直流残留，而且，直流的成分愈大，产生直流残留的时间就愈短，效应就越明显，以下图电压波形为例，计算其平均值：第14页，共113页。 我们知道，液晶上的电压像素电压共电极电压，真正决定液晶排列的是液晶上的跨压，所以要使施加电压的平均值为零，有两种做法，一是改变所有像素施加电压，以上图波形为例，可将所有电压降下0.5V，得到电压平均值：VVAVERAGE5 . 06/36/121201VVAVERAGE06/5 . 15 . 15 . 1

11、5 . 15 . 05 . 0第15页，共113页。顺便计算其均方根值： VVRMS2583. 16/ 5 . 96 /5 . 15 . 15 . 15 . 15 . 05 . 02/ 12/ 1222222（2） 比较（1）和（2）式发现，虽然将所有电压降下使平均值改变了0.5V，方均根值却只差了0.096V，比平均值的改变小了5倍，可知方均根的效应，有降低电压绝对误差的效果。第二种做法，是改变共电极电压在上图波形中，皆是以0V为相对参考点，若是将共电极电压参考值由0V改为0.5V，电压平均值为： VVAVERAGE06/5 . 015 . 025 . 015 . 025 . 005 . 0

12、1其结果与第一种做法中的平均电压结果相同，这就是公共电极电压补偿的观念，在以后的章节中会进一步讨论相关内容第16页，共113页。4、像素阵列反转的方式 如上面所述，每个像素液晶本身必须以极性反转的方式来驱动，但就像素阵列而言，在阵列中的相邻像素，却不一定要以相同的极性来驱动，因此常见的像素阵列极性反转的方式有图框反转（帧反转），行反转，列反转和点反转等四种。在一个图框开始写入之前，如果整个图框上的像素所储存的电压极性都是相同的，即称为图框反转；若是同一栏（列）上的像素所储存的电压极性都是相同的，且左右相邻的栏上的像素所储存的电压极性相反，即称为栏（列）反转，若是同一行上的像素所储存的电压极性都

13、是相同的，且上下相邻的行上的像素所储存的电压极性相反，即称为行反转，若是每个像素所储存的电压极性，都与其上下左右相邻的像素所储存的电压极性相反，即称为点反转。第17页，共113页。TFT LCDs Driving Method1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines 1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+ + + + + + + + + + + + +1 2 3 4 512345Fram

14、e N+1 ColumnsLines + + + + + + + + + 1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+ + +1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1 2 3 4 512345Frame NColumnsLines+ + +1 2 3 4 512345Frame N+1 ColumnsLines+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +Column InversionDot InversionRow Inve

15、rsionFrame Inversion第18页，共113页。第二节 充电 依据TFT的操作方式，除了时间上的先后顺序外，对于每一行或每一个像素而言，其动作都是一样的，即“充电”“保持”“放电”（反充）“保持”。本节首先来详细讨论“充电”的过程。1、充电电流2、充电时间3、驱动电压的范围第19页，共113页。 由公式 ，就一个特定液晶电容而言，其电容值是已知的，其操作电压范围也是已知的。TFT的操作，即是以一电流 ，在小于特定的充电时间 内，将所需充电的像素电容 ，充电或放电 的电压范围，因此，就充电而言，要求： 以下就电流，充电时间和电压范围加以详细说明。CdVIdtdQechIargech

16、dtargechCargechdVargechechechechdVCdtIargargargarg第20页，共113页。1、充电与放电电流 像素电位的设定，在显示器运作的过程中，并不是由零电位开始（只有刚开机时才是），而是由前一次更新时所设定的电位开始，由上节的讨论可知，所要设定的像素电位，其极性需与前一次更新时所设定的电位极性相反，当前一次的极性为负时，所要设定的电位极性便是正的，因此，需要对液晶电容做“充电”，而当前一次的极性为正时，所要设定的电位极性便是负的，此时便需要对液晶电容做“放电”。 在TFT-LCD的操作中，无论充电或放电，都是将TFT的栅极设定在一个电压以使其导通，来提供所

17、需的电流，将像素电位设定到与数据线（资料线）上等电位，在这个充放电的过程中，数据线上的电位是对应所要显示的灰阶而设定在一定的电压，由数据驱动IC的输出端来对数据线第21页，共113页。 与像素电极充放电，而像素电极上的电压，会随着充放电的过程而逐渐接近数据线上设定的电压值，由充电电流公式（补充），可以知道，随着像素电极电压值接近数据线的电压值而使 得变小，充放电的电流 也会跟着降低，而并不是以定电流对像素电极充放电。 另外，在前面，都是以较低电位作为源极电压 ，而以较高电位作为漏极电压 ，而资料线对像素电极充放电，并不一定总是资料线较高。来比较一下充电和放电两种情况，当放电时，前一次的像素极性

18、为正，而资料线上所设定的电位极性是负的，因此，像素电极为漏极电压 ，而资料线电极为源极电压 ，由于放电过程中资料线电压为定值，所以栅极源极电压 亦为定值。而当充电时，前一次的像素极性为负，资料线上所设定的电位极性是正的，因此，像素电极为源极电压 ，而资料线电极为漏极电压 ，由于像素电极会随着充放电VdsIdsVsVdVdVsVgsVsVd第22页，共113页。 过程而增加而并非为定值，所以栅极源极电压 会因为源极电压 的增加而变小，造成充电时电流降低的情况，要比放电时严重，因而需要更充足的充电时间。基于此，设计时需要考虑这个问题。VgsVs第23页，共113页。2、充电时间 以一个有M条水平行

19、的显示器而言，每个行上的开关，最多仅会开启整个画面更新时间的1/M，画面更新频率越快，水平扫描线数越多，则充电时间越短，举例而言，画面更新频率为60Hz，而有1024条水平扫描线，则每行的开启时间为1/60/1024=16.3微妙，然而，事实上，真正的充电时间并不到16.3微妙。 首先配合视讯资料的传送时间，在完成一次画面之后，下一个画面的资料并不会立即送到面板，而会留下一段空白的时间；类似的，在完成一列像素资料写入之后，下一个像素资料写入并不会立即进行，亦会留下一段空白的时间，这个空白的时间需依所采用的视讯系统标准而定，如图为某一种视讯标准，定义出各图框与扫描时间的长度，由表中可查知每条扫描

20、线的时间为15.6微妙，略小于16.3微妙，对应到相当于1066条扫描线的时间。其次，由于信号的延迟效应，需要提早发送关闭信号，使真正有效的充电时间缩短。 第24页，共113页。第25页，共113页。3、资料驱动IC的电压范围 前面章节中，我们说明了TFT-LCD的灰阶设定方式，资料驱动IC需要精确控制电压来设定灰阶，举例而言，6-bit（2664灰阶）驱动所需的最小灰阶控制电压，约为30mV左右，而8-bit（28256灰阶）驱动所需的最小灰阶控制电压，约在8mV左右。当然，这个最小电压与液晶的电压穿透度特性有绝对的关系。资料驱动IC需要提供这样微小的电压控制，所以一般把资料驱动IC视作类比

21、型的IC。在实际的TFT-LCD中，为了要达成极性反转，以一般的液晶需要5V驱动为例，会把共电极的电压设定在5V左右，正极性的电压设定在510V，而负极性的电压设定在05V，因此，资料线上最大的充电电压范围为010V，当然，这个范围会随所使用的液晶驱动电压而稍有不同，如IPS模式和MVA模式的液晶便需要较大的电压，其资料线上最大的充电电压范围将扩大为014V左右。第26页，共113页。共电极电压调变 利用“共电极电压调变”的方式，可以降低资料驱动IC的输出电压范围。其操作原理说明如下： 当液晶像素需要写入正极性时，将共电极电压设定在0V左右，此时，资料驱动IC的输出电压，依灰阶不同而在05V的

22、范围内，即可将画素电压设定在+0V至5V的范围，而当液晶像素需要写入负极性时，将共电极电压设定在5V左右，此时，资料驱动IC的输出电压，依灰阶而不同，但也在05V的范围内，例如，要在像素电极写入0V，则将资料驱动IC的输出电压设定在5V，如此，像素电压资料线上电压共电极电压（55）V0V；要在像素电压写入5V，则将资料驱动IC的输出电压设定在0V，如此，像素电压资料线上电压共电极电压（05）V，因而即可将像素电压设定在0V至5V的负极性范围，如图所示，前一幅图为直流共电极驱动第27页，共113页。 方式，资料驱动IC的输出电压范围大，而后一图为共电极驱动方式，可将资料驱动IC的输出电压范围缩小

23、为直流电压驱动的一半。V0V1V2V3V4V5V6V7V7V6V5V4V3V2V1V01 Frame / 1 Line第28页，共113页。V0V1V2V3V4V5V6V7V7V6V5V4V3V2V1V0第29页，共113页。共电极电压范围 为了使液晶电压正负极性对称以避免直流残留效应，共电极电压应设定在资料线电压的对称中心，然而，由于寄生电容效应，使画素电压在TFT关闭时，受到栅极电压变化的影响，而偏离由资料线所写入的电压。为了补偿这个电压变化，共电极电压会调校到比资料线电压的对称中心低的电压值，若资料线电压的电压范围为010V而对称中心在5V，直流共电极电压一般会设定在4.8V左右，亦即有

24、0.2V左右的共电极电压补偿，若此补偿设定的不对，会产生直流电压和直流残留效应，因此，在共电极电压调变下，共电极电压应该在0和5V之间交互切换，但此时同样也要考虑电压耦合效应，因此要修正共电极电压补偿至0.2V和4.8V的切换 第30页，共113页。扫描驱动IC的电压范围 由上面的讨论，每条扫描线只开启一小段时间，在这段TFT打开的时间内，需要提供足够的电流来对画素电容充电，所以要使栅极源极电压大于TFT的截至电压到一定程度，这个电压的设定会与所用栅极绝缘层和所设计的TFT尺寸有关，一般而言，栅极源极电压通常会设定到10V以上，而我们知道，TFT是以较低电位作为源极电压Vs，而以较高电位作为漏

25、极电压Vd，因此在TFT-LCD操作时，栅极源极电压并非定值，有可能源极电压Vs和漏极电压Vd都在接近10V的情况，所以栅极电压Vg通常会设定在20V以上，以使大于10V。 另一方面，为了关闭TFT，需使栅极源极电压小于TFT的截至电压，在共电极直流电压驱动时，源极的最低可能电压为0V，栅极电压要设定在0V以下；而在共电极为电压调变驱动时，画素电压可能会被下拉至5V，因此，栅极电压要设定在5V以下。第31页，共113页。第三节 电位保持 在完成充放电的动作之后，即将TFT关闭，直到下一次再被扫描线打开，一般扫描线的重复频率为60Hz，对应到电位保持的时间为16.67毫秒，理想上，画素电位在充放

26、电期间设定后，可以一直保持在所设定的电压，但实际上，像素电压由于会受到两大主要因素的影响，而使得所设定的电压有所变化，而造成液晶电容上所施加的RMS电压值改变，影响到穿透度。这两大因素就是漏电流和电容耦合效应。本节先来讨论漏电流对电位保持的影响。电位保持的考量，就是要确保漏电对电位和穿透度的影响程度，要小于“可以接受的范围”。 关于这个“可以接受的范围”，最终的根据，是使用者不能看出显示的缺陷。但由于许多视觉效应的影响，并没有办法做明确的规定。一个相对比较可观的的参考设计规格，是视讯资料信号的最小电压差别。如6位的显示器资料驱动最小信号差别是30mV，而8位的则为8mV。 第32页，共113页

27、。漏电对电位造成的影响，要求漏电流 ，在下次写入的电压保持时间 内，在保持画素电压的画素电容 上的电压变 化，不可大于驱动信号的最小电压差别 ，因此就电位保持而言,要求：leakIholddtholdCholddVholdholdholdleakdVCdtI其中保持时间，液晶电容以及电压的变化都可认为是已知的，那么引起像素电压变化就和漏电流有关，该漏电流是指从液晶电容的像素电极而产生的漏电流，产生漏电的途径有许多条，这里先来讨论最重要的两条漏电途径，即液晶电容本身的漏电和TFT的漏电。第33页，共113页。一、漏电的途径1、液晶电容漏电 纯净的液晶材料本身的阻值很大，可视为绝缘，但液晶材料在合

28、成，储存和填入的玻璃间隙过程中，往往会有杂质掺入，而导致其电阻降低，考虑这个电阻效应，可将液晶电容的等效电路，再并联上一个电阻 ，如LCR在电路中我们已经知道，对于电容上的电位 LCV会以指数的方式下降： LCLCLCLCCRtVV/exp)0(第34页，共113页。其中 )0(LCV为一开始液晶电容上储存的电压，t为时间。 假设液晶电容平行电极面积为 LCA，间距为 LCd，介电常数为 LC，液晶阻值 LC，那么时间常数 LCLCCR为 LCLCLCLCAdR/)/(0LCLCLCLCdAC0LCLCLCLCCR一般液晶的介电常数 约为312左右，在早期液晶制程不成熟的时候，液晶阻值会低到

29、，假设液晶电容存储的电压是3V，此时液晶的介电常数为7，计算在这样的情况下的时间常数，得到： LCcm1110mscmFcmCRLCLCLCLC62)/1085. 8(7)10(14110第35页，共113页。 在16.67毫秒的保持时间内，液晶电容上储存的电压依公式计算，会变成 产生了0.7V的差别，因而会造成穿透度的明显变化。 现今的液晶制程已十分成熟，液晶阻值 可以提高到 左右，因而时间常数可提高到6.2秒，液晶电容上储存的电压在16.67毫秒的保持时间内变成 所产生的电压变化，只有8mV，便可以符合电位保持的要求。VmsmsVVLC293. 262/67.16exp)3(LCcm131

30、0VsmsVVLC992. 22 . 6/67.16exp)3(第36页，共113页。2、TFT的漏电 另一个可能的漏电途径，是作为画素开关的TFT，TFT在栅极施加负电压的情况下，仍会有 安培的漏电流 以一个对应到17吋 的次画素大小 为例，其液晶电容约为 TFT漏电流所造成的存储电压变化为： 由这样的漏电流所造成的电压变化范围，看来恰在可接受与不可接受之间，要注意TFT的漏电流也象开电流一样，并不是定值，而会随着栅极-源极电压和漏极-源极电压而变，另外要注意的是，当TFT面板实际操作时，是一直就 处在受到背光源照射的情况，当非晶硅材料被光照射的131210SXGAmm88264pFmmmc

31、mFdACLChold288. 05/88264/1085. 87/140mVpFmsACdtIdVholdholdleakhold78. 58 .57288. 0/67.161010/1312第37页，共113页。 时候，会产生电子-空穴对，造成漏电流增加，这样就无法满足电位保持的要求了。3、漏电路径的比较 液晶电容的漏电路径，是由画素电极漏电至共电极，而TFT的漏电路径，是由画素电极漏电至资料线，因此，前者的漏电，所造成的一定会是施加在液晶电容上的电压变小，会使得显示器的对比降低，而后者的漏电，却会与资料线上的电压有关，资料线上电压随着视讯信号和极性反转而设定，使显示器产生垂直串音的现象。

32、 第38页，共113页。二、存储电容 降低液晶电容和TFT的漏电流，当然是使电位保持最直接有效的方法，问题是，如果材料上和制程上都已尽力降低漏电流，但仍无法满足电位保持的要求时，是否还有其它方法来进行电位保持呢？举例来说，如果有会漏水的水桶和水龙头，如何保证这个水桶的水位呢？可以和这个水桶再连通一个不会漏水的水桶，这个再连通的水桶，可以帮助再储存水，在相同的漏水情形下，可以帮助保持水位。第39页，共113页。第40页，共113页。 同样观念，可以用来帮助保持电位，亦即和液晶电容并联一个不会漏电的电容，因为这个电容是用来帮助存储电荷的，所以这个电容被称为“存储电容”。举例来说，如果0.288pF

33、的液晶电容，再并联上0.288pF的储存电容 ，那么 即可使漏电流所造成的电压变化量减小，增加电位保持的能力。 这样看来，存储电容是否大一些较好呢？事实并非如此。第一，存储电容的增加意味着占用像素电极ITO的面积越大，且存储电容的部分是不stCmVpFmsACdtIdVholdleakhold79. 29 .27576. 0/67.161010/1312第41页，共113页。 透光的，如果存储电容放的越大，便会有更大的面积的光被遮去，而使得开口率下降。第二，存储电容是和液晶电容并联的，在充电时，需要对两个电容同时充电，存储电容太大会使得两个并联电容增加而导致充电能力不足。 存储电容是影响TFT

34、-LCD面板特性的重要因素，如何适当的设计存储电容的大小是一项非常重要的课题。第42页，共113页。1、存储电容参考电位的选择方式 存储电容的一端是像素电极，而另一端的选择即参考电压可以与液晶电容相同，也可以另外选择其他的电极， 不同的选择是否会影响存储电容的功能呢？看下图，和上页图比较，不同的地方在于存储电容的底部高度不同，但底部高度都是固定的，只要在操作时，水位的变化不低于底部的高度，是不会影响到其帮助保持水位的能力，因此，对应到存储电容，其参考电压的选择只要固定，就不会影响其帮助保持电位的能力。第43页，共113页。第44页，共113页。（1）上板共电极与下板共电极 （2）储存至另一个固

35、定电压 所有的液晶电容都是夹置于下板的像素电极和上板的共电极之间，一般如果存储电容也参考至公共电极，而其公共电极却处于下板的最下层，因此上板共电极与下板共电极，由于液晶的阻隔，在画素阵列中，并不会直接相连在一起，必须在画素阵列之外，以导电胶将上板与下板的共电极连接起来。 除了和上板电极连通以外存储电容也可以参考至另外一个固定电压，这样，参考电极仍然会处于下板的最下层，只是不与上板电极相连接，而是由系统另外提供一个电压。第45页，共113页。（3）储存至相邻扫描线 无论是参考公共电极还是另外的固定电压，都必须在画素中另外布上共电极线，连接到画素阵列之外。既然存储电容要求参考到一个“固定”的电压，

36、可以考虑扫描线是否能够作为参考电极，扫描线在绝大多数的时间都是固定的，只有被扫描的那一刻会有波动，那么这一小段“不固定”的部分，对电位和穿透度的影响程度，如果小于可以接受的范围，那么扫描线就是可以充当存储电容的参考电极的。一般而言扫描线的线数越多，扫描线开启的时间比例越低，对画素电压所造成的影响就越小，因此，这种方式对于高解析度的面板而言是可行的。第46页，共113页。(a)参考至公共电极 (b)参考至固定电压(c)参考至相邻扫描线 第47页，共113页。三、其它的漏电效应 还有一些漏电效应，是因为制程上的不良所造成的漏电，这些漏电会造成显示器上的缺陷，由于缺陷发生的位置只在面板上的画素点上，

37、故称为点缺陷，点缺陷的类型主要有：1、漏电至扫描线 如果画素电极漏电至扫描线，画素电极会因为 此漏电而接近扫描线上的电压，由于扫描线上的电压在大部分的时间，是设定在使TFT关闭的电压扫描线上的电压会比共电极电压小5V以上，所以画素电压会比共电极电压小5V以上，就常白模式而言，这个画素会成为一个暗点，反之，就常黑模式而言，这个画素会成为一个亮点。第48页，共113页。2、漏电至共电极 如果画素电极漏电至公共电极，画素电压会因为此漏电而接近共电极的电压，所以，施加在液晶电容上的电压，会因为画素电极接近共电极电压而变为0V，就常白模式，该点会成为一个亮点，就常黑模式而言，这个画素会成为一个暗点3、漏

38、电至资料线 如果画素电极漏电至资料线，由于资料线上的电压是随视讯信号以及极性反转方式而定，画素电极不一定会变大或变小，所以这种形式的点缺陷，不一定是亮点或暗点，而是会变化。第49页，共113页。4、画素之间的漏电 如果是画素之间的彼此漏电，则与其相关位置不同与漏电程度而有所差异，如果是上下相邻的画素，在漏电严重的情况下，上方的画素会在其扫描线关闭后，而在下方扫描线打开时，受到下方资料线视讯信号写入，变成与下方画素一起联动，而下方画素则因为液晶电容和存储电容加倍而可能充电不足。如果是左右相邻的画素，其扫描线是一起开闭，与漏电至资料线的情况相似，缺陷不一定一直存在。第50页，共113页。第四节 电

39、容耦合效应1、电容耦合原理 先看一个例子。假设有4个水杯，各个水杯是连通的，忽略连通管的体积，一开始各个水杯是静止的，各水杯的水面高度是相同的，在某个瞬间，将其中一个水杯提高，由于被提高的水杯水位比别的水位高，水会向其它水杯流出而使该水杯的水位下降，其他水杯则会因为水流入而使水位上升，最后，各水杯中的水位会再度相同，但是现在的水位比操作前是向上提升了。第51页，共113页。第52页，共113页。计算方法1：按照图中举例的数字，计算一下水位最后的变化量：在水杯中所储存的水量为Q，等于水位高度乘以各水杯底面积值，即：32222)100/ )2321(2)0(3)0(2)0(1)0(mDCBAmcm

40、DmcmCmcmBmcmA假设B向上提升了20cm，最后的水位为X，此时，所有水杯储存的总水量为：33222224 . 0)100/ )2321(82)(3)(2)20(1)(mmDCBAmXmcmDXmcmCXmcmBXmcmAX由于没有水流入或流出的路径，因此，提升前后的总水量是相同的，则有：第53页，共113页。可得： 33234 . 0)100/ )2321(8)100/ )2321(mmDCBAmXmDCBAcmmmX58/4 . 023计算方法2：更简单的计算方法可以直接确定水位的变化量：在变化过程中，只有底面积2m2的水杯提高了20cm，比原水位高的水量是： 324 . 0202

41、mcmm这些水量再分配到各个水杯中，使各个水杯的高度增加了： cmmm52321/4 . 023第54页，共113页。 在上面的计算过程中注意到，如果要知道水杯中水量的总和的话，需要知道每个水杯杯底的高度，但如果关心的只是水位的变化时，其实并不需要知道每个水杯杯底的高度，因为即是杯底高度不同，只要是固定的，就不会影响水位的变化量，而且如果把刚才的动作反过来，即把水杯往下降，计算方法也是一样的。 结论：无论上升还是下降，在这个过程中，有两个特点值得注意：第一，在变化前后，总水量是不变的。（水量守恒）第二，在变化前后，无论底部在那里，无论面积是多少，水位高度总是会达到一致。第55页，共113页。2

42、、电容耦合效应将上述原理运用于电路中，以水位代表电位，水量代表电荷量，看一下图中的情况，图中各个电容的其中一个电极是连通的，一开始在各个电容上的电压是固定的，因此，在连通的电极上电位是相同的，在某个瞬间，将其中一个电容的另一个电极电位降低，由电路学中我们知道，电容上的电压必须是连续的，在此瞬间，被降低电极电位的电容，在连通电极上的电位比较别的电容在连通电极上的电极低，而连通电极上的电位应该是要相等的，因此，电荷会自其它电容流出而使电位向下降，被降低的电容电位则会因为电荷流入而使电位向上升，最后，联通电极上的电位会再度相同，但电位会比原来的情况向下降低了。第56页，共113页。以图中所举的数字为

43、例，在电容上所储存的电荷Q，等于电容上的跨电压V，乘以该电容值C，所以，连通电极上储存的电荷总量为：pCDCBApFVDpFVCpFVBpFVA)2321 (2)0(3)0(2)0(1)0(假设电压下降了20V，最后的连通电极电位为X，连通电极上储存的总电荷量为：第57页，共113页。pFpCDCBApFXpFVDXpFVCXpFVBXpFVAX40)2321 (82)(3)(2)20(1)(由于电荷没有流入或流出的路径，共同连通电极上的电荷不会增加或减少，因此，电压B下降前后的连通电极上储存的总电荷量是相同的，即：pFpCDCBApFXpCDCBA40)2321 (8)2321 (所以： V

44、pFpCX58/40除此以外，也可仿照上面直接计算电荷变化量：电容值2pF的电容下降了20V，比原电位时的电荷量变化了第58页，共113页。pCVpF4 . 0202这些减少的电荷量会再分配到各个电容中，使各个电容在连通电极上的电位变化了VpFpC52321/4 . 0这种情况就叫做“电容耦合效应”，可以看到，电容耦合效应的的前提是“电荷量守恒”，电荷没有流入或流出。一旦电荷有流入或流出路径，这些电荷增减量，也会影响连通电极的电位，就不能仅仅考虑“电容耦合效应”。 第59页，共113页。 从这个例子中可以看出：在电路中，电容耦合效应的发生有两个基本条件，即“电荷守恒”和“具有公共连通电极”。那

45、么在电路中就会出现“牵一发而动全身 ”的效果。那么在TFT-LCD中，对于每一个画素，在其等效电路中，在什么时刻，在哪一部分会出现电容耦合效应呢？电容耦合效应会带来什么影响，如何解决它所带来的影响呢？根据电容耦合的特点，第一，电荷保持不变，那么就要求这部分电路和外界断开联系，我们知道，当TFT关闭以后，液晶电容和存储电容就要进入保持状态，和外界不能有电荷流动；第二，要有连通电极，在TFT关闭后，画素电极至少连接了我们已知的两个电容，这样，在TFT关闭时刻，和画素电极相连的电容就会满足电容耦合的条件，那么，首先来看一下，除了已知的液晶电容和存储电容外，和画素电极相连的还有没有其它的电容呢？第60

46、页，共113页。3、画素中的电容当TFT处于关闭时，忽略上节所述的漏电流，在画素中的画素电极，就进入了所述的“电荷守恒”状态，而由于画素电极是作为控制液晶电压的电极，占了画素面积的大部分，有许多与此电极相关的电容，参照画素布局图，对相关的电容作讨论。Pixel layer第61页，共113页。Pixel layerContact Hole層 (Passivate)GateCs電極半導體層基板Gate絕緣層Source電極Drain電極ITOChannel (W/L)A第62页，共113页。液晶畫素TFTGate LineData LineCsCs液晶畫素TFTCommonCommonGate

47、LineData LineCsCs Cs on CommonCs on Gate第63页，共113页。（1）TFT本身的寄生电容（Cgs） 从TFT的结构了解到，栅极线与源/漏极都有重叠，而它们之间是以绝缘层相隔，因此，在栅源之间（Cgs），栅漏之间(Cgd)都会有寄生电容，这里仅考虑连接至画素电极这一侧的电容。而我们知道，TFT的源极和漏极是随着资料线和画素电极的正负互换并不是固定的，所以在有些文献中，这两个电容是可以互用的，但指的都是连接至画素电极这边的电容。因为只有画素电极会进入“电荷守恒”状态而有电容耦合效应，而至于连接至资料线的TFT的寄生电容，不会进入电荷守恒，所以不会考虑电容耦合

48、效应，但是会考虑其驱动负载效应。 第64页，共113页。（2）画素电极与扫描线间的寄生电容A、画素电极与本身扫描线之间的电容（Cpg）在有画素电极存在的区域，才可以控制液晶的转动来设定画素亮度，而没有画素电极的地方，由于无法施加电压而控制液晶的穿透度，所以必须加以遮蔽，除了前面所述的黑色矩阵外，有时会利用将画素电极与本身扫描线设计成有部分重叠，以扫描线来遮蔽，由于黑色矩阵是置于另一片彩色滤光片基板上，与画素电极的对准误差较大，需要较大的遮蔽范围，而扫描线是与画素电极在同一片TFT基板上，可以精准的遮蔽，因而可以得到较大的开口率，这样的做法，称为“内建型黑色矩阵”，由于画素电极与扫描线在制程上是

49、有绝缘层阻隔的二者之间并不会形成短路，但是会形成寄生电容。第65页，共113页。B、画素电极与相邻扫描线之间的电容（Cpg ）同样，若以相邻扫描线作为内建型黑色矩阵，亦会产生寄生电容。第66页，共113页。(3) 画素电极与资料线之间的电容A、画素电极与本身资料线之间的电容（Cpd）就传统的制程而言，画素电极与本身资料线间是不会产生寄生电容的，如果将资料线做成内建型黑色矩阵，则有可能会在两者之间加绝缘层，此时就会产生寄生电容。B、画素电极与相邻资料线之间的电容（Cpd ）画素电极与相邻资料线间的电容和上面所述一样，只有当资料线充当内建型黑色矩阵时，该寄生电容才会存在。第67页，共113页。4、

50、造成信号延迟与驱动负载的寄生电容还有一些画素中的电容，虽不会与画素电极有关而产生电容耦合效应影响画面，但是会造成信号延迟与驱动负载。（1）TFT本身的寄生电容（Cgd）除了上面提到的一端连接至画素电极的寄生电容以外，另一端就是栅极与资料线电极之间的寄生电容，因为两端各自会连接至资料线和扫描线的外部电压上，会成为资料线的驱动负载和扫描线的驱动负载。第68页，共113页。（2）资料线和扫描线之间的重叠（Cx1）资料线和扫描线，各自在垂直方向上和水平方向上贯穿整个画素阵列，因此在每个画素上会有交错跨越的重叠面积，而形成寄生电容，这个电容也会成为资料线的驱动负载和扫描线的驱动负载。(3) 资料线和下板

51、共电极线的重叠（Cx2 ）资料线和下板共电极线，各自在垂直方向上和水平方向上贯穿整个画素阵列，因此在每个画素上会有交错跨越的重叠面积，而形成寄生电容，这个电容也会成为资料线的驱动负载和下板共电极线的驱动负载。如果画素是Storage on gate设计，则不会有这个电容。第69页，共113页。（4）与上板共电极间的寄生电容（Cd0 ，Cg0 ）想象一下，在整个的上板和下板之间，上板是布满的ITO，除了液晶电容以外，下板只要有电极的地方都会形成寄生电容，这些电容也会成为资料线的驱动负载和扫描线的驱动负载。第70页，共113页。5、加入电容的画素等效电路 讨论了这些电容以后，将这些电容也纳入画素等

52、效电路中，与画素电极相连的电容，共有接至下板共电极的存储电容Cs，接至上板共电极的液晶电容Clc，TFT的寄生电容Cgs，接至自身资料线的电容Cpd，接至相邻资料线的电容Cpd，接至本身扫描线的电容Cpg，接至相邻扫描线的电容Cpg，需要考虑这些电容的电容耦合效应。若未采用内建型黑色矩阵的TFT设计，则Cpd，Cpd，Cpg，Cpg的值甚小而可以忽略。 而负载电容包括：扫描线和资料线之间的电容Cx1，下板共电极和资料线之间的电容Cx2，TFT的寄生电容Cgd，资料线和上板共电极之间的电容Cd0，扫描线和上板共电极之间的电容Cg0第71页，共113页。这样画素的等效电路如下图所示：和画素相关的电

53、容有： Cs， Clc， Cgs， Cpd， Cpd， Cpg， Cpg驱动负载电容： Cx1， Cx2， Cgd， Cd0，Cg0第72页，共113页。6、扫描线对画素电极的电容耦合效应在电荷守恒的前提下，扫描线上的电压变化为 onoffVV则画素电压的变化量 V为 pdpdpgpggdLCspggdONOFFCCCCCCCCCVVV)(忽略Cpd，Cpd，Cpg，Cpg，则得到： gdLCsgdONOFFCCCCVVV)(第73页，共113页。Gate 打开Qn=Cgs(Vn-Vg)+Cst(Vn-Vst)+Clc(Vn-Vcom)+Csp(Vn-Vs)(1)Gate 关闭Qn=Cgs(V

54、n-Vg)+Cst(Vn-Vst)+Clc(Vn-Vcom)+Csp(Vn-Vs)(2)(1)-(2)0=Cgs(Vp-Vg)+Cst(Vp)+Clc(Vp)+Csp (Vp - Vs)totalgsoffonpgsgspssplcstgsspsgsgpCCVVVCVCVCCCCCVCVV小很多，可忽略比一般 CgsCstClcCsp电荷守恒电荷守恒附：直接计算法第74页，共113页。 这个电压变化量会与 的变化成正比，与TFT的寄生电容成正比，而与TFT的寄生电容，存储电容和液晶电容的总和成反比。 onoffVV 再次强调，在电荷守恒的前提下，当TFT由关变开的时候，便开始做充放电的动作，此

55、时画素电极与资料线之间有电荷的流动，并非电荷守恒，但是，当TFT由开变关的时候，画素电极上的电荷不再流动至资料线，因而进入“电荷守恒”的状态而发生电容耦合。这个变化量，会使得由资料线写入所设定的画素电压，在TFT关闭后有所变动，这个变动电压有两个效应，一是使画素最后所显示的灰阶，偏离原来写入电压所希望表现的灰阶，二是使原来资料线写入正负极性大小对称的电压，向下偏离，而产生直流残留效应。第75页，共113页。VCVCOMT1vv第一圖場第二圖場一圖框T2VGVIDVP(a)驅動波形圖v第76页，共113页。7、解决扫描线电容耦合效应的方法（1）减小变化量我们可以找出减少变化量的几个方向：首先是降

56、低 ，但需考虑如中所述的电压范围，无法降得太多。其次是降低TFT的寄生电容，但需考虑TFT开电流特性需求。最后是增加储存电容和液晶电容的总和，其中增加液晶电容量是比较不合适的，原因之一是液晶电容是由画素面积大小和所选择的液晶介电常数而决定，前者依据产品规格而定，后者会以光学特性的考量为主，不会因为电容需求而作选择。所以最有效减少变化量的方法，是增加储存电容，而增加储存电容会使开口率变小。储存电容可以减少因电容耦合效应而产生的电压变化量，这便是储存电容的第二个角色 。ONOFFVV第77页，共113页。（2）资料线电压补正 资料线的电压是由驱动系统，根据所要显示的灰阶来设定的，可以将因电容耦合效

57、应产生的电压变化量 预先设置于驱动系统中，根据所要显示的灰阶定出所希望的画素电压V，再将电压变化量 加在所希望的画素电压上，设定在资料线上，如此真正写入画素的电压会是 ,在经过TFT关闭时的电容耦合效应，画素电压会变成 ,即是所要显示的灰阶所对应的画素电压。VVVVVVVV第78页，共113页。（3）共电极电压补偿真正决定液晶排列和穿透度的，是液晶电容上的跨压 ，它是画素电压 与共电极电压 的差，即 ，只要 是定值，并不会影响电荷存储和电容耦合效应，既然写入的画素因电容耦合而变成 ，把共电极电压也设为 ，这样，液晶电容上的跨压变成与上面的结果相同，这就是前面提到的共电极电压补偿，它只能解决部分

58、问题，主要原因是液晶电容是可变的。 LCVPIXELVCOMVCOMPIXELLCVVVCOMVVVPIXELVVCOM COMPIXELCOMPIXELLCVVVVVVV第79页，共113页。8、液晶电容的影响我们知道，在 的表达式中，其他电容一旦确定都是固定不变的，采用何种补偿方法，对应的补偿电压也会确定，而液晶电容在工作过程中确是随着灰阶电压而改变，因此将上节公式修正为 VgdLCsgdONOFFCVCCCVVVV)()(液晶上的跨压是根据所要显示的灰阶而设定，所以， 会随所要显示的灰阶而改变，看下表，在不同灰阶下的变化量 。VV第80页，共113页。灰阶对应电压（V）CLC(pF)CS

59、(pF)Cgd(pF)VOFF-VON(V)V(V)资料线补正电压(V)正极性04.01.20.90.06 200.5564.55613.11.00.90.06200.6123.17222.60.90.90.06200.6453.24532.20.80.90.06200.6822.88241.80.70.90.06200.7232.52351.30.60.90.06200.7692.06960.60.50.90.06200.8221.42270.10.30.90.06200.9521.052负极性70.10.30.90.06200.9520.85260.60.50.90.06200.8220.

60、22251.30.60.90.06200.7690.53141.80.70.90.06200.7231.07732.20.80.90.06200.6821.51822.60.90.90.06200.6451.95513.11.00.90.06200.6122.4880.01.20.90.06200.5563.444第81页，共113页。由表可以看出，变化量 会随着灰阶不同而改变。其变动的最大值与最小值各为：VgdMINLCsgdONOFFMAXCCCCVVV,gdMAXLCsgdONOFFMINCCCCVVV,所以，变动的平均值和变动范围分别是：gdMAXLCsgdMINLCsgdONOFFM