摘要： TFT-LCD的显示效果和驱动因素密切相关。在对TFT-LCD的驱动机理论述后，分析研究了VCOM、VGH和VGL、DCLK、 HSYNC和VSYNC等各驱动信号号对图像显示效果的影响行为，并提出了得到最佳显示效果的解决方案，对TFT-LCD的良好应用具有重要的意义。

 

关键词：TFT-LCD  驱动机理   影响行为 

 

1        引言

 

2        驱动机理

中小尺寸TFT-LCD，一般采用Cs-on-Common的结构，单个TFT子像素的结构与等效模型如图1所示：

初始时，TFT断开，VP点电压为0，当VG=VGH时，TFT导通，VP点的电压很快就与VDD（Source线的电压）一致，当VG=VGL时，TFT关断，此时VP点的电压维持不变。通过改变Source线上的电压来控制加载在液晶上的电压，从而控制像素点的显示灰度。TFT-LCD的显示就是利用了TFT的这种特性。每3个子像素构成一个像素点，这三个子像素分别对应了Color Filter上的R，G，B三色点，从而实现单个像素点的彩色显示。各个像素点按不同阵列排布，就可实现不同分辨率的TFT-LCD。为了易于驱动，我们把每一行的TFT的栅极连在一起，并把每一列的源极接在一起。这样，Gate Driver按时间依次打开每一行的TFT，Source Driver对该行每个点的数据进行写入，从而实现整个TFT阵列的扫描，如图2。

 

以比较常用的PARELLEL RGB接口为例，说明TFT的驱动框图如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LCD Controller输出时序控制信号DCLK、HSYNC、VSYNC、DE，显示信息Data。Timing Controller把时序控制信号转换为驱动Gate Driver和Source Driver的驱动信号，驱动Driver在TFT-LCD上显示信息。通过DC/DC提供TFT工作的栅源电压VGH\VGL，通过VCOM电路提供COMMON电压。

 

3        驱动信号的影响

以PARELLEL RGB接口TFT-LCD为例，分析电源部分信号VCOM、VGH、VGL及时序控制信号DCLK、HSYNC、VSYNC、DE对TFT-LCD显示效果的影响。

3．1  VCOM对Flicker和灰阶的影响

由于液晶屏要求交流驱动，显示电压就分成了两种极性，一个是正极性，而另一个是负极性。当显示电极的电压高于common电极电压时，就称之为正极性。而当显示电极的电压低于common电极的电压时，就称之为负极性。同一灰阶，要求前后两帧显示电压相等，不管是正极性或是负极性。

 VCOM工作方式分为直流（COMMON电压一直固定不动的）和交流（COMMON电压不停变动），如下图：

Common电压直流（DC）驱动

 

 

Common电压交流（AC）驱动

Flicker的成因：同一灰阶前后两帧正负极性显示电压不相等。

VCOM是直流驱动方式时，当VCOM电压有偏差，使得相邻两帧正负极性的电压不一致（当然这种影响要足够大），就容易出现Flicker。适当调整VCOM的电压即可。

 

VCOM是交流驱动方式时，以0grayscale画面为例，在Frame N时加载到液晶上的电压是|V0-VCOML|，在Frame N+1时加载到液晶上的电压是 |VCOMH-V0|，理想的状态是|V0-VCOML|=|VCOMH-V0|，或误差对透过率的影响在人眼无法察觉的范围内，当VCOM中心值出现偏移，出现|V0-VCOML| 和|VCOMH-V0|偏差较大，同一灰阶在相邻两帧加载的电压差异较大，就出现FLICKER，消除FLICKER的措施就是调整VCOM中心值到理想状态，即调整VCOM的直流成分或同步调整VCOMH VCOML。

     VCOM是交流驱动方式时，VCOM 的幅值会影响灰阶亮度或对比度。象素电极的电压Vp确定，调整VCOM 的幅值(VCOMH+△V、VCOML-△V)，就可以调整显示电压（Vp-VCOM）。结合下图电光曲线可知，不同的显示电压对应不同的灰阶，显示电压的调整对应灰阶亮度变化。显示电压V0-VCOML对应0灰阶（全黑），显示电压V255-VCOML对应255灰阶（全白）。理论上，应适当调整VCOM幅值，使255灰阶/0灰阶显示电压在透过率要开始变化的电压点，此时灰阶区分度应该最好。在透过率变化小的区间（如小于255灰阶显示电压和大于0灰阶显示电压的区间），VCOM幅值增大对于255灰阶/0灰阶的亮度影响有限，但对于显示对于中间灰阶的影响还是比较大，对于Normally White工作模式的TFT-LCD，影响的趋势：增大VCOM幅值，各级灰阶变黑；减小VCOM幅值，各级灰阶变白。当VCOM幅值减小，出现VCOMH<V255 VCOML>V255时，显示情况比杂，到一定程度，会出现灰阶反转。

图3（TN型TFT-LCD在Normally White工作模式下典型的电光曲线，横坐标为显示电压Vp-VCOM，纵坐标为相对亮度）

     实际调试中，设定灰阶调试画面，VCOM的中心值和幅值配合调试，找到亮度和对比度的显示最佳点。

 

3．2  VGH/VGL对TFT-LCD显示效果的的影响

为说明VGH和VGL对TFT的影响，我们先了解TFT栅极对TFT特性的影响。

（图X）为TFT的转移特性曲线，它反映了TFT栅极对漏源沟道电流的调控能力。TFT工作涉及一个控制沟道电流重要参数：栅源电压，其作用就如控制水流量的水龙头。实际驱动中，以320*240分辨率的屏为例，帧频以60Hz计算，一帧画面240行Gate总的导通时间为16.7ms，每行Gate的导通时间为69us，各行轮流导通，任一时刻只有一行TFT开启，其于处于关闭状态。TFT开启时的栅源电压叫VGH （Gate On Power），关断的电压时的叫VGL （Gate Off  Power）。其典型值由PANEL厂商提供。

3.2.2VGH/VGL对亮度和对比度的影响

     我们测试了CMO的一款Normally White模式的TFT-LCD，厂商给定的Gate导通/关闭典型值电压是VGH=+15V，VGL=-10V。测试的项是在不同VGH\VGL下亮度和对比度，为的是进一步揭示VGH/VGL的作用。

    

 

上图可以看出，在VGL=-10V的条件下,从VGH=+12V~0V，全黑画面的亮度逐渐增加，并且增加的幅度越来越大，对比度也相应的下降。在VGH=0V的极端驱动条件下，对比度接近1，显示画面蒙，并且拖影严重。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

结合上图，在VGH=+15V条件下，从-6V到0V，全黑画面的亮度逐渐增加，并且增加的幅度越来越大，对比度也相应的下降。在VGL=0V的极端驱动条件下，对比度接近1，画面有灰蒙竖条。原因主要是VGL偏高，非导通行未正确关断，SOURCE Driver的显示信号装载到显示行。

    但总的来看，在VGH在Type值±2V范围内，VGL在Type值±2范围内，显示效果的

3.2.2 Gate走线打开和关闭时产生的Feed Through对显示效果的影响

下图是CS On COMMON的TFT的在Gate走线打开和关闭时的等效模型

 

根据电荷守恒定律：

 

 

可推导出Feed Through电压（Vd2-Vd1）：

 

假设Cgd=0.05pF,而Clc=0.1pF,Cs=0.5pF且Gate走线从打开到关闭的电压为-25V (Vg2-Vg1=VGL-VGH,VGH=15V,VGL=–10)的话。则Feed Through电压为–25×0.05/ (0.05+0.1+0.5)=-1.92V.

   以6bit的分辨率而言,相临灰阶电压差约仅有30到50mV (若是8bit分辨率则仅有3到5mV而已)。因此Gate走线打开和关闭时产生的Feed Through电压严重影响灰阶。一方面，驱动时要适当的修正VCOM,消除Feed Through的影响；另一方面，要适当控制VGH-VGL，即为Gate走线打开和关闭时的电压差，减少Feed Through电压。

 

3．3 DCLK对TFT-LCD显示效果的影响

驱动PARELLEL RGB模块，要求LCD Controller输出的Timing和模块Timing Controller要求的Timing匹配。模块Timing Controller要求DCLK&DATA一般有如下：

DCLK&DATA关系一：DCLK的下降沿开始Set Up Data，上升沿Latch Data。

 

DCLK&DATA关系二：DCLK的上升沿开始Set Up Data， 下降沿Latch Data（日系模块以这种Timing居多）。

 

*上图TCLK=DCLK Period，TCL=DCLK High Time，TCH= DCLK Low Time；TDS=Step Up Time，TDH=Hold Time

    两者的DCLK的极性相反。如果LCD Controller输出的Timing和模块Timing Controller要求的时序不匹配，出现DCLK极性反的问题，就有可能出现数据丢失现象。从显示效果上看，有的模块个别像素不稳定；有的模块显示有残影；有的行反转工作方式的模块相邻行亮度不一致，效果上隔行有图像显示。解决办法是修改DCLK的极性，既可以在LCD Controller端，也可以在Timing Controller端。

3．4         VSYNC 、HSYNC和DE对TFT-LCD显示效果的影响

VSYNC：垂直同步信号；指示新的一帧图像的开始，控制图像垂直方向的位置；

HSYNC：水平同步信号，指示新的一行扫描信号的开始，控制图像水平方向的位置；

DE；数据输出使能；

 对照下图，相关参数说明如下：

Item		Symbol	Unit
HSYNC	Period	TH	DCLK
	Pulse Width	THP	DCLK
	Back-porch	THB	DCLK
	Display period	THD	DCLK
	Front-porch	THF	DCLK
VSYNC	Period	TV	TH
	Pulse Width	TVP	TH
	Back-porch	TVB	TH
	Display period	TVD	TH
	Front-porch	TVF	TH

 

主要从以下几点考虑VSYNC 、HSYNC和DE对TFT-LCD显示效果的影响：

3.41.VSYNC 、HSYNC和DE的电平极性

模块TCON一般在同步信号VSYNC 、HSYNC边沿（上升沿或下降沿）动作，如果同步信号的电平极性反了，上升沿变下降沿，下降沿变上升沿， TCON解出的Timing和显示信息不匹配，造成图像的偏移等问题。如果对于时序要求比较严的模块，还有可能有其它的显示问题。

DE信号分高电平有效或低电平有效。参考上图，垂直方向V DE和水平方向H DE的有效电平就如开了一个显示窗口，其余为Blanking Area，没有显示信息，大多显示黑屏。如果模块要求的DE信号为高有效，而驱动信号输入DE信号为低有效，模块显示黑屏。有模块DE信号内部Power Down，去除DE就可以显示图像了。

 

 

3.4.2. 同步信号的Pulse Width\Back-porch\Front-porch

同步信号的Pulse Width\Back-porch\Front-porch参数控制显示的Blanking Area(消隐区)，可以控制Active Area窗口和图像显示的位置。假设模块扫描方向从上到下、从左到右。结合上图，增大 HSYNC的Back-porch (THB)，图像右移；增大VSYNC的Back-porch (TVB)，图像下移。Front-porch主要控制Active Area。注意实际调试时要结合扫描方向来分析。

PARELLEL RGB接口可分为SYNC Mode、DE Mode和SYNC+DE Mode。SYNC Mode只须用VSYNC 、HSYNC和DCLK控制时序；DE Mode只须用DE和DCLK控制时序；SYNC+DE Mode起主要的是VSYNC 、HSYNC，DE只作为更精确控制图像显示。支持那种接口，主要取决于TCON。DE Mode下DE取代HSYNC\VSYNC作为同步信号。

4        结论

 

 

参考文献：

[1] Lei Zhu，2005年，《Modeling of a-Si: H TFT I-V Characteristics in the Forward Sub-threshold Operation》

[2] 高鸿锦 董友梅 主编，《液晶与平板显示技术》，ISBN978-7-5635-1397-0/TN·454

[3] 谢崇凯.TFT LCD液晶显示器的驱动原理