TFT_LCD源极驱动芯片逻辑部分设计与研究

M I CROPROCESS ORS

TFT -LC D 源极驱动芯片逻辑部分设计与研究

朱敏华,戴庆元

(上海交通大学微纳科学技术研究院,上海200030)

　　摘　要:主要介绍了位SXG A TFT -LCD 源极驱动芯片中的逻辑模块,尤其是对双向移位寄存器和带数据反转功能的数据锁存器的原理和应用等都做了详细的介绍,并且深入分析了其电路的实现过程。通过仿真,该逻辑电路可以很好的完成数据的传输、寄存和锁存功能,完全符合设计要求。

关键词:薄膜晶体管;液晶显示器;源极驱动;逻辑模块中图分类号:T N492　　文献标识码:A 　　文章编号:1002-2279(2009)01-0033-03

D e s i gn o f Lo g i ca l C ircu its i n a TFT -LCD So u rce D ri ve r

ZHU M in -hua,DA IQ ing -yuan

(Research Institute of M icro /N ano Science and Technology,Shanghai J iaoTong U niversity,Shanghai 200030,China )

　　Abstract:The i m p le mentati on and si m ulati on of the l ogical circuits in a 6-bit SXG A TFT -LCD s ource driver are p resented detailed in this paper,including the design of a bidirecti onal shift register and data latches .The design is si m ulated t o comp lete the functi on perfectly according t o the s pecificati ons .

Key words:TFT;LCD;Source driver;Logical circuits

1　引　言

薄膜晶体管液晶显示器TFT -LCD 是近年来液晶显示技术领域研究最活跃的分支,也是最具竞争力的电子显示产品之一。在很多图像显示领域,TFT -LCD 都具有良好的发展前景,且在未来信息显示领域也必将占据相当的地位。

TFT -LCD 的显示信息来自主机CP U ,因此其需要有一个满足系统要求的接口,还需要扫描信号和数据信号。扫描信号一般由扫描驱动芯片(也称门级驱动器)来产生,主要功能是向扫描电极施加一个选通电压;而TFT -LCD 显示的灰度级则由数据驱动芯片(也称源极驱动芯片)产生的数据信号来实现,通过输出信号电压的变化,改变存储在象元上的电压,从而决定该象素的灰度级。

扫描信号的生成主要依赖于显示的结构,分辨率和帧频,其波形大都是简单的脉冲,因此比较容易生成。相对较复杂的是数据驱动电路,需要完成许多不同的功能,且工作频率也都很高。同时,驱动一块SXG A 的LCD 通常都需要数片源极驱动芯片一起工作。设计中的源极驱动芯片的输出个数为

384,则一共需要10片这样的源极驱动芯片共同工

作。图1是设计位灰度极的源极驱动芯片的结构框图

。

图1　源极驱动芯片整体结构框图

由于源极驱动芯片的一端需与显示控制模块相

连,帮助沟通CP U 与LCD 之间的通信,而另一端则需与显示屏相连,以驱动LCD 内部的各个TFT 晶体

作者简介:朱敏华(1983-),女,江苏无锡人,硕士研究生,主研方向:数模混合集成电路。收稿日期:2007-09-13

第1期2009年2月

No .1

Feb .,2009

微　处　理　机管,实现各个灰度极,因此芯片必须先对来自主机的

数据和控制信号做逻辑上的处理,然后通过电平转换和数模转换之后,才能由输出缓冲模块来驱动显示象素。以下将着重对源极驱动芯片中逻辑部分的电路,即电路框图中电平转移模块之前的实现过程做详细的介绍。

逻辑电路部分的电源使用3.3V 左右的电压,时钟频率在65MHz 左右。每次输入2个象素的数据信息,而每个象素包含3个数据,每个数据都有6位,因此一次性串行输入的数据信息为6×6个,一共可以显示260000多种色彩。

在电平转换模块之前的部分理论上都是逻辑电路的实现,其构成主要有3个模块,即位双向移位寄存器,数据寄存器和数据锁存器。以下做分别介绍。

2　位双向移位寄存器

双向移位寄存器的作用主要是依照所输入的时钟信号,由个输出端口依次输出个脉冲,用以控制相应数据寄存器和锁存器的选通以及存储。但由于源极驱动芯片通常都是数个并用,且它们之间是互相级联的关系,因此为了之后设计和应用上的灵活性,选择采用双向的移位寄存器,数据既可以从左到右,也可以由右至左依次送入数据寄存器中,这样就大大方便了今后芯片的使用。设计中,由R /L 信号控制位双向移位寄存器的移动方向。当R /L 为高电平时,寄存器实现右移,ST HR 为输入,ST HL 为输出;当R /L 为低电平时,寄存器实现左移,STHL 为输入,ST HR 为输出。其中STHL 和ST HR 均为输入输出端口。

双向移位寄存器的具体实现,一是可以采用两个的移位寄存器,但这样相应需要比较多的门电路,所以本设计中采用统一的设计结构,用R /L 信号来控制数据流的方向。当R /L 为高电平时,奇数个的与非门将均被屏蔽,其另一端的输入无效,相反偶数个的与非门均开通,所以数据流将从ST HR 输入,在ST HL 端输出,并通过个D 触发器实现从右至左的移位;而当R /L 为低电平时,情况恰恰相反,偶数个的与非门将被屏蔽,奇数个的与非门导通,因此数据流方向相反,由STHL 输入,在ST HR 端输出,从而实现从左至右的移位。

3　数据寄存器

数据寄存器的主要功能在于存储主机送入的显示数据。数据寄存器的结构相对简单,因此通过一

个透明锁存器来实现。双向移位寄存器的个输出,每一路都会控制相应的36个数据寄存器,即在每一个时钟脉冲都将会有36个数据信息同时存入数据寄存器中。

4　数据锁存器

数据锁存器也是逻辑模块中非常重要的部分之一。由于液晶具有容易老化的特性,因此提供给液晶盒的电压值必须在时间平均上接近零,以此减少直流的输出成分。目前最为常见的共有4种驱动方法,即场反转,行反转,列反转和点反转,图2为这4种驱动方法的示例图。

　N 场　　　N +1场　　　　N 场　　　N +1场

1234

1

++++2++++3++++4++++　12341----2----3----4

----　　1234

1+

+++2----3+

+++4----　12341----2++++3----4

++++

场反转行反转

　N 场　　　N +1场　　　　N 场　　　N +1场

12341+-+-2+-+-3+-+-4

+-+

-　1234

1-+-+2-+-+3-+-+4-+-+　　1

2341+-+-2-+-+3+-+-4

-+-+　12341-+-+2+-+-3-+-+4

+-+-

列反转点反转

图2　TFT -LCD 的四种驱动方法

其中帧反转驱动方法主要用于分辨率较低的场合,因为尽管其功耗比较低,但驱动电压较大,而且闪烁现象严重。在相同帧频的前提下,分辨率的提高也意味着时钟频率的增加,即对每个象素的写入时间将变短。因此通常对于分辨率较低,屏幕较小的显示器,如分辨率为VG A 的TFT -LCD 用行反转,更高分辨率的用点反转方式,由于所研究的是SXG A 的TFT -LCD ,因此将使用点反转的驱动方

法。它的主要优点是增加象素电压的稳定速度,从而减少了水平交叉串扰。

为了实现点反转的功能,在数据锁存模块,除了要实现数据的锁存,该模块的另一个重要功能就是实现数据的反转,该功能可以通过带选择功能的数据锁存器实现,如图3所示。

图3　带选择功能的数据锁存器电路结构

・43・2009年　

朱敏华等:TFT -LCD 源极驱动芯片逻辑部分设计与研究

该数据锁存器在整个系统中的主要功能是在ST B 信号上升沿的时候,将所有36×个显示数据同时锁存。其输入信号CLK1,CLK1bar,CLK2,

CLK2bar 及CLK3,CLK3bar 取决于P OL 以及ST B 两

个信号,其两者的时序关系如下图4所示

。

图4　P OL 和ST B 信号的时序关系图

　　CLK3是与ST B 同步的信号,在该模块作用期间,传输门T3将始终导通。当ST B 为高电平,P OL 为低电平时,CLK1将产生一个上升沿,令传输门T1导通,锁存数据D1;当ST B 为高电平,P OL 也为高电平时,CLK2将产生一个上升沿,令传输门T2导通,锁存数据D2。将两个带选择的数据锁存器一起用就可以实现输入数据的反转,再配合之后模拟电路中的一些功能,就可以实现包括点反转在内的各种驱动方法。

以前面介绍的双向移位寄存器为主,结合一些周边电路就可以实现完整的双向移位功能。其周边电路的主要功能是帮助实现ST HL 和ST HR 的输入输出功能。图5为R /L 为高电平时的仿真结果,理想状态中,当R /L 为高电平时,数据应该实现右移,ST HR 为输入,ST HL 为输出。实际应用中这部分模

块的时钟频率大约为65MHz,而一般的刷新率为

60Hz ～75Hz,按最大的情况分析,即75Hz 时,每帧

所需时间为1/75s,那么每行需要的时间大约为13

μs 。由于这是全部10个芯片完成一行显示所需的最短时间,所以数字部分的建立时间必须在1.3μs 以下。

仿真中,设置65MHz 的时钟频率,即时钟周期为15ns,高低电平分别是3.3V 和0V,图中第一行即为时钟信号,第二行显示的是ST B 信号,第三行就是输入的ST HR 信号,该信号在个时钟脉冲之后,在最后一行的ST HL 顺利输出相同的信号,实现了数据移位的功能,并且由仿真结果可以看到其传

输时间约为1

μs 。计算全部10片源极驱动芯片的整体逻辑部分建立时间,大约为10

μs,符合实际应用的要求。总体来说,3个部分的逻辑电路可以很好的完成数据的传输、寄存和锁存功能,符合设计要求

。

图5　R /L =H 右移情况下的仿真结果　　　　　　　　　(下转第38页)

・

53・　1期

微　处　理　机　　E [e (x )×e (y )]=R e [∫f 2f 1

αf 1|f |

e j ω

(y +τ-x )

d ω](8)其中τ=T 2+T 3。联立(3)、

(5)和(9)式,再将f 1扩展到0,f 2扩展到∞,经过化简,则可得双相关采样后输出的闪烁噪声电压方差为:

σ2Δv S =2αf 1∫∞01-cos (2πτf )f (1+(f 2/f 2

C ))

×df (9)令x =2πτf,积分项可写为

　　I (x C )=∫∞

01-cos (x )x (1+(x 2/x 2

C ))

×dx (10)σ2Δv S =2αf 1I (x C )。对积分项进行仿真,其仿真结果如图5所示。可见,闪烁噪声值随着x C 值的减

少而迅速降低。取一个典型值,当τ为2

μs,低通滤波器的截止频率ωC 为10MHz 时,I (x C )=1.72,因此可得:

　　σ2Δv S =3

.44αf 1(11

)图5　函数I (x C )的曲线

4　结束语

将第3节中热噪声和闪烁噪声的功率谱密度函

数分别代入到(7)式和(11)式,则

热噪声:σ2

Δv S

=ωC 2V 2n 闪烁噪声:σ2Δv S =3.44K f V 2

n 若K f 取600Hz [6]

,ωC 取10MHz,则热噪声值远

大于闪烁噪声值。通过前面的分析可以看出,因为闪烁噪声是一

种低频噪声,在两次采样过程中具有强烈的相关性,所以双相关采样电路能大大降低其输出值,这与文献[7-9]相符。读出电路的输出噪声以热噪声为主,但通过降低低通滤波器的截止频率,热噪声也能得到有效的抑制。

参考文献:

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(上接第35页)

显示器完成信息图像的显示,首先要有信息信号的输入,然后通过逻辑部分的处理和加工,最终才能完成显示过程。以上主要介绍了TFT -LCD 源极驱动芯片中的逻辑模块,详细分析了其实现和仿真结果。这一部分电路是芯片与主机的重要接口,也是输出数据的整理和准备,因此对源极驱动芯片来说是非常重要和不可或缺的一部分。

5　结束语

结合当前液晶领域TFT -LCD 技术的发展,讨

论了位SXG A TFT -LCD 源极驱动芯片中的逻辑电路部分。相信随着TFT -LCD 技术的日益发展,LCD 驱动技术也将不断的进步,TFT -LCD 显示技术必将在未来的信息显示领域拥有更广阔的应用范围。

参考文献:

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・83・2009年