CN100505007C - 有源矩阵显示器件 - Google Patents

Abstract

一种具有电容式显示像素的显示器件，其中一种驱动方案用于电压的电容性连接，以便能够降低列电压摆动。每个像素具有两个存储电容器。使用两个存储电容器在选择在所述各存储电容器之一的一个端子上提供的电压摆动幅度方面提供了一些自由度。显示器所有像素的第一电容器(C1)可接地，而仅仅第二电容器(C2)经受电容性连接到显示器单元上的电压的改变。这提供了一种灵活的电容器线驱动型方案。

Description

有源矩阵显示器件

本发明涉及有源矩阵显示器件，具体地说，涉及像素结构中具有存储电容器的有源矩阵显示器件。

这种类型的显示器通常包括排列成行和列的像素阵列。每一行像素共用一条行导线，所述行导线连接到所述行中像素的薄膜晶体管的栅极。每一列像素共用一条列导线，像素驱动信号就提供到此列导线上。行导线上的信号决定晶体管是导通还是断开，当行导线上的高电压脉冲使晶体管导通时，就使来自列导线的信号可以传递到达液晶材料的区域(或其它电容式显示单元)，从而改变材料的透光特性。

众所周知可提供附加的存储电容器作为像素结构的一部分，使得即使在去除行电极脉冲之后电压仍能被保持在液晶材料上。US-A-5130829详细地公开了有源矩阵显示器件的设计。

有源矩阵显示器件的帧(场)周期要求在短时间段内寻址一行像素，这又对晶体管的电流驱动能力提出了要求，以便将液晶材料充电或放电到所需电平。为了满足这些电流要求，输送到薄膜晶体管上的栅极电压就必须有大的电压摆动。例如，在利用低温多晶硅晶体管的显示器中，最小行驱动电压为-2伏左右，而最大为15伏左右。这样可确保晶体管有足够的偏压来提供所需的源-漏电流，使液晶材料足够快速地充电或放电。

要求行导线中有大的电压摆动就要求利用高压组件来实现行驱动电路。

列导线上的像素驱动信号通常也具有大的电压摆动。例如，列导线上可能需要10伏的摆动，特别是要使LC的驱动电压的极性反转。最大的峰-峰电压对应于在两种不同极性下黑色状态的电压之间的差。最小的峰-峰电压对应于在两种不同极性下白色状态的电压之间的差。10伏的峰-峰电压很可能是传统扭曲向列液晶(TN LC)单元的最大驱动电压，而不同的液晶材料以及不同的LC单元技术(例如不同的扭绞角和不同的光学配置)要求较低的电压摆动。例如可能需要5.6伏的峰-峰电压摆动。这个电压仍然高于使用此显示器的由电池工作的便携式装置的所需电源电压。

因此，提出了各种驱动方案，以便能够减小列导线上的电压摆动，使得可以在列驱动电路中使用较低电压的组件。在一些实例中，这一点是通过利用存储电容器将液晶驱动电压的附加分量连接到像素来实现的。这样做的驱动方案包括电容器线驱动方案和四电平行驱动方案。

四电平驱动方案使用较复杂的行电极波形利用电容耦合效应来减小列导线上的电压摆动。电容器线驱动方案将阶梯电压波形连接到存储电容器的一端(所述电压加到一行的所有像素上)。所述电压波形的跃变导致LC单元上电压的阶跃变化。

在所谓的共用电极驱动方案中，将LC驱动电压的一个分量加到显示器的共用电极上。将交变电压加到存储电容器上，以免电压分量分压到LC电容两端和存储电容两端。

虽然这些驱动方案使较低电压的组件能用于列驱动器电路，但它们会产生更复杂的行导线波形(特别是具有多个电压电平)和/或要求有附加的驱动电压加到显示器的其它电极上。这就使电源电路更为复杂，并可能要求附加的电路元件，例如电荷泵、调压器、分压器和放大器。这些组件增加了显示器功耗，并增加了使显示器工作所需的电路的复杂程度。

根据本发明，提供一种显示器件，它包括电容式显示像素的阵列，每个像素包括薄膜晶体管开关器件和电容性单元，所述单元连接在开关器件和单元电极之间，每个像素还包括连接在开关器件和第一电容器电极之间的第一存储电容器以及连接在开关器件和第二电容器电极之间的第二存储电容器。

使用两个存储电容器在选择通过存储电容器之一的一个端子提供的电压摆动的幅度方面提供了一些自由度。具体地说，如果只用一个电容器将电压阶跃变化连接到单元上，那么，这两个电容的比就可以确定连接到所述单元的电压阶跃的比例。

第一电容器电极可以为显示器的所有像素共用，并可保持在固定的电位(例如地电位)，这样只有第二电容器电极经受将电容性连接到显示器单元上的电压的变化。这就提供了一种电容器线驱动型方案。

第二电容器电极可以由显示器的一行像素共用，使得当某一行被寻址时，所施加的所有数据信号通过所述电容性连接而经历相同的电压上升或降低。可将阶梯电压波形加到第二电容器电极上，并且顺序地将正和负的数据加到像素上。对于正数据，阶跃上升被电容性连接到所述单元，而对负数据，阶跃降低被电容性连接到所述单元。

第二电容器电极上所加的波形信号振幅可以等于显示器件其它线路所用的电源电压。这样就不需要为加到电容器电极上的电压波形而使用的附加电源电路。

一旦选择好了信号振幅，就可以选择第一和第二存储电容器的电容比，以便能够在电容性单元两端获得所需的电压电平。

最好，所述阵列设置成行和列，其中，每行像素共用一条行导线，此导线连接到所述行中各像素的薄膜晶体管的栅极，并且，每一列像素共用一条列导线，像素驱动信号被提供到此列导线上

行驱动电路提供行地址信号，用于控制所述行像素的晶体管的开关，而列地址电路提供像素驱动信号。

所述像素最好包括液晶显示像素。

本发明还提供驱动显示器件像素的方法，所述显示器件包括电容式显示像素的阵列，每个像素包括电容性单元以及第一和第二存储电容器，所述方法包括：

将数据信号加到所述像素的所述单元以及第一和第二存储电容器的一个端子上，使第一和第二存储电容器充电；

使数据信号与所述单元隔离；以及

在第一和第二存储电容器之一的第二端子上加电压的阶跃变化，同时保持第一和第二存储电容器中的另一电容器的第二端子上的电压基本恒定不变。

以下将参阅附图对本发明的实例作详细说明，附图中：

图1示出有源矩阵液晶显示器的已知像素配置的一个实例；

图2示出包括行和列驱动电路的显示器件；

图3到图6示出可以用于驱动有源矩阵显示器件的不同(已知)行波形；以及

图7示出本发明的像素结构。

图1示出有源矩阵液晶显示器的传统像素配置。所述显示器设置成行和列形式的像素阵列。每行像素共用一条行导线10，每列像素共用一条列导线12。每个像素包括薄膜晶体管14和液晶单元16，二者串联在列导线12和共用电极18之间。晶体管14由通过行导线10提供的信号导通或断开。所以行导线10连接到关联像素行的每个晶体管14的栅极14a。每个像素还包括存储电容器20，其一端22连接到下一行电极、前一行电极或单独的电容器电极。所述电容器20存储驱动电压，使得即使在晶体管14已被断开后信号仍能保持在液晶单元16的两端。

为将液晶单元16驱动到所需电压以获得所需的灰度等级，在行导线10上提供行地址脉冲的同时在列导线12上提供适当的信号。行地址脉冲将薄膜晶体管14导通，从而允许列导线12将液晶单元16充电到所需电压并将存储电容器20充电到同样电压。在行地址脉冲结束时，晶体管14断开，在其它行被寻址时存储电容器20维持单元16上的电压。存储电容器20减小了液晶的漏电效应并且减小了由液晶单元电容的电压的依赖性引起的像素电容的百分比变化。

顺序地对各行寻址，使得所有行在一个帧周期中都被寻址并在随后的各帧周期中被刷新。

如图2所示，行地址信号由行驱动电路30而像素驱动信号由列地址电路32提供到显示器像素阵列34上。

为有足够的电流能够通过薄膜晶体管14(非晶硅或多晶硅薄膜器件)，必须使用高栅极电压。具体地说，晶体管导通的周期大致等于总帧周期(在该周期内必须将显示器刷新)除以行数。对于多晶硅显示器，导通状态和断开状态的栅极电压相差大约12伏，才可在断开状态提供所需的小漏电流，并且在导通状态提供足够大的电流使液晶单元16在可用时间内充电或放电。

对于非晶硅显示器，行驱动电路30使用高电压组件，而且传统上不集成在非晶硅显示器的衬底上。在此情况下，最好尽量减少必须连接到显示器衬底上的电压电平的数量。对于多晶硅显示器，可将行驱动和列驱动电路集成到显示器的衬底上。但电源电路是单独的，且通常包括用于每个所需驱动电压的外部调压器。

图3示出驱动图1显示器的已知寻址方案的第一实例(其中没有采取任何措施来减小列电压的摆动)。加到每一行的信号包括周期性矩形脉冲42、44，其高度为45，足以完全导通晶体管14(图1)。这将取决于晶体管的结构以及形成晶体管所使用的技术。

用于将LC材料在不同状态之间转换的电压波形通常具有电压波动46，大约为5到10伏，特别要提供极性反转。极性反转涉及将液晶材料交替充电到正电压和负电压，使得在工作时LC单元两端的平均电压为零。这就防止了材料的退化。图3中行波形表示：一行的行驱动脉冲42、随后一行的行驱动脉冲44和加到列导线上的信号波形48。波形48是正极性电压波形(其中电压始终高于Vce)，波形49是负性电压波形(其中电压始终低于Vce)。

图3的驱动方案所需的列电极信号的电压摆动也要求列地址电路32用高电压组件来实现。但是，也存在其目的在于降低列电极12上的电压摆动的可供选择的驱动方案，以便能用低电压组件来实现列地址电路32。

图4示出可供选择的已知驱动方案的第一实例，称为”共用电极驱动”。在此情况下，列电极18上的电压不再是恒定不变的，而要使其波动。这种情况示于曲线50。这使得能够减小列电极12(曲线48)上的电压摆动。在一个实例中，像素存储电容器连接到邻近的行电极。但是，所述驱动方案要求更为复杂的行波形，如图4所示，每个行脉冲有三个分立的电压V1、V2、V3来形成行信号波形。有可能通过提供单独的存储电容器电极并对其施加两种电平的信号来将行波形简化为两种电平的信号。

另一已知的可供选择的驱动方案示于图5，其中依靠邻近行之间的电容性连接来减小列电极12上的电压摆动。所述方案要求像素结构具有连接到邻近行的存储电容器。在此方案中，一行的行脉冲52前面有递增阶跃上升54，而下一行的行脉冲60前面有递减阶跃降低62。这些中间阶跃电平可以设置在脉冲50、60的两侧，或者仅仅设置在脉冲50、60的输入端。于是又得到三电平波形。

图6示出电容器线驱动方案，其中，存储电容器(图1中的18)的一个端子上的电压阶跃的电容性连接导致所述单元两端电压的上升或下降。所述方案使得能够利用简单的行波形70，并将方波形72加到存储电容器端子22上。在一个帧周期F_n中，正向电压阶跃72a加到电容器线上，而在下一帧周期F_n+1中，加负向电压阶跃72b。阶跃发生在所述行像素刚刚被寻址之后，所以需要单独的电容器线驱动信号72用于显示器中的每条电容器线(像素行)。这些信号由电容器线驱动电路产生，它一般位于显示器的另一侧，与行驱动电路相对。由于需要附加的驱动电路，电容器线驱动最适合于多晶硅显示器，可将其集成在显示器中，不会增加成本。

在行脉冲70期间也对列信号74(每一列)取样。

这些驱动方案对本专业的技术人员来说都是熟知的，有些操作技术在例如US-A-5130829和WO 99/52012中有更详细的说明。

下面将以对参阅图6所说明的电容器线驱动方案的改进的形式来描述本发明。但是，使用多个存储电容器的本发明的原理可用于修改其它驱动方案以简化多电平波形的产生。

图7示出按照本发明的一个实例并用于电容器线驱动方案的像素结构。显然，所述像素设计用于如图2所示的像素阵列中(虽然如上所述还需要有附加的电容器线驱动电路)。

对于相同的组件采用与图1相同的参考符号。每个像素具有晶体管14和连接在晶体管14和共用电极18之间的电容性单元(例如LC单元)16。每个像素具有连接在晶体管和第一电容器电极80之间的第一存储电容器C1以及连接在晶体管和第二电容器电极82之间的第二存储电容器C2。

在此具体实例中，第一电容器电极80接地，而第二电容器电极82连接到方波电压波形。这样，电极82上依赖于两个电容C1和C2之比的电压的阶跃变化传送到单元16。

对电荷转移进行分析就可理解所述结构的优点。为进行此分析，我们假定列电压驱动电平在0到V_col之间变化，方波电容器电极波形(图6中的72)的电压摆动为V_cap，且最大所需峰-峰LC电压为5.6V，最小峰-峰LC电压为1.8V。我们还可假定在LC电容C_LC和存储电容器值C_S之间有给定的所需关系，例如_CS＝3C_LC。

首先，将电压从列加到所述单元上。在行地址脉冲结束时使所述电压与LC单元隔开。存储电容器上电压的随后的阶跃变化被电容性连接到LC单元。

对于图1的传统像素，加到LC单元上的最大正周期电压为V_col，加上在曲线72中阶跃上升的电容性连接所产生的电压。

这样，最大电压为：

V_col+V_CAP(C_S/(C_S+C_LC))

加到LC单元上的最小负周期电压为0(在所述列上为零)，减去在曲线72中阶跃降低的电容性连接所产生的电压。

这样，最小电压为：

-V_CAP(C_S/(C_S+C_LC))

因此，最大峰-峰电压摆动为：

V_col+2V_CAP(C_S/(C_S+C_LC))

加到LC单元上的最低正周期电压为0加上在曲线72中阶跃上升的电容性连接所产生的电压。

这样，最小正周期电压为：

V_CAP(C_S/(C_S+C_LC))

加到LC单元上的最高负周期电压为V_col减去在曲线72中阶跃降低的电容性连接所产生的电压。

这样，最大负周期电压为：

V_col-V_CAP(C_S/(C_S+C_LC))

因此，最小峰-峰电压摆动为：

2V_CAP(C_S/(C_S+C_LC))-V_col

设V_CAP＝2.47V，V_col＝1.9V，就可达到以上提出的要求。但是，这种电压电平不易得到，而且需要附加的电路来产生图6的电压波形72。

对于图7中本发明的像素，我们可以假定总存储电容应符合C₁+C₂＝3C_LC的要求。最大峰-峰电压摆动可以用同样的分析加以计算，得出：

V_col+2V_CAP(C₂/(C₁+C₂+C_LC))

最小峰-峰电压摆动为：

2V_CAP(C₂/(C₁+C₂+C_LC))-V_col

这样就可以根据需要来选择V_CAP的值，例如可将V_CAP设定为显示器模块用的电源电压，例如3.3V。

如果V_CAP＝3.3V，V_col还是1.9V，则其它限制给出：

(C₂/(C₁+C₂+C_LC))＝0.561

C₁+C₂＝3C_LC的附加限制给出C₂/C₁＝2.96。

这样，就有可能用振幅等于电源电压的方波波形来驱动显示器的电容器电极。选择两个存储电容器的数值就可在LC材料上得到所需的电压摆动。

在上述计算中，没有考虑到C_LC的值取决于像素驱动电压这一事实(黑色像素一般比白色像素具有较高的电容)。在实际中在计算所需的列驱动电压和存储电容器之比时所述附加效应需考虑在内。

显然，本发明在选择电压电平方面提供了更多的自由度。以上已经说明这对于电容器线驱动方案具有优点，且这是本发明的优选实现方案。

但本发明也可用来简化其它驱动方案，其中一些以上已作简述。

虽然以上实例提供三个电极(一个单元电极和两个存储电容器电极)，但是，如果本发明用于改进例如通用的电极驱动方案，那么，同样的信号可以加到电容器电极之一以及单元电极。

在以上实例中，一个电容器电极连接到开关电压波形，而另一个电容电极连接到固定电位。也可以将开关电压波形加到两个电容器端子上来实施本方案。这样就可以有更紧凑的像素布局或其它优点。例如，可以对每行像素提供单独驱动的电容器线。然后将第二存储电容器连接到前一行或下一行像素的电容器线上。

或者，每一行像素可以具有携带有互补信号的两个驱动的电容器线。一个存储电容器可连接到每条电容器线，且电容器的比将决定连接到像素上的信号振幅和极性。这种技术可以用来实现列或像素倒置方案，其中用相反极性的信号来驱动沿着行方向的交替的像素。

在本说明和权利要求书中术语”行”和”列”多少有些任意性。这些术语旨在表明一种元件阵列，它具有正交线的元件，共用相同的连接线。虽然通常认为行是从显示器的一侧到另一侧，而列是从上到下，但这些术语的使用不限于此。

上述数种实例表明如何使用特定的所需方案来确定电容器之比以便能使用现有的电压电平。当然，上述分析适用于任何驱动方案，当然这些方案取决于LC类型或被驱动的其它电容性显示单元。

本发明的其它特征对于本专业的技术人员来说是显而易见的。

Claims (9)

1.一种包括电容式显示像素阵列的显示器件，每个像素包括薄膜晶体管开关器件和电容性单元，所述电容性单元连接在所述薄膜晶体管开关器件和单元电极之间，其中每个像素还包括连接在所述薄膜晶体管开关器件和第一电容器电极之间的第一存储电容器以及连接在所述薄膜晶体管开关器件和第二电容器电极之间的第二存储电容器，其中所述第一电容器电极是所述显示器件的所有像素共用的，其中所述第二电容器电极是在所述显示器件的各行像素之间共用的，以及其中只有第二电容器电极经受电压的变化，所述电压的变化将被电容性耦合到所述电容性单元。

2.如权利要求1所述的器件，其中所述第一电容器电极连接到地。

3.如权利要求2所述的器件，其中将方形波形加到所述第二电容器电极上。

4.如权利要求3所述的器件，其中加到所述第二电容器电极上的所述波形的信号振幅等于所述显示器件的其它电路所用的电源电压。

5.如权利要求4所述的器件，其中选择所述第一和第二存储电容器的电容比，以便能够在所述电容性单元两端获得所需的电压电平。

6.如上述任一项权利要求所述的器件，其中所述阵列排列成行和列，其中每一行像素共用一条行导线，所述行导线连接到所述行像素的薄膜晶体管开关器件的栅极，并且其中每一列像素共用一条列导线，其中提供像素驱动信号给所述列导线。

7.如权利要求6所述的器件，其中行驱动电路提供行地址信号，用于控制所述行像素的所述薄膜晶体管开关器件的开关转换，而列地址电路提供所述像素驱动信号。

8.如权利要求1-5和7之中任一项权利要求所述的器件，其中所述电容性单元包括液晶单元。

9.一种驱动显示器件的像素的方法，所述显示器件包括电容式显示像素的阵列，每个像素包括电容性单元、第一和第二存储电容器以及相应的第一和第二电容器电极，其中所述第一电容器电极是所述显示器件的所有像素共用的，以及所述第二电容器电极是在所述显示器件的各行像素之间共用的，所述方法包括：

将数据信号加到所述像素的所述电容性单元并且加到所述第一和第二存储电容器的一个端子上，从而使所述第一和第二存储电容器充电；

使所述数据信号与所述电容性单元隔开；以及

把电压的阶跃变化加到所述第一和第二存储电容器之一的第二端子上，同时，保持所述第一和第二存储电容器中另一电容器的第二端子上的电压基本上恒定不变，使得只有第二电容器电极经受电压的变化，所述电压的变化将被电容性耦合到所述电容性单元。

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