CN101142613B

CN101142613B - 可编程的灰度级发生单元

Info

Publication number: CN101142613B
Application number: CN2006800024230A
Authority: CN
Inventors: 皮尔·L·卡瓦利尼; 埃卡德·日特卡; 萨沙·埃格万
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-01-13
Also published as: JP2008527457A; US20080246712A1; EP1861845A1; CN101142613A; WO2006092743A1

Abstract

本发明涉及一种电路装置(12)，用于提供在显示设备(11)中产生不同灰度级的电压。本发明还涉及一种应用这种电路装置(12)的显示设备(11)。本发明还涉及一种提供不同的灰度级曲线(33-36)的方法，不同的灰度级曲线(33-36)表示提供给显示设备(11)的不同的电压特性。为了提供能够产生宽范围的灰度级曲线的电路装置(12)和方法，提出一种电路装置(12)，包括：第一电压单元(21)；具有多个抽头点(x)的第二分压器单元(22)；连接在第一电压单元(21)与第二分压器单元(21、22)之间的至少一个放大单元(24、25)，其中提供至少一个可编程电流源(26、27、28、29)，用于将电流(Imain)注入到第二分压器单元(22)的抽头点(x)。如果电路装置用于不同的显示设备(11)或不同的条件，使用本发明的电路装置可以避免重新设计芯片制造工艺的掩模。

Description

可编程的灰度级发生单元

技术领域

本发明涉及一种用于提供电压以便在显示设备中产生不同灰度级的电路装置。此外还涉及一种应用这种电路装置的显示设备。本发明还涉及一种用于提供表示施加于显示设备的不同电压特性的不同灰度级曲线的方法。

背景技术

在未来的若干年，显示技术将在信息和通信技术中扮演重要的角色。作为人与数字世界的接口，显示设备对于现代信息系统的接受是至关重要的。特别是便携式设备，例如笔记本电脑、电话、数码相机和个人数字助理，不利用显示器是不可能实现的。

通常，存在不同种类的显示器。由多个衬底构成的液晶显示器(LCD)代表了一个重要的部分。这样的LCD显示器可再分为行和列的矩阵形式。在各个衬底上具有行电极和列电极，其中电极形成格栅。在所述衬底之间提供具有液晶的层。这些电极的交叉定义了象素。向电极施加电压，电压使得被驱动象素的液晶分子在适当的方向上定向，因此被驱动象素根据反射光或背光而呈现出不同的亮度。

两种LC显示装置是无源矩阵显示器和有源矩阵显示器。无源矩阵LCD技术是非常通用的显示技术；例如在PAD和移动电话中就使用了无源矩阵LCD。无源矩阵显示器通常是基于(S)TN(超扭曲向列)效应。

有源矩阵显示器也被称作薄膜晶体管(TFT)显示器，其在每个象素内使用开关元件，开关元件通常实现为薄膜晶体管。

此外，还有其他种类的显示技术，例如有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管(PLED)、或低温多晶硅(LTPS)，这些显示器也具有以矩阵形式排列的行和列。

多数种类的显示设备使用灰度级电压发生电路，用于为不同的灰度级提供不同的多个不同的电压。根据将要在显示设备的某个象素处显示的数据，来选择这些不同的灰度级电压。

用于为灰度级提供不同电压的最常用的电路装置使用电阻阶梯来提供多个不同的分压。使用电阻阶梯在灵活性方面具有缺点，因为如果显示设备需要一组新的灰度级，则需要移动电阻阶梯的所有抽头。这需要花费高成本来重新设计电路装置。

另一种可能性是使用电压多路复用方法，其中灵活性也受限于多路复用电压值的选择和多路器编程的算法复杂度。

在US2002/0186231中公开了一种基准电压发生电路。该基准电压发生电路使用两个电阻阶梯来提供不同的分压。此外，还有用于放大第一电阻阶梯提供的电压的缓冲器。其公开了设置两个电阻阶梯，其中连接某种多路开关，以便允许在不同电压之间选择。但是，该电路非常复杂，并且在用于不同显示面板的可能性方面受到限制。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种克服上述问题的电路装置和方法。另一个目的是提供一种能够产生宽范围的灰度级曲线的电路装置。

通过独立权利要求的特征来实现上述目的。

本发明基于如下构思：通过使用在第二分压器单元注入或汲取电流的可编程电流源，能够产生宽范围的不同的灰度级曲线。这避免了执行高成本的重新设计，并避免了根据应用来重新设计芯片的基本设计的掩模。因此只需通过编程各个电流源，就可以将该电路装置用于宽范围的不同彩色LCD面板。

典型的灰度级曲线的电压值从最大电压到最小电压具有单调非线性分布。通过改变这种灰度级曲线的特性，能够提高在显示设备上显示灰度级的质量。通常，灰度级曲线适用于具体的显示设备。但是灰度级电压的发生受到工艺参数和环境温度的影响。因此，无论如何都要执行灰度级电压发生的一些校准。将通过现有技术中已知的方法来进行该校准。但是极大地限制了对于不同显示设备来使用该灰度级发生的电路装置的可能性。

为了避免芯片生产工艺中重新设计掩模的问题，根据本发明提出了设置第一电压单元和具有多个抽头点的第二分压器单元。此外，必须具有连接在第一电压单元与第二分压器单元之间的至少一个放大单元，其中使用至少一个可编程电流源来提供注入到第二分压器单元内的抽头点的电流。

本发明的一个基本理念是使用两个不同的彼此连接的分压器单元。第一电压单元至少提供用于显示黑色和白色值的电压。使用放大单元来缓存被馈送至第二分压器单元的最大电压和/或最小电压。使用最大电压在显示器上显示黑色，其中最小电压值用于在显示器上显示白色。

第二分压器单元连接到可编程电流源。此概念所基于的理念是：通过在第二分压器单元的抽头点汲取或供给电流，来塑造灰度级电压曲线。如果电流源供给或汲取一定量的电流，则在第二分压器单元内抽头点上产生的灰度级电压对应地增加/降低。通过使用本发明的装置，能够修改灰度级曲线，而不需使用高成本的掩模重新设计或者对不同的LCD面板使用不同的分压器。使用额外电流源的本发明的装置可能导致电路装置的价格略微提高。但是，使用本发明的电路装置为宽范围的不同显示面板提供灰度级电压的可能性被证明只略微增加成本是合理的。此外，在许多情况下，可以使用芯片上的电流源，而不是为第二分压器单元直接设置新的电流源。

在本发明的优选实施例中，第一电压单元向至少一个放大单元提供至少一个基准电压。这体现了非常简单的设计，其中只向放大单元施加两个不同的电压，例如通过系统电源直接施加，放大单元用于缓存表示最大和最小电压的电压，最大和最小电压用于在显示设备上显示黑色和白色。可以建议向第一电压单元提供第一和第二基准电压。将根据较高的基准电压生成最大电压，并根据用于为白色提供电压的最小电压生成第二基准电压。

在本发明另一个优选实施例中，第一电压单元被实现为具有多个抽头点的分压器单元。有利地，第一分压器单元和第二分压器单元被实现为电阻阶梯。在第一和第二电阻阶梯内的单个电阻器之间设置了多个抽头点。第二电阻阶梯内的抽头点用于提供所需的不同灰度级电压，以便将这些电压提供给显示设备。

在优选实施例中，建议在第一和第二分压器单元之间设置电压选择单元。通过使用这种电压选择单元，能够修改提供给第二分压器单元的最小和最大电压。这种电压选择单元可以被实施为现有技术中已知的多路器。由于可以修改最小和最大电压，所以能够根据温度变化或根据不同的环境状况或工艺参数来调整这些电压。

有利地，建议在电压选择单元与第二分压器单元之间分别为最大和最小电压提供放大单元。通过使用可以实现为缓冲器的这种放大单元，可靠地提供了恒定的最大和最小电压值，而不管电流源是否注入不同的电流。因此最大和最小电压值不受电流注入的影响。改变最大和最小电压值的唯一可能性就是通过使用选择单元来选择不同的电压值。

在另一个优选实施例中，建议具有可编程主电流源和至少一个可编程分电流源。主电流源被编程用于向多个分电流源提供主电流。这提供了一种两级编程，其中可编程主电流源用于灰度级曲线的粗调，分电流源的编程用于微调灰度级电压曲线的行为。

有利地，建议实施一种偏置电流发生电路，该电路根据最大和最小电压之间的电压差来产生偏置电流。可以将偏置电流提供给主电流源。如果最大和最小电压之差变得更小(更大)，偏置电流也减小(增加)，使得主电流减小(增加)。这种偏置电流发生是校准而不是编程，用于电流的非常精确的校准，以克服工艺和电路偏差，并且每个电路只进行一次。因此，实现了电流的自动生成。

也通过应用如权利要求1至9之一所述的这种电路装置的显示器来实现本发明的目的。

由于大多数种类的显示器使用不同的灰度级电压，因此本发明的电路装置可以不受显示器种类的约束而使用。

还通过一种提供不同的灰度级曲线的方法来实现本发明的目的，其中不同的灰度级曲线表示提供给显示设备的不同的电压特性，该方法包括以下步骤：从第一电压单元选择最大和最小电压；放大该最大和最小电压；将放大的最大和最小电压提供给第二分压器单元；向第二分压器单元内的抽头点注入电流；以及向显示器提供不同的灰度级电压。

附图说明

下面参照下列示意图，仅作为示例，详细地说明本发明的优选实施例。

图1示出了根据本发明的显示设备和电路装置的示意图；

图2示出了根据本发明的电路装置的详细视图；

图3示出了根据本发明的灰度级曲线调整的视图；

图4表示根据本发明将电流注入到第二分压器单元的抽头点的示例；

图5表示根据温度变化来调整灰度级曲线的视图；

图6表示根据本发明的电流源链的示意性路径；

图6a示出了用作根据本发明的偏置电流发生电路的示意性电路；

图6b示出了用作根据本发明的主电流源的示意性电路；

图6c示出了用作根据本发明的分电流源的示意性电路；

图7示出了根据本发明的示意性灰度级发生单元的另一个实施例；

图8示出了根据现有技术的第一分压器单元和灰度级曲线提供单元。

具体实施方式

仅出于示意性的目的而提供这些附图，并不一定按照比例来表示本发明的切实可行的示例。

下面描述本发明的各种示意性实施例。尽管本发明可用于各种应用，但是说明的焦点将放在包括有源矩阵显示器和无源矩阵列显示器的液晶显示器应用上。应用本发明的其他领域可以是，例如，OLED、PLED或LTPS。

在描述本发明实施例之前，先说明本发明的一些基础知识。本发明涉及向显示设备提供灰度级电压。

有源矩阵显示设备使用在显示设备的象素处排列的薄膜晶体管(TFT)。为了表示真彩色，在每个象素内排列三个不同的薄膜晶体管。根据每个晶体管的开关状态，显示相应的颜色。

对于无源矩阵显示器，没有为象素分配开关器件。某个象素处的液晶的状态受到该象素两端的电压的影响，该电压通过施加在行电极和列电极上的电压来调整。

将针对有源矩阵显示器的示例来描述本发明。根据施加在显示面板的电极上的电压电平，薄膜晶体管将使液晶在某种程度上排成整齐。根据该象素处液晶的对准，调整能够被用户接收或识别的反射或通过的光线量或灰度级。

图1示出了根据本发明的显示设备11和电路装置的构成的一般视图。将来自栅极驱动电路14的电压提供给显示设备11，用于激活TFT的栅极。根据本发明的灰度级电压发生电路12向灰度级电压选择电路13提供多个灰度级电压，灰度级电压选择电路13向显示设备的电极提供灰度级电压。灰度级电压选择电路13依靠没有示出的控制和存储电路所提供的数据，为各个电极选择各个灰度级电压。因此，根据将要显示的数据，选择并提供所需的电压。灰度级电压发生电路12和栅极驱动电路14都由系统电源发生电路15提供电压。

参照图2，图2示出了表示本发明的灰度级电压发生电路12的详细视图。该电路装置包括第一分压器单元21和第二分压器单元22。第一和第二分压器单元被实现为电阻阶梯。电阻阶梯21和22包括彼此串联的多个电阻器。在各个电阻器之间，具有用于提供各个分压的抽头点x。第一分压器单元21连接到第一和第二电压基准，第一和第二电压基准是正电压Vdd和公共基准电压Vss。通常产生正的和负的灰度级电压曲线，因此也能够向第一电压单元21提供负电压，如图8所示。在放大单元24和25与第一电阻阶梯21之间设置有电压选择单元31和30。放大单元24和25设置在第一和第二电阻阶梯21和22之间，具体是在电压选择单元30、31与第二分压器单元22之间。第一多路器30提供第一最大电压B，第一最大电压B用作表示显示面板上黑色的电压。相反，多路器31提供的最低最小电压提供电压W，电压W用于表示显示设备上的白色。通过向多路器30和31提供控制信号，能够调整最大和最小电压B、W的电平。应当注意，在其他的显示器上，电压值B可能是最小电压，而电压值W可能是最大电压。

此外还有可编程电流源26至29。主可编程电流源26调整提供给第二电阻阶梯22的主电流I_main。特别地，将主电流I_main提供给多个部分可编程电流源27、28和29。部分可编程电流源27至29将各自的电流I_x注入到第二电阻阶梯22内的抽头点x。如图2所示，电流源27和28将电流I₁和I₂注入或提供给电阻阶梯22的抽头点x₁和x₂，其中可编程电流源29从第二电阻阶梯22的抽头点x_N汲取电流I_N。通过编程多个电流源26-29，能够如图3所示地移动或调整灰度级曲线。通常，可以编程每个电流源26-29，以便在抽头点x供给或汲取电流。

图3表示根据本发明的示出不同特性的两个不同灰度级曲线33、34，其中电流源26至29被不同地编程，因此在不使用不同的驱动电路装置的情况下，能够调整灰度级曲线33、34的电压特性。通过箭头表示曲线33、34的调整可能性。为了清楚，省略了负的灰度级电压曲线。

图4示出了第二分压器单元22的更详细的电路图。为了清楚，此处只示出了一个可编程电流源27。图4示出了根据编程prog1、prog2、prog3，改变注入的电流I_x。由于抽头点x上的电压VGL_x取决于电流I_x以及各自的欧姆划分，因此产生的灰度级电压VGL_x也对应地改变。能够看出，如果注入了依照编程prog1的电流I_x，则对应的灰度级电压VGL_x[prog1]也将改变。编程prog2将产生较高的电流I_x，电流I_x将被注入到第二电阻阶梯22的抽头点x，并产生较高的灰度级电压VGL_x[prog2]。电流源27的编程prog3将从第二电阻阶梯22汲取电流I_x，产生降低的灰度级电压VGL_x[prog3]。

图5表示依赖于温度的灰度级曲线的视图。温度Temp1低于温度Temp2。由于显示面板具有极强的温度依赖性，因此必须使灰度级电压曲线适应不同的温度。通过使用电压选择多路器30调整表示黑色的最大电压B，可以将灰度级曲线36移动到灰度级曲线35，而不用调整和编程所有的电流源。只需要编程主电流源26，使灰度级曲线适应Temp2。现在根据最小和/或最大电压B、W的变化，自动地修改电流。

通过调整用于表示白色的最小电压W也能够获得相同的效果。没有示出该行为，其中这将改变关于用于表示白色的最小电压W的特性。

图6示出了根据本发明的产生或提供各种电流的示意性路径。首先，具有用于控制偏置电流I_bias的偏置电流发生电路40。将受控的偏置电流I_bias提供给主电流源26。根据主电流源26的编程，提供主电流I_main。将该主电流I_main提供给多个分电流源27-29。

参照图6a，示出了偏置电流发生电路40的一种实现方式。偏置电流发生电路40根据最大电压B和最小电压W之间的电压差来产生偏置电流I_bias。如果最大电压B和最小电压W之间的电压差改变，则偏置电流I_bias也对应地改变。在此偏置电流发生电路40中，也能够编程偏置电流I_bias，但这不是必须的。这与其说是编程倒不如说是校准，用于非常精确地校准电流，以克服工艺和电路偏差，并且每个电路只进行一次。使用B和W之间的电阻器R1、R2作为分压器，来给缓冲器buf提供合适的电压。缓冲器buf调整晶体管的导通电阻。通过调整晶体管导通状态的电阻，根据分压器来控制第三电阻器R3上的压降，产生受控的偏置电流I_bias。

图6b示出了主电流源26的一种实现方式。根据开关prog1-prog3的状态，改变主电流I_main。如图6c所示，该主电流I_main被提供给分电流源27-29。图6c所示的电流源包括与图6b中电流源相同的部件，还提供两个开关“汲取”和“供给”，用于调整是在各自抽头点x汲取还是供给电流I_N。

因为具有正的和负的灰度级曲线，因此需要两个偏置电流I_bias。可以使用常用的偏置发生电路来提供偏置电流I_bias，但是与现有技术已知的一样，必须编程I_main的温度补偿。通过使用本发明的电流的自适应，由偏置电流发生电路40执行主电流I_main的温度补偿。

图7示出了根据本发明的灰度级电压发生电路12的另一个实施例。通常，使用与图2相同的结构。但是，通过使用这样的结构，能够提供正的和负的灰度级曲线。使用上部分，基于正电压vsp和基准电压vss，产生正的灰度级电压曲线VGL_pos0、VGL_pos<1-62>、VGL_pos63。此外，缓冲器用于稳定所产生的灰度级电压。部件38和39用于提供该电路内使用的另外的基准电压或控制信号。使用电路的下部分，基于基准电压vbg-buf和负电压vsn，产生负的灰度级电压曲线VGL_neg0、VGL_neg<1-62>、VGL_neg63。通过在每个部分内使用电压选择单元或多路器30和31，调整各个最大和最小电压。

通过修改电流源26-29的数量N及其抽头位置，可以调整灰度级电压曲线和值的所需精度。由于电压符合线性关系，因此只要最大电压B和最小电压W以及每个电流源26至29的电流I是已知的，则能够得到所有灰度级电压值VGL_x。等式1给出了对应于电阻阶梯22中针对电流源26至29的抽头点x的任意灰度级电压VGL_x，其中

VG L_{x} = (\frac{[B] - [W]}{R_{tot}} + Σ_{I}^{N} I_{x} P_{x} - Σ_{I}^{N} I_{x} (1 - P_{x})) * R_{x}

其中电阻R_tot是第二电阻阶梯22的电阻值，I_x是来自抽头点x的任意单个编程的(注入或汲取的)电流，其中P_x是在抽头点x看到的欧姆划分。R_x是抽头点x处的电阻值。

关键设计方面是电流编程。为了产生特定的灰度级电压曲线，首先利用最小电流步进来编程主电流I_main。然后将该主电流I_main传递给N个编程的电流源27-29，N个编程的电流源27-29根据目标灰度级电压曲线来镜像该主电流I_main。然后通过等式2给出了抽头点x处的注入/汲取的电流I_x

I_x＝I_main*progI_main*progI_x

其中progI_main和progI_x分别是针对主电流I_main和抽头点x处的单个电流源27至29的比特编程。

该两级编程(对于I_main粗糙的以及对于I_x精细的编程)得到了较细分辨率的灰度级曲线。

这在温度补偿方面具有特别的优点。如果如图5所示，必须降低黑色值B，则这很容易通过附加到第一电阻阶梯21的多路器30来实现。为了保持灰度级电压曲线35的单调性，只必须降低主电流I_main，而不改变分电流源27至29的编程，分电流自动降低。电流降低因数遵从等式3，并分别参考主电流I_main以及在两个温度Temp1和Temp2下黑色B和白色W值之间的电压差。

I_{main} = [@ Temp 2] = I_{main} [@ Temp 1] * \frac{Δ [BW] @ Temp 2}{Δ [BW] @ Temp 1},

对于Temp2＞Temp1

特别地，为了使将在灰度级曲线中产生误差的温度和工艺问题所导致的电流误差最小化，应当注意可编程电流源26至29的设计。应当一直采用级联结构和先前提到的技术。

图8表示已知的灰度级电压发生电路。第一电阻阶梯61包括一些电压选择单元30、31、Mux1至MuxN。通过控制并调整几个多路器30、31、Mux1至MuxN，能够修改灰度级电压曲线，其中提供这样的多个多路器30、31、Mux1至MuxN的努力明显高于根据本发明提出的电流源26-29的装置。

通过使用本发明的电路装置，能够容易地根据使用的显示设备和其他的条件来修改灰度级曲线。因此对于多个显示设备，必须使用包括本发明电路的一个电路装置。

已经以示意性的方式公开了这些实施例，但是应当理解，所使用的术语是描述性而非限制性的。还应理解，术语“包括”不排除其他的元件和步骤。本领域技术人员将很容易从这样的讨论、从附图以及权利要求中意识到，能够进行变化和修改，而不脱离所附权利要求中定义的本发明的范围，其中附图标记不应构成对权利要求范围的限制。

Claims

1.一种电路装置(12)，用于提供在显示设备(11)中产生不同灰度级的电压，该电路装置(12)包括：

第一电压单元(21)；

具有多个抽头点(x)的以一电阻阶梯形式的第二分压器单元(22)；

连接在第一电压单元(21)与第二分压器单元(22)之间的至少一个放大单元(24、25)，

其中提供至少一个可编程电流源(26、27、28、29)，用于将电流(I_main)注入到第二分压器单元(22)的抽头点(x)，用于通过改变抽头点(x)上的电压来移动或调整灰度级曲线，其中该电压取决于注入的电流以及所述第二分压器单元(22)上的欧姆划分。

2.如权利要求1所述的电路装置，其中第一电压单元(21)向所述至少一个放大单元(24、25)提供至少一个基准电压(Vdd、Vss)。

3.如权利要求1所述的电路装置，其中第一电压单元(21)被实现为第一分压器单元(21)，以及所述第一和第二分压器单元(21、22)被实现为电阻阶梯。

4.如权利要求3所述的电路装置，其中至少一个电压选择单元(30、31)连接到第一分压器单元(21)，用于调整提供给第二分压器单元(22)的最大电压(B)或最小电压(W)。

5.如权利要求3所述的电路装置，其中第一电压选择单元(30)连接在第一分压器单元(21)与第二分压器单元(22)之间，用于提供最大电压(B)，以及第二电压选择单元(31)连接在第一和第二分压器单元(21、22)之间，用于提供最小电压(W)。

6.如权利要求5所述的电路装置，其中所选的最大电压(B)和最小电压(W)的每个被提供给放大单元(24、25)，用于放大所选的最小和最大电压(B、W)。

7.如权利要求1至6之一所述的电路装置，其中所述至少一个可编程电流源(26、27、28、29)包括可编程主电流源(26)和至少一个可编程分电流源(27、28、29)，调整主电流源(26)以便向与第二分压器单元(22)内的抽头点(x)相连的至少一个分电流源(27、28、29)提供主电流(I_main)。

8.如权利要求7所述的电路装置，其中提供多个可编程分电流源(27、28、29)，每个可编程分电流源与第二分压器单元(22)内的抽头点(x)相连，用于注入或汲取电流(I_x)。

9.如权利要求7所述的电路装置，其中偏置电流发生电路(40)连接到主电流源(26)，以便根据最大和最小电压(B、W)之间的电压差来提供偏置电流(I_bias)。

10.一种应用权利要求1至9之一所述的电路装置的显示设备(11)。

11.一种提供不同的灰度级曲线(33、34、35、36)的方法，所述不同的灰度级曲线(33、34、35、36)表示提供给显示设备(11)的不同电压特性，该方法包括以下步骤：

从第一电压单元(21)选择最大和最小电压(B、W)；

放大该最大和最小电压(B、W)；

将放大的最大和最小电压(B、W)提供给以一电阻阶梯形式的第二分压器单元(22)；

向第二分压器单元(22)内的抽头点(x)注入电流(Ix)，从而通过改变抽头点(x)上的电压来移动或调整灰度级曲线，其中该电压取决于注入的电流以及所述第二分压器单元(22)上的欧姆划分。