CN1276586A - 使用多相电荷共享tft－lcd及其驱动方法 - Google Patents

使用多相电荷共享tft－lcd及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

提供使用多相电荷共享的TFT－LCD及其驱动方法,其中在多相电荷共享时间周期期间奇数源线和偶数源线通过开关元件连接到外部电容器,以共享在源线中充电的电荷。该TFT－LCD包括:通过多个源线输出各对应一个象素的视频信号的源驱动器;用于多相电荷共享的开关元件;和连接在液晶板和源驱动器之间的外部电容器,在源线与之连接时,用于收集具有比公用电极电压高的电压的源线的电荷并将它们输送给具有比公用电极电压低的电压的源线。

Description

使用多相电荷共享的TFT-LCD 及其驱动方法
本发明涉及薄膜晶体管-液晶显示器(TFT-LCD)，特别涉及使用多相电荷共享的TFT-LCD及其驱动方法，其中液晶板的源线通过电荷共享用低功率来驱动，从而减少TFT-LCD驱动电路的功耗。
一般情况下，TFT-LCD被广泛地用做台式计算机、TV、计算机监视器的荧光屏，这是因为在各种LCDs中它具有最优异的性能，如与CRT相似的高图像质量，高速响应等等。如图1所示，常规TFT-LCD包括：有多个象素的液晶板10，每个象素位于多个栅线GL的每个与多个源线SL的每个相交的点上；源驱动器20，通过液晶板10的相应源线SL给每个象素输送视频信号；和栅驱动器30，用于选择液晶板10的栅线GL以导通多个象素。每个象素由栅与相应栅线GL相连、其漏与相应源线SL相连的薄膜晶体管1，和与薄膜晶体管1的源并联连接的存储电容器Cs和液晶电容器C1c。
下面参照附图介绍如上述构成的常规TFT-LCD的操作。源驱动器20的取样寄存器(未示出)依次接收各对应一个象素的视频数据项并分别存储对应源线SL的视频数据项。被存储在取样寄存器中的视频数据项被控制器的信号转移到保持寄存器中。栅驱动器30输出栅线选择信号GLS，在多个栅线GL中选择栅线GL。相应地，与被选择的栅线GL连接的多个薄膜晶体管被导通以容许存储在源驱动器20的保持寄存器中的视频数据施加于它们的漏上，由此在液晶板10上显示视频数据。
这里，源驱动器20给液晶板10输送VCOM、正视频信号和负视频信号，由此在其上显示视频数据。就是说，在常规TFT-LCD的操作中，如图2所示，每当在改变帧时正视频信号和负视频信号交替馈送给象素，以便不直接施加DC电压给液晶。为此，给形成在TFT-LCD的上平板上的电极施加正视频信号和负视频信号之间的中间电压VCOM。然而，在VCOM基础上正视频信号和负视频信号交替提供给液晶板时，液晶的光传输曲线互相不一致，结果产生闪烁。
为减少闪烁的产生，分别采用帧反向(inversion)、行反向、列反向和点反向之一，如图3A-3D所示。图3A的帧反向是只在帧改变时改变视频信号的极性的模式。图3B的行反向是在每当改变栅线GL时改变视频信号的极性的模式。图3C的列反向在每当改变源线SL时转换视频信号的极性，而图3D的点反向在每当源线SL、栅线GL和每当帧改变时转换视频信号的极性。按照帧反向、行反向、列反向和点反向，图像质量是满意的。因为产生的极性转换数量与图像质量成正比例增加，所以更高的图像质量需要更高的功耗。这将在下面参照图4的点反向进行介绍。
图4示出了施加于液晶板10的奇数源线SL和偶数源线SL的波形，表示每当栅线GL改变时源线SL的视频信号在VCOM基础上改变了它们的极性。这里，在假设整个TFT-LCD板显示灰色时，源线SL的视频信号摆幅宽度V是VCOM和正视频信号的摆幅宽度之和的两倍或是VCOM和负视频信号的摆幅宽度之和的两倍。由下列公式计算在源线SL的容量为CL时在TFT-LCD输出端消耗的功率。
E＝CL·V2
也就是说，每个栅线GL改变时，视频信号在VCOM基础上将其极性从(+)改变为(-)或从(-)改变为(+)，因此点反向消耗了大量的功率。
此外，在其TFT由多晶硅TFT构成的情况下，常规TFT-LCD消耗大量功率，增加产生的热量。因而，由于产生的热量而使液晶的特性和TFT的性能下降。为解决这个问题，提出了驱动TFT-LCD的方法，其中为了给每个象素的液晶板输送所希望量值的电压，公用电极的电压被固定，在第n个帧中源驱动器将比公用电极电压高的电压输送到液晶板的两端，并在第(n+1)帧中将比公用电极电压低的电压输送到液晶板的两端，这些电压是在相同第n个帧分别施加位于它们的极性互相不同的同列线上面的象素和位于其下面的象素的电压和分别施加于位于它们的极性互相不同的相同行线左边的象素和位于其右边的象素的电压。
这种TFT-LCD用如下方式驱动：即通过为用于电荷共享的每个行线设置电荷共享时间而进行电荷共享，然后对应视频数据的电压施加于每个象素。由于第(M-1)行线的奇数象素的电压极性不同于其偶数象素的电压极性，因此在对应视频数据的所希望电压量施加于第M行线的象素之前，奇数源线通过开关元件与偶数源线连接。这样，被施加比公用电极电压高的电压的源线和被施加比公用电极电压低的电压的源线通过电荷共享在公用电极保持最大电压。通过这种电荷共享，与常规电路的电压摆幅宽度相比，源驱动电路使电压摆幅宽度减少了一半，并降低了驱动TFT-LCD所消耗的功率。但是，使用电荷共享的常规TFT-LCD使用转移栅在空白时间周期内将奇数源线SL连接到偶数源线SL上，从而将用正视频信号充电的源线的一部分电荷移动到用负视频信号充电的源线上，以容许它们共享这些电荷。因而，消耗的功率最多可减少50％。此外，常规TFT-LCD需要多个源驱动器，以便实现VGA级＜SVGA级＜XGA级＜SXGA级＜UXGA级的更高分辨率。这使行间距变窄，并产生可靠性问题。
因此，本发明涉及使用多相电荷共享的TFT-LCD及其驱动方法，基本上消除了由于现有技术的限制和缺点产生的一个或多个问题。
本发明的目的是提供使用多相电荷共享的TFT-LCD，解决了由于增加了用于实现高分辨率的源驱动器而产生的其源线之间的可靠性问题，并减少了功耗。
本发明提供于驱动使用多相电荷共享的TFT-LCD的方法，其消耗功率比使用电荷共享的常规TFT-LCD的消耗功率减少了很多。
为实现本发明的目的，提供使用多相电荷共享的TFT-LCD，包括：源驱动器，通过多个源线输出视频数据信号，每个视频数据信号对应一个象素；用于多相电荷共享的开关元件；和外部电容器，连接在液晶板和源驱动器之间，在源线与之连接时，用于收集具有比公用电极高的电压的源线的电荷并将它们输送到具有比公用电极电压低的电压的源线。
为实现本发明的目的，还提供用于驱动使用多相电荷共享的TFT-LCD的方法，其中在多相电荷共享时间周期内施加至少一个选择信号以驱动TFT-LCD，该方法包括：第一电荷共享步骤，其中根据第二选择信号，通过外部电容器的电压VL+(1/3)Vswing给在第(N-1)个灰度等级表示时间周期过程中已经用电压VL放电的偶数电容器充电；第二电荷共享步骤，其中根据第三选择信号，通过与在第一电荷共享步骤中用VL+(1/3)Vswing充电的偶数电容器电荷共享，用电压VL+(2/3)Vswing给在第(N-1)个灰度等级表示时间周期过程中已经用电压VH充电的奇数电容器充电；第三电荷共享步骤，其中根据第一选择信号，用外部电容器的电压VL+(1/3)Vswing给将在第N个灰度等级表示时间周期期间用电压VL放电的奇数电容器充电。
应该理解，前述一般性的说明和下面的详细说明都是示例的和说明性的，并试图提供对所要求保护的本发明的进一步解释。
所包括的附图有助于对本发明的进一步理解并结合在一起，构成本说明书的一部分，附图表示本发明的实施例并与文字说明一起用于解释本发明的原理：
附图中：
图1是常规TFT-LCD的方框图；
图2表示图1的操作波形；
图3A-3D表示TFT-LCD反向模式；
图4表示点反向模式中的输出波形；
图5是按本发明的TFT-LCD驱动电路的方框图；
图6表示构成图5的驱动电路部分的信号输入/输出波形；
图7是按本发明实施例的TFT-LCD的方框图；
图8是按本发明另一实施例TFT-LCD的方框图；
图9表示根据视频信号的输入在电压摆幅宽度和消耗功率之间的比较；
图10A表示在表示黑色图像时的共享电压波形；
图10B表示在表示中间灰度图像时的共享电压波形；
图10C表示在表示白色图像时的共享电压波形。
图11表示当表示黑色图像时的外部电容器的电压波形；
图12表示按本发明的消耗功率减少功率的曲线。
下面参照附图详细介绍本发明的优选实施例，本发明的例子示于附图中。
下面参照附图介绍按本发明优选实施例的使用多相电荷共享的TFT-LCD。参见图5，按本发明的使用多相电荷共享的TFT-LCD包括：线驱动器200，通过多个源线输出视频数据信号，每个视频数据信号对应每个象素；液晶板100，用于显示通过源线施加的视频信号；和外部电容器500，连接于线驱动器200和液晶板100之间，在源线与之连接时，收集具有比公用电极电压高的电压的源线的电荷并将它们输送给具有比公用电极电压低的电压的源线。
线驱动器200包括通过液晶板100的源线给象素输送视频信号的源驱动器300，和根据外部驱动信号将液晶板100的源线连接到源驱动器300或外部电容器500的开关部件400。在如上述构成的使用多相电荷共享的TFT-LCD的驱动电路中，根据第一选择信号SEL1将奇数源线连接到源驱动器300或外部电容器500的输出端。同样，根据第二选择信号SEL2将偶数源线连接到源驱动器300或外部电容器500的输出端。
施加了第三选择信号SEL 3之后，TFT-LCD的所有源线都互相连接。这里，每个源线具有电容负载和电阻负载。在图5中，电容C负载表示源线的电容器作为电容负载操作，电阻R负载表示源线的电阻负载。外部电容器Cext具有比电容C负载大的电容，并且它用做给电容C负载充电的辅助电源。
图6示出了构成按本发明的TFT-LCD的驱动电路的部分的信号的输入/输出波形，表示施加于线开关部件400的选择信号和根据这些选择信号其电荷被共享的电压。假设电容负载C负载的数量为M，用电压VH充电的电容负载的数量为M/2，并且由电压VL放电的电容负载C负载的数量为M/2。这里，VH对应表示多级图像的有正极性的源线电压，VL对应表示相同多级图像的有负极性的奇数源线电压。
此外，假设在第(N-1)个电容负载C负载的驱动时间过去之后，奇数电容负载C负载已经被VH充电并且偶数电容负载C负载已经被VL放电。另外，假设在第N个电容负载的驱动时间周期期间奇数电容负载C负载被VL放电并且偶数电容负载C负载被VH充电。而且，假设外部电容器Cext比电容负载C负载大得多并被预定电平电压充电以基本上作为电压源操作。这里，外部电容器Cext用VL+(1/3)Vswing的电压充电，如下面所说明的，即使在该电压不外部地施加给它时也能用做电压源。Vswing表示VH和VL之间的差。换言之，Vswing表示由常规源驱动器输送的电压摆幅宽度，以便用VH给有VL的电容负载C负载充电。而且，假设在多相电荷共享周期期间源驱动器300的输出端处于高阻抗状态。下面在上述条件下介绍按本发明的使用多相电荷共享的TFT-LCD的驱动方法。
参照图5和图6，在第一电荷共享阶段，在第N个电容负载驱动时间周期即行线驱动时间周期期间施加第二选择信号SEL2之后，施加了第二选择信号SEL 2的线开关部件400的线开关被接通。因而，在第(N-1)个灰度等级表示时间周期期间已经用VL放电的偶数电容负载C负载连接于外部电容器Cext以通过电荷共享实现电荷平衡，由此用外部电容器Cext的电压VL+(1/3)Vswing充电。
接下来，在第二电荷共享阶段中，被施加第二选择信号SEL2的线开关被断开，并且被施加第三选择信号SEL 3的线开关被接通。因而，在第(N-1)个灰度等级表示时间周期期间已经用VH充电的奇数电容负载C负载连接到在第一电荷共享阶段用VL+(1/3)Vswing充电的偶数电容负载C负载，容许所有电容负载具有比VL+(1/2)Vswing高的电压VL+(2/3)Vswing。
接着，在第三电荷共享阶段中，被施加第三选择信号SEL 3的线开关断开，并且被施加第一选择信号SEL 1的线开关被接通。相应地，应该在第N个灰度等级表示时间周期期间用VL放大的奇数电容负载C负载连接到外部电容器Cext以共享电荷。此时，电容负载C负载具有外部电容器Cext的电压VL+(1/3)Vswing。之后，被施加了第一选择信号SEL 1的线开关被截止，完成了多相电荷共享。
完成第N个多相电荷共享之后，奇数电容负载C负载处于电压VL+(1/3)Vswing，偶数电容负载C负载处于电压VL+(2/3)Vswing。然后，液晶板100的输出驱动器用VH给有VL+(2/3)Vswing的偶数电容负载C负载充电，并在灰度等级表示时间周期期间用VL给奇数电容负载C负载放电。同时，在第(N+1)电容负载驱动时间周期期间，按照与在第N个电容负载驱动时间周期期间进行的相反的顺序进行耦合到第一和第二选择信号SEL 1和SEL 2的线开关的转换，因为奇数电容负载和偶数电容负载应该用与在第N个电容负载驱动时间情况相反的电压充电和放电。
图7是按本发明实施例的TFT-LCD驱动电路的方框图，图8是按本发明另一实施例的TFT-LCD驱动电路的方框图。参见图7，按本发明的TFT-LCD驱动电路在基本结构上与图5的TFT-LCD驱动电路相同，并且区别在于线开关部件400由传输栅构成。该实施例的TFT-LCD驱动电路进行多相电荷共享操作，如上所述。这里，线开关部件400可以由不是传输栅的PMOS晶体管或NMOS晶体管构成。线开关部件400的详细构形将在下面介绍。
线开关部件400包括：传输栅部分410，根据控制信号AMP和AMP B使源驱动器300的输出端处于高阻抗状态；第一和第二开关部分420和430，分别根据第一和第二选择信号SEL 1和SEL 2将液晶板100的每个源线连接到外部电容器500上；和第三开关部分440，根据第三选择信号SEL3被连接到与液晶板100相邻的源线上。这里，第三开关部分440由传输栅构成，每个传输栅连接到与液晶板相邻的每个源线上。
参见图8，构成第三开关部分440的每个开关与第(2N-1)和第2N个源线连接。即，构成第三开关部分440的每个传输栅只连接在第(2N-1)和第2N个源线之间，而不连接在第2N和第(2N+1)个源线之间。通过这种结构，在取决于各象素的位置将不同视频数据信号从行线施加给LCD的情况下，虽然在两个电荷共享步骤之后象素电压局部被改变，但在总LCD消耗功率上没有太大差别。可以使用下面的公式获得TFT-LCD的消耗功率。
Pav＝VDD·Iav
＝VDD·[M·CL·Vswing·(freq/2)]
其中M表示电容负载的数量，VDD表示电源，Vswing表示对电容负载充电和放电的电压宽度，CL表示电容负载，freq表示在电容负载被充电或放电时的驱动频率。这里，确定消耗功率指数的电压宽度Vswing由图9所示的波形确定。虽然在按照上述公式的常规驱动方法中Vswing在电荷共享之后变为(1/2)Vswing，但是通过HSPICE已经证明，通过本发明中的多相电荷共享Vswing被减少到(1/3)Vswing最大值。
参见图9，在根据视频信号的输入的电压摆幅宽度中，表示白色的电压摆幅宽度最窄。这对应“正常白色”，即在没有施加电压的情况下通过液晶传输的光。图10C展示在表示白色图像时共享电压的波形。此外，中间灰度的电压摆幅宽度比白色的略宽一点，在黑色情况的电压摆动宽度最宽。图10A和10B分别表示了在表示黑色和中间灰度图像时的共享电压的波形。
参见图10A、10B和10C，多相电荷共享之后的电容负载的电压获得相同的特性，不管是否开始充电。在图10A-10C中，电压宽度Vswing与常规的相比被减少到(1/3)Vswing，在预定模拟条件下达到了66.6％的消耗功率减少效率。这里，可以用源线的RC时间常数和源线的电荷共享时间长度来改变消耗功率减少效率。
外部电容器可以用VL+(1/3)Vswing或更高的电压开始充电，即使不充电，也可以按照本发明提出的驱动方法用VL+(1/3)Vswing或充电，并基本上作为电压源操作。因而，通过图10A-10C所示的HSPICE模拟证明了，本发明的TFT-LCD提高了其消耗功率减少效率，同时源线的电阻负载的幅度减小了或其电荷共享时间增加了。
图11表示了通过HSPICE模拟证明的根据本发明的驱动方法在表示黑色图像时的外部电容Cext的电压波形。参见图11，外部电容被充电，同时即使没有开始充电TFT-LCD也被驱动，以作为电压源操作。通过模拟证明的外部电容的电压在预定时间过后变为3.666V。此时，尽管外部电容的电压取决于视频信号，但平均消耗功率减少效率没有改变。
相应地，由本发明的多相电荷共享获得的消耗功率减少效率与开关的幅度、外部电容器的幅度和电荷共享时间成正比，结果是即使在负载的RC时间常数的影响下消耗功率减少效率为66.6％。图12是表示根据本发明在SXGA级TFT-LCD被驱动时的消耗功率的曲线。从该曲线看出，在不涉及视频图像的情况下，本发明的驱动消耗功率被减少到常规消耗功率的1/3。
如上所述，按本发明的使用多相电荷共享的TFT-LCD的驱动电路具有以下优点。第一，TFT-LCD驱动电路在多相电荷共享时间期间共享源线的电荷，由此将液晶板的驱动功耗减少了到常规液晶板的功耗的1/3。第二，本发明的TFT-LCD驱动电路由于减少了其消耗功率而产生较少的热量。因此，在TFT-LCD由多晶硅TFT构成的情况下，降低了由热量引起的液晶和TFT特性的退化。
第三，按本发明的高分辨率TFT-LCD使用至少一个线开关元件以解决由于增加源驱动器而在源线之间产生的可靠性问题，并实现了低功率液晶显示器。而且，在按本发明的使用多相电荷共享的TFT-LCD中，源驱动器的开关部件可以由各种开关元件构成。
对于本领域普通技术人员来说，很显然在不脱离本发明的实质或范围的情况下可以对本发明的使用多相电荷共享的TFT-LCD做出各种修改和改进。因此，本发明应该覆盖落入所附权利要求书范围内的本发明的各种修改和改变及其等效特征。

Claims (11)

1.一种使用多相电荷共享的TFT-LCD，包括：
源驱动器，通过多个源线输出视频信号，每个视频信号对应一个象素；
开关元件，用于多相电荷共享；和
外部电容器，连接在液晶板和源驱动器之间，在源线与之连接时，用于收集具有比公用电极电压高的电压的源线的电荷并将它们输送给具有比公用电极电压低的电压的源线。
2.一种使用多相电荷共享的TFT-LCD，包括通过多个源线输出各对应一个象素的视频信号的源驱动器，和用于表示通过数据线输送的视频信号的液晶板，该TFT-LCD包括：
外部电容器，连接在液晶板和源驱动器之间，在源线与之连接时，用于收集具有比公用电极电压高的电压的源线的电荷并将它们输送给具有比公用电极电压低的电压的源线；
传输栅部分，根据驱动信号将液晶板的每个源线连接到线驱动器上；
第一和第二开关部件，分别根据第一和第二选择信号将液晶板的每个源线连接到外部电容器上；和
第三开关部件，根据第三选择信号将与液晶板相邻的源线互相连接。
3.根据权利要求2的TFT-LCD，其中源驱动器包括通过每个源线给象素输送视频信号的线驱动器，和根据外部驱动信号将液晶板的每个源线连接到线驱动器或外部电容器的开关部件。
4.根据权利要求3的TFT-LCD，其中开关部件由传输栅、PMOS晶体管和NMOS晶体管之一构成。
5.根据权利要求3的TFT-LCD，其中开关部件包括：使源驱动器的输出端处于高阻抗状态的传输栅部分，分别根据第一和第二选择信号将液晶板的每个源线连接到外部电容器的第一和第二开关部件，和根据第三选择信号使与液晶板相邻的源线互相连接的第三开关部件。
6.根据权利要求5的TFT-LCD，其中第三开关部件由各连接到与液晶板相邻的每个源线上的开关元件构成。
7.根据权利要求5的TFT-LCD，其中第三开关部件由各连接在第(2N-1)和第2N个源线之间但不连接在第2N和第(2N+1)个源线之间的开关元件构成。
8.一种使用多相电荷共享的TFT-LCD的驱动方法，其中施加至少一个选择信号以在多相电荷共享时间内驱动TFT-LCD，该方法包括：
第一电荷共享步骤，其中根据第二选择信号用外部电容器的电压VL+(1/3)Vswing给已经在第(N-1)个灰度等级表示时间周期期间被放电的偶数电容器充电；
第二电荷共享步骤，其中根据第三选择信号，通过与在第一电荷共享步骤中用VL+(1/3)Vswing充电的偶数电容器共享充电，用电压VL+(2/3)Vswing给已经在第(N-1)个灰度等级表示时间周期期间用电压VH充电的奇数电容器充电；和
第三电荷共享步骤，其中根据第一选择信号用外部电容器的电压VL+(1/3)Vswing给应该在第N个灰度等级表示时间周期期间用VL放电的奇数电容器充电。
9.根据权利要求8的方法，其中在第一电荷共享步骤中，在第N个电容负载驱动时间周期期间根据第一选择信号接通第一开关部件，从而在第(N-1)个电容负载驱动时间周期期间已经被VL放电的偶数电容负载被连接到外部电容器，第N个电容负载用外部电容器的电压VL+(1/3)Vswing充电。
10.根据权利要求8的方法，其中在第二电荷共享步骤中，在第N个电容负载驱动时间周期期间根据第三选择信号接通第三开关部件，以便在第(N-1)个电容负载驱动时间周期期间已经用VH充电的奇数电容器被连接到在第一电荷共享步骤中用VL+(1/3)Vswing充电的偶数电容负载上，由此容许所有电容负载具有高于VL+(1/2)Vswing的电压VL+(2/3)Vswing。
11.根据权利要求8的方法，其中在第三电荷共享步骤中，在第N个电容负载驱动时间周期期间根据第二选择信号接通第二开关部件，以便在第N个电容负载驱动时间周期期间应该被VL放电的奇数电容负载被连接到外部电容器上，由此用VL+(1/3)Vswing充电。
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