DE19546221A1

DE19546221A1 - Matrixschaltungsanordnung mit Permutations-Dekoder

Info

Publication number: DE19546221A1
Application number: DE19546221A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl Ing Hennig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 1998-02-12

Description

Die Erfindung betrifft Matrixschaltungsanordnungen zum Multiplexbetrieb großer Mengen elektrisch steuerbarer Elemente, wie beispielsweise Aktoren, Sensoren, Speicherzellen und Displays, bei denen die Zahl von Steueranschlüssen und Sammelleitungen, entsprechend den technischen Rahmenbedingungen der Anwendungsbereiche und den Möglichkeiten bestimmter Fertigungstechnologien, auf ein raum- und kostenbedingtes Maß zu beschränken ist.

Stand der Technik

Um größere Mengen von Elementen zu betreiben ist es üblich, Matrizen zu deren Ansteuerung zu verwenden. Im Allgemeinen ist jedem Matrixelement ein Aussteuerungszustand analoger oder digitaler Form zuordenbar, der einem Speicher- beziehungsweise Sensorzustand des Elementes, einem Aussteuerungszustand für das Element oder beiden Zuständen zugleich entspricht. Dabei ist prinzipiell unerheblich, welche Signalrichtung vorliegt oder ob gegebenenfalls beide Zustände zugleich über einen Anschluß geführt werden, beispielsweise mit einem Strom- und Spannungssignal. Beim Multiplexbetrieb werden während aufeinanderfolgender Multiplextakte, jeweils einzelne Elemente oder Elementgruppen selektiert, um den zugehörigen Aussteuerungszustand zu übertragen.

Die räumlich geometrischen Erfordernisse für gebräuchliche Anordnungen von Matrixelementen bewegen sich zwischen der dichten rasterförmigen Anordnung von Elementen in einem Sensor- oder Anzeige-Bildfeld bis zu einer räumlich weit verteilten, mitunter relativ ungeordneten Anordnung eines Matrixfeldes innerhalb eines Bus-Systemes, beispielsweise für industrielle Steuerungen.

Bekannte Matrizen werden in der Regel über zwei Arten von Sammelleitungen angesteuert, das sind zum einen Leitungen für Datensignale, die der Übertragung von Aussteuerungszuständen dienen und zum anderen Leitungen für Adreßsignale, die jeweils einzeln aktiviert werden und die dabei zur Selektion aller angeschlossenen Elemente führen. Die gemeinsam selektierten Elemente werden nachfolgend Elementgruppen genannt. Zur Reduzierung der Adreßanschlußzahl ist es üblich, am Rand eines entsprechenden Bild- oder Matrixfeldes, den einzelnen der Selektion dienenden Sammelleitungen jeweils Binärdekoder vorzuschalten, die von einer wesentlich geringeren Zahl, beliebig aktivierbarer Adreßleitungen gesteuert werden.

Nachteile spezieller bekannter Lösungen

Grundsätzlich wird aus Gründen wie Platzbedarf, Realisierbarkeit, Herstellungs-, Wartungs- und Treiberkosten sowie Zuverlässigkeit eine Minimierung der Zahl der Treiberanschlüsse angestrebt. Die üblichen Mittel dazu sind Adreßdekoder, Datenmultiplexer und Zwischenspeicher oder komplette, integrierte Schnittstellenwandler. Dem effektiven Einsatz dieser Mittel stehen wiederum deren eigene Kosten, Zuverlässigkeit, technologische Realisierbarkeit, Ausbeute et cetera entgegen. Besonders kraß ist das an Beispielen verschiedener Arten großer Flachbildschirme mit mehreren Millionen anzusteuernder Pixel zu erkennen. Dort fallen insbesondere Geschwindigkeitsgrenzen von Dünnschichtbauelementen und beschränkt nutzbare Tastverhältnisse von Anzeige-Elementen ins Gewicht. Selbst der Einsatz schneller selbstspeichernder ferroelektrischer Flüssigkristallanzeigen (LCD′s) kann nicht die technologischen Probleme bei der Integration schneller Treiberbaugruppen auf einer Bildschirm-Trägerplatte lösen.

Meistens sind Matrixschaltungen mit zweidimensional angeordneten Elementen und Sammelleitungen realisiert, wobei den sich kreuzenden Daten- und Adreßleitungen die Matrixelemente zweipolig zwischengeschaltet sind. Mitunter haben die Matrixelemente noch weitere Hilfsanschlüsse ohne Selektionsfunktion. Für den Betrieb von dynamischen Speicherzellen und von Flüssigkristallanzeigen mit Dünnfilmtransistoren, sind einander ähnliche Grundschaltungen der Matrixelemente gebräuchlich. Bei diesen wird jeweils eine Speicherkapazität beziehungsweise ein kapazitives Flüssigkristallelement mit Hilfe eines der Selektion dienenden Feldeffekttransistors auf eine bestimmte Datenspannung geladen. Bei der Ansteuerung von Flüssigkristallelementen wird so, deren nahezu unbeschränkte Multiplexfähigkeit erreicht.

Dies und die Anwendung von Diodenschaltern für aktive LC-Displays wird in einer Veröffentlichung von Philips Electronics N. V. 1993, ISBN 90-74445-03-9, mit dem Titel "SYSTEM ASPECTS OF A DIODE-MATRlX LIQUID-CRYSTAL TELEVISION DISPLAY" vom Autor K. E. Kuÿk beschrieben. Dort finden sich auch entsprechende Verweise auf die US-Patente 4.794.385, 4.811.006, 4.810.059, 4.994.796 und 5.032.831. Allgemeine Grundlagen von Speicherzellen, die sich ebenfalls direkt oder modifiziert in den erfindungsgemäßen Matrixschaltungsanordnungen einsetzen lassen, sind in den Zeitschriften c′t 1995, Heft 4, Seite 334-342 und ELRAD 1994, Heft 1, Seite 26-30 beschrieben.

Bei Flachbildschirmen basieren die gebräuchlichen Lösungen ebenfalls auf sich kreuzenden Sammelleitungen verschiedener Art, denen die Matrixelemente zwischengeschaltet sind. Zum Teil werden bei passiv adressierten LCD′s zwei nebeneinander liegende Matrizen parallel betrieben um ein bestimmtes Multiplexverhältnis nicht zu überschreiten. Nachteilig ist dabei die Verdopplung von Anschlüssen für Datenleitungen. Bei Verwendung von im Randbereich des Bildfeldes integrierten Adreßdekodern, verbleibt immer noch eine hohe Zahl von Datenleitungen. Ausreichende Geschwindigkeit und Stabilität sind mit den Dünnschichttechnologien für diese Baugruppen noch nicht erzielbar, zumal die Anforderungen bei Bildschirmen ständig steigen. Nachteilig ist auch das Erfordernis zusätzlicher technologische Schritte für Kondensatoren bei Datenmultiplexern oder von komplementären und deshalb langsameren Transistoren bei Dekodern. Sogar der Einsatz einfacher Ziehwiderstände führt beim massenhaften Einsatz in großen Bildschirmen zu Problemen in der Leistungsbilanz.

Somit wird, insbesondere für hochauflösende Flachbildschirme weiter nach Lösungen gesucht, die eine effektive Anschlußreduzierung auf Grundlage solcher Bauelemente und Technologien ermöglichen, die ohnehin für die Anzeigeelemente verwendet oder die zumindest zuverlässig beherrscht werden.

Einen Schritt in diese Richtung geht eine spezielle Schaltungsanordnung zur "Ansteuerung von LED-Anzeigefeldern" aus der Zeitschrift messen + prüfen/automatik, Jan./Febr. 1981, S. 62, 64.

Mit der Verwendung dieser Schaltung für allgemeinere Anwendungsbereiche, befaßt sich die Patentanmeldung "Erweiterte Matrixschaltungsanordnung" vom 28.08.95, Aktenzeichen 195 25 019.2. Bei dieser Matrix wird eine Gruppe von Matrix- und Treiberanschlüssen eingespart, indem die erforderlichen Adreßsignale mit einem besonderen Signalpegel über die ohnehin vorhandenen Daten-Sammelleitungen gelangen. Im Gegensatz zu den üblichen Matrizen wird die erweiterte Matrix nur mit einer einzigen multifunktionalen Art von Sammelleitungen gesteuert, bei der sich die jeweilige Funktion einzelner Treiberleitungen taktweise verschiebt. Durch Ausnutzung der nichtlinearen Impedanz anzusteuernder Matrixelemente, werden dort keine zusätzlichen Dekoder oder Multiplexer benötigt. Schwellspannungseigenschaften, wie sie beispielsweise bei Lichtemissionsdioden vorkommen, dienen dort der Entkopplung der Maschen zwischen verschiedenen Matrixelementen. Damit wurde die Zahl steuerbarer Matrixelemente bei vergleichbarer Anzahl von Treiberanschlüssen, gegenüber herkömmlichen Matrixschaltungsanordnungen mit getrennten Daten- und Gruppenanschlüssen, auf fast das 4fache erhöht.

Mit dieser erweiterten Matrix ist es jedoch nicht möglich, beliebige Elemente zu betreiben. Für den Einsatz in hochauflösenden Flachbildschirmen wird zudem eine weitere Anschlußreduzierung für verschiedene Arten von Anzeigeelementen benötigt, wobei der elementbezogene technische Aufwand eine Bedeutung hat, die mit größerer Elementmenge zunimmt.

Aufgabe

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die benannten Einschränkungen der erweiterten Matrixschaltungsanordnung zu beheben und zugleich weitere Lösungen zur Anschlußreduzierung bereitzustellen, wobei die Schaltungsstruktur im Gegensatz zu bekannten Anordnungen einen weitgehenden Dimensionierungsspielraum bieten soll, um die Grenzen technologisch bestimmter Ausfallraten sowie dynamischer Eigenschaften von Halbleiterschaltern und gegebenenfalls von Flüssigkristallen optimal zur Reduzierung der Matrixanschlüsse ausnutzen zu können. Insbesondere sollen dabei Lösungen entwickelt werden, die auf der Basis von Dünnschicht-Transistoren beziehungsweise auf der Basis von Dünnschicht-Dioden realisierbar sind und die dabei möglichst auf Kondensatoren und langsamere komplementäre Transistoren verzichten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

a) daß die Selektion der Matrixelemente (E) jeweils, mit einer vorbestimmten Anzahl von mindestens zwei gleichzeitig zu aktivierenden Adreßsignalen erfolgt, wobei den Elementen beziehungsweise den Elementgruppen jeweils eine Adreßeingangsgruppe mit unabhängig steuerbaren Adreßeingängen zugeordnet ist und wobei diese Adreßeingänge entweder übereinstimmende oder unterschiedliche Aktivierungsbereiche haben, was entsprechend unterschiedliche Aktivierungsschwellen erfordert,
b) daß die Eingänge der Adreßeingangsgruppen jeweils an ausgewählten Leitungen, einer mindestens doppelt so großen Menge von Sammelleitungen geschaltet sind, wobei die Anzahl verschiedener Anschaltmöglichkeiten, der Anzahl unabhängig selektierbarer Elementgruppen beziehungsweise der Anzahl aller Aktivierungs-Permutationen der Adreßsignale entspricht
c) und daß die Adreßeingänge und Datenanschlüsse der Matrixelemente, insbesondere während der Selektion fremder Elementgruppen, keine funktionsstörende Impedanz aufweisen.

Diese Lösung repräsentiert einen Kompromiß zwischen der einfachen 1 aus n-Adressierung und der Adressierung über einen Binärdekoder. Obwohl mehr Adreßanschlüsse als beim Binärdekoder benötigt werden, ist der Gesamtaufwand aus Sammelleitungen, Anschlüssen und Dekoderelementen bedeutend geringer. Dies zeigt sich jedoch erst im Zusammenhang mit konkret realisierten, technologisch angepaßten Dekoderlösungen und für bestimmte Mengen von zu betreibenden Elementen. Die Dekodierung einer stets bekannten Anzahl an Sammelleitungen wechselnder Aktivierungszustände, kann man als Permutations-Dekodierung bezeichnen. Diese ermöglicht vorteilhafterweise Sparschaltungen der Dekoder mit stark reduzierter Anzahl auszuwertender Signale. Im Zusammenhang mit den Ansprüchen 7 bis 10 wird es möglich die Dekoderbauelemente im Bildbereich von Matrixfeldern zu integrieren.

Die Fig. 1, 2 und 4a bis 4d zeigen Ausführungsmöglichkeiten dazu. Bereits mit 2 von n Aktivierungszuständen übereinstimmender Aktivierungsbereiche, sind n_*(n-1)/2 verschiedene Permutationen beziehungsweise Selektionen möglich. Sind die 2 von n Aktivierungszustände verschieden, so verdoppelt sich die Anzahl der Permutationen auf n_*(n-1). Zur Selektion von 1024 Elementgruppen würde man demzufolge 46 beziehungsweise 33 Adreßleitungen benötigen. Die Dekoder sind dabei mit zwei Adreßeingängen versehen und mit ein bis zwei Bauelementen realisierbar. Demgegenüber benötigt ein Binärdekoder nur 10 Adreßleitungen aber ebensoviel Eingänge mit jeweils komplizierterem Aufbau. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von Aktivierungs-Permutationen an Gruppen von Adreßleitungen ist, daß Aktivierungszustände verschiedener Signalpegel nicht notwendigerweise mit einem komplizierten Fensterkomparator identifiziert werden müssen. Einfache gestaffelte Schaltschwellen der Adreßeingänge und angepaßt gestaffelte Steuersignale genügen. Hierzu eigenen sich besonders MOSFET′s mit unterschiedlichen Abschnürspannungen (Up). Fig. 4c und d zeigt ein Beispiel. Bei einer Reihenfolge von Aktivierungssignalen, die nicht der Reihenfolge der Adreßeingänge entspricht, steht einem übersteuerten Adreßeingang immer ein nicht aktivierter gegenüber. Merkmal c) ist besonders bei an den Sammelleitungen wechselnden Signalarten und Spannungspegeln zu beachten. Für die Anschlüsse der Elemente oder Elementgruppen sind alle Variationen möglicher Steuerzustände zu berücksichtigen. Insbesondere in Verbindung mit Anspruch 3, kann es zugunsten einfacher Elemente sinnvoll sein, auf solche Aktivierungs-Permutationen der Steuersignale zu verzichten, die an den Anschlüssen der Elemente zu unverträglichen Signalvarianten führen würden. Elemente mit mehreren Steueranschlüssen, wie beispielsweise Feldemissions-Tetroden, werden vorzugsweise mit einem einen Betriebsstrom führenden Anschluß an eine Datenleitung geschaltet.

Ein weiterer Vorteil der Permutations-Dekoder sind gute dynamische Eigenschaften, die aus deren einstufigen Realisierbarkeit und aus einer geringeren Adreßleitungsbelastung resultieren.

Dementsprechend sollte die Zahl der Adreß-Sammelleitungen vorzugsweise viel größer sein als die Zahl der Eingänge einer Adreßeingangsgruppe. Neben den Maßnahmen aus Anspruch 1, sind in Abhängigkeit vom Einsatzgebiet, zusätzliche Maßnahmen weiterer Ansprüche erforderlich um die gewünschten Nutzeffekte zu erzielen.

Anspruch 2 beschreibt mögliche Varianten der Adressierung. Verschiedene räumliche Anordnungen der Sammelleitungen in der Matrix sind damit realisierbar. Merkmal a) gestattet die Nutzung aller möglichen Aktivierungs-Permutationen. Durch die hohe Zahl selektierbarer Elementgruppen sind damit insbesondere sehr lang gestreckte, bandartige Matrixfelder möglich. Die Steueranschlüsse eines solchen Matrix-Bandes können vorteilhafterweise an einer einzigen Seite liegen. Merkmal b) des Anspruchs 2 ermöglicht insbesondere gekreuzt verlaufende Gruppen in sich gerader Adreß-Sammelleitungen. Dabei ist es für die Anordnung der Sammelleitungen vorteilhaft, wenn in jeder Adreßgruppe nur ein oder höchstens zwei aktive Adreßsignale zur Anwendung kommen. Die gekreuzten Adreßleitungen können im Zusammenhang mit Anspruch 5, für die Selektion einer größeren Anzahl, rasterförmig in einer Haupt-Matrix angeordneter Sub-Matrizen angebracht sein oder wenn innerhalb eines Matrixfeldes Adreßeingangsgruppen mit mehr als zwei Eingängen anzusteuern sind.

Anspruch 3 zeigt, wie die Vorteile aus Anspruch 1 mit denen aus der "Erweiterten Matrixschaltungsanordnung" kombiniert werden können. Zudem ist mit dem Merkmal c) eine Aktivierungs- beziehungsweise Selektionsbedingung für Matrixelemente benannt, die auch für die bekannte Erweiterte Matrix gültig ist und auf deren Grundlage einsetzbare Elementarten ausgewählt und entwickelt werden können, die für diese Schaltung bisher nicht nutzbar erschienen. Das sind insbesondere LCD-Elemente mit oder ohne vorgeschalteten Dioden- oder Feldeffekttransistor-Schaltern (FET). Mit Hilfe vorgeschalteter FET′s können nahezu beliebige Elemente in der Matrix betrieben werden, wobei erforderlichenfalls Signalzustände zwischengespeichert und größere Betriebsströme über getrennte Hilfsleitungen geführt werden können. Die Abschnürspannungen (Up) der Transistoren müssen größer sein als der Steuerbereich der Datenspannungen (U_DSS). Beispiele sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Der Einsatz passiver LCD′s erfordert die Berücksichtigung unerwünschter aber reproduzierbarer und deshalb korregierbarer Wechselwirkungen. Im Gegensatz zu normalen passiven LCD′s, ist den nicht mit einem Adreßsignal aktivierten Sammelleitungen zwangsläufig eine als Störgröße betrachtbare Datenspannung überlagert. Diese Störgröße kann mit vorausschauend korregierten Datensignalen, oder mit einem zusätzlichen Korrekturzyklus komplementär wirkender Datensignale ausgeglichen werden.

Fig. 3a und 3b stellt ein Realisierungsbeispiel mit minimaler Sammelleitungszahl dar. Mit insgesamt 5 Sammelleitungen und 40 Transistoren, die der Adreßdekodierung dienen sind 120 Matrixelemente betreibbar. Anstelle der Lichtemissionsdioden (LED′s) können vorteilhafterweise auch Stromtransmitter-Sensoren, Schalter einer Computer-Tastatur, Antriebe und Relais verwendet werden. Einzelne Elemente können mit nur 3 Anschlüssen angeschaltet werden. Zudem sind langgestreckte Matrixfelder in Form eines Matrix-Bandes realisierbar. So ein Matrix-Band, kann beispielsweise einen Steuerbus für örtlich verteilte Elemente bilden. Vorteilhaft ist dabei, daß mit parallelen, störunempfindlichen und einfach prüfbaren Steuersignalen, ein geringer Schnittstellenaufwand mit sehr wenigen Sammelleitungen und dennoch ungewöhnlich vielen adressierbaren Baugruppen möglich ist.

Anspruch 4 beschreibt eine Lösung, um die Anzahl der Datenanschlüsse, insbesondere für nahezu quadratische Bildfelder, zu reduzieren. Dabei wird die Funktion sonst gebräuchlicher Datenmultiplexer durch zusätzliche Adreßdekoder übernommen. Vorteilhaft ist der Verzicht auf separate Daten-Zwischenspeicher und der hohe Nutzungsgrad von Sammelleitungen und Matrixanschlüssen, insbesondere in Zusammenhang mit verschiedenen Aktivierungsbereichen nach Anspruch 1a), 2a) und 3. Bildfelder für Computer-Flachbildschirme sind realisierbar, indem ein langes Matrix-Band in Abschnitte gegliedert ist, die ein vorgegebenes Matrixfeld mäanderförmig oder mehrfach parallel abdecken. Die Grenzen zur Reduzierung der Datenanschlüsse werden durch das zulässige Tastverhältnis der Matrixelemente beziehungsweise der Elementgruppen und durch deren Schaltgeschwindigkeiten bestimmt. Schnelle Halbleiterschalter und hohe Multiplex-Tastverhältnisse ermöglichen geringere Anschlußzahlen. Anspruch 4 bildet zudem eine Realisierungsgrundlage für Anspruch 5.

Anspruch 5 beschreibt eine Lösung für Matrixelemente mit beschränkt nutzbarem Tastverhältnis. Das können beispielsweise LED′s oder passive LCD′s sein. Normalerweise werden solche Elemente mit je einem Zwischenspeicher je Matrixelement versehen. Der Aufwand bei Computerbildschirmen hoher Auflösung ist jedoch derart hoch, daß die technologischen Ausfallraten Kosten- und Realisierungsgrenzen setzen. Mit der Anwendung der Merkmale des Anspruches 5, kann die Zahl erforderlicher Schaltelemente drastisch gesenkt werden. Zudem ist vorteilhaft, daß das wirksame Tastverhältnis an den Anzeige-Elementen relativ unabhängig von der Größe und Auflösung des Bildfeldes optimiert festgelegt werden kann. Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 9 bis 12 abgebildet. Die in der Hauptmatrix enthaltenen Submatrizen, speichern ihre Aussteuerungszustände prinzipiell ebenso, wie aktive LCD′s. Die Submatrizen speichern lediglich mehrere Datenzustände, die nur intern eine besondere Bedeutung haben. Der wesentlichste Vorteil besteht in der Nutzung der Speicher-Schaltelemente für viel mehr als ein Matrixelement. Bei größer werdendem Tastverhältnis wird eine kleinere Anzahl von Schaltelementen benötigt. Vorteilhaft ist außerdem, die mit zunehmenden Tastverhältnis verkürzte Speicherzeit. Dadurch lassen sich Flüssigkristalle und Schalter mit relativ großen Leckströmen und relativ kleinen Speicherzeitkonstanten ohne zusätzliche Speicherkondensatoren verwenden. Um die Zahl von Schaltern in den Submatrizen noch weiter zu verringern, kann der Einsatz von Matrizen mit multifunktionalen Sammelleitungen vorteilhaft sein. Anspruch 6 beschreibt ein geeignetes Verfahren zum Betrieb verschachtelter Matrizen für LCD′s. Eine Wechselspannungsperiode erstreckt sich daher über zwei Hauptzyklen.

Die Ansprüche 7 bis 10 beschreiben verschiedene Lösungsmerkmale für den konkreten Aufbau und die Anordnung von Dekodern. Die Merkmale 7a) bis c) sind grundlegend, die nachfolgenden Merkmale sind wahlweise anzuwenden. Merkmal 7d) eignet sich beispielsweise für den Wechselspannungsbetrieb von gruppenweise selektierten LCD-Elementen (Fig. 2), LED-Paaren (Fig. 3b) oder mit wechselnder Stromrichtung zu betreibender Stellantriebe. Dabei kann es vorteilhaft sein, während der Selektion einer Elementgruppe, an den Datenleitungen positive und negative Steuerströme zu verteilen. Auf diese Weise ergeben sich kleine Summen-Rückflußströme, wodurch Treiberschaltkreise und Sammelleitungen für niedrigere Belastungen auslegbar sind und wodurch kleinere Last-Spannungsrückwirkungen auftreten. Diese Verfahrensweise ist besonders für den Aufbau von Bildschirmtreibern vorteilhaft, weil die Chipfläche der vielen Steuerausgänge wesentlich verkleinert werden kann.

Die Merkmale des Anspruches 8 führen zu einem Gruppendekoder, der besonders leicht in ein Matrixfeld integriert werden kann. Fig. 2 zeigt eine entsprechende Schaltung. Die Adreßleitungen (A+, A-) lassen sich gleichmäßig verteilt zwischen den Datenleitungen (D) anordnen. Weitere Hilfsleitungen werden nicht benötigt, weil die logische Verknüpfung der Dekoderelemente über die vorhandene Gruppenleitung erfolgt. Diese Integration der Dekoder in den Bildbereich wird erforderlich, wenn Zeilen eines Bildfeldes in mehr als zwei unabhängig selektierbare Bereiche segmentiert und die Gruppenleitungen nicht mehr vom Bildfeldrand zugeführt werden können. Eine aktive LCD-Matrix mit Diodenschaltern ist bereits mit einfachen Dekodern nach Anspruch 8 betreibbar, wenn die Ladungsumkehr an den LCD-Elementen über einen Hilfsspannungsanschluß und ein Reset-Verfahren erfolgt. Dies ist von K. E. Kuÿk unter der Bezeichnung "D²R circuit" beschrieben. Nachteilig ist, daß dieses Verfahren einen zusätzlichen Zeittakt benötigt. Mit den Merkmalen des Anspruches 9 ist eine Umladung ohne Zeitverlust möglich. Fig. 2 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel.

Anspruch 10 beschreibt Lösungen für Dekoder mit Transistoren. Falls Merkmal b) angewendet wird, sollten die Transistoren niedrige Abschnürspannungen aufweisen. Vorteilhaft ist, daß weder komplementäre Transistoren noch Ziehwiderstände benötigt werden. In Fig. 1 ist ein zugehöriges Ausführungsbeispiel dargestellt. Auch diese Schaltung läßt sich in den Bildbereich integrieren. Dabei muß jedoch eine Hilfsleitung parallel zur Gruppenleitung angeordnet werden. Die der Entladung der Gruppenleitung dienenden Dioden, sind nicht erforderlich, wenn das Abschalten des Selektionszustandes mit einem Signalwechsel an der Adreßleitung des Schaltkanales beginnt, wobei die Entladung erfolgt, und wenn der nachfolgende Steuerzustand erst mit zeitlicher Verzögerung an die Adreßleitungen gelegt wird.

Anspruch 11 beschreibt zwei Anordnungsformen von Sammelleitungen, die sich besonders für Matrizen mit zweifach aktivierten Steuersignalen eigenen. Die entsprechenden, in den Fig. 4a und 5a abgebildeten, Grundformen lassen sich auch mehrfach überlagert beziehungsweise verschachtelt anwenden und eignen sich dann für komplexere Steuersignale. Merkmal 12b) ist nur bei ungerader Anzahl von Sammelleitungen für alle Permutationen realisierbar. Ein regelmäßiges Zählschema für das Knotenmuster in der Matrix, ist aus Fig. 4a zu ersehen. Die unteren 4 Knoten auf den Adreßleitungen A1, A2, A4 und A7 haben einen mit 1 beginnenden schrittweise um jeweils 1 erhöhten horizontalen Abstand. Dieses Muster wiederholt sich umlaufend, wodurch die diagonal von rechts unten nach links oben verlaufenden Knotenreihen entstehen.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand von Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt den Schaltungsausschnitt eins aktiven TFT-LCD′s. Die Anzeigeelemente weisen funktionell keine Besonderheiten auf. Ihre Anordnung ist in Bezug auf die Sammelleitungen vertikal gestaucht. Bei links- und rechtsseitig am Matrixfeldrand angeordneten Dekodern, lassen sich die Bildzeilen in 4 nacheinander selektierbare Bereiche einteilen. Die Funktion des Dekoders wurde bereits mit Anspruch 10 beschrieben. Nochmals sei darauf verwiesen, das die Dioden bei Einhaltung bestimmter Steuerbedingungen entfallen können. Fig. 2 stellt eine auf aktive TFD-LCD′s zugeschnittene Lösung dar. Die Dekoder sind paarweise, mit verdoppelten Aufwand realisiert, weil die Diodenschalter für jedes Matrixelement getrennte Stromwege erfordern. Die Ziehwiderstände sollten vorzugsweise nichtlineares strombegrenzendes Verhalten haben. Parallel geschaltete Sperrschichtkapazitäten können zum Erhalt einer guten Schaltdynamik, bei vergrößerten Widerstandswerten führen. Die Verlustleistung der Ziehwiderstände geht in die Leistungsbilanz des Bildschirmes ein.

Fig. 3a zeigt eine Anordnung von 5 multifunktionalen Sammelleitungen zur Ansteuerung von 120 Elementen in 20 Elementgruppen und 40 Multiplextakten. Der kreuzweise Wechsel der Sammelleitungen folgt dabei dem gruppenweisen Wechsel der Adreßsignale. Daher kann der aus ein oder zwei Transistoren bestehende Dekoder jeweils am Kreuzungspunkt angeschlossen werden. Fig. 3b zeigt eine aus LED′s bestehende Elementgruppe mit vorgeschaltetem Gruppendekoder. Der Dekoder ist für zwei getrennt geführte Stromrichtungen ausgeführt. Bei kritischer Dimensionierung der Schaltschwelle eines Dekodertransistors könnten die LED′s auch an eine gemeinsame Gruppenleitung geschaltet sein. Die Einschaltspannung der Dekoder (U_A+- U_A-) muß in jedem Fall größer als die maximale Datenspannungsdifferenz (U_DSS) sein. Dies ist mit den Abschnürspannungen der Transistoren zu gewährleisten. Für höhere Betriebsspannungen können den Dekodertransistoren am Gate spannungsverschiebende Gruppendekoder nach Fig. 7b bis 7e vorgeschaltet werden.

Fig. 4a zeigt eine mit Anspruch 11 beschriebene Adreßleitungs-Anordnung. Mit den Fig. 4b bis d werden Lösungsbeispiele für TFT-LCD-Elemente gezeigt. Die jeweils in Reihe liegenden Schaltkanäle können auch komplementären Leitfähigkeitstypen zugehören. Damit wären leicht verschiedene Bereiche der Aktivierungsspannungen realisierbar. Bei Verwendung von Dünnschichttechnologien ist ein einheitlicher Leitfähigkeitstyp vorteilhafter. Mit der Lösung aus Fig. 4d wird auf Grund antiparallel geschalteter Adreßeingänge eine Verdopplung der Permutationen erzielt.

Fig. 5a zeigt ein rautenförmiges Netz von Sammelleitungen, in dem jede Leitung jede andere einmal kreuzt. Den Kreuzungspunkten können die Elemente (E) nach Fig. 5b bis e zwischengeschaltet sein. Die homogene Leiterzuganordnung ermöglicht deren Verwendung in Bildfeldern. Fig. 6a zeigt eine vergleichbare bekannte Leiterzuganordnung, die durch eine Unstetigkeit in der Hauptdiagonalen gekennzeichnet ist. Die Fig. 6c bis d enthalten verschiedene Arten einsetzbarer Matrixelemente (E). Mit den Fig. 7a bis e werden Kombinationen von Matrixelementen (E) mit einfachen vorgeschalteten Gruppendekodern (G) dargestellt. Dabei wird vor allem der Einsatz linearer Matrixelemente erschlossen. Zur Entkopplung einfacher Elemente innerhalb einer Gruppe, ist ihnen jeweils eine Diode oder ein Transistor vorgeschaltet. Fig. 8a, c und d verdeutlicht den paarweisen Betrieb von an einer Datenleitung liegenden Elementen mit entgegengerichteter Stromrichtung.

Fig. 9a zeigt eine, in Submatrizen gegliederte Hauptmatrix. Die externen Datenleitungen für die internen Adreß- und Datenleitungen der Submatrizen (A1-A4, D1-D5), durchlaufen das Hauptmatrixfeld jeweils mäanderförmig. Das erspart Leitungskreuzungen im Randbereich. Die Adreßanschlüsse der Submatrizen (Aa-Af) sind einzeln an den Randbereich geführt. Fig. 9b stellt die Ausführung einer Submatrix mit passiven LCD-Elementen dar. Unten ist der Schnitt durch ein LCD-Element abgebildet, das von einer Glasträgerplatte aus gesteuert wird und auf der Gegenseite eine anschlußlose, elektrisch schwimmende Gegenelektrode hat, die bestimmte horizontale Lagetoleranzen zuläßt. Alternativ zu dieser Detaillösung, könnten die Schalttransistor-Reihen mit ihren Sammelleitungen auf beide gegenüberliegende Trägerplatten angeordnet werden. Eine Durchkontaktierung im Randbereich ist ebenfalls möglich. Von allen Schalttransistoren einer Schaltergruppe, darf prinzipiell einer eingespart werden oder durch Kurzschluß des Schaltkanales ausfallen. Diese Redundanz kann gezielt ausgenutzt werden.

Fig. 10 zeigt ein Taktdiagramm zum entsprechenden Multiplex-Verfahren nach Anspruch 6. Die Datensignale sind zusammengefaßt dargestellt, wobei die Schraffur den möglichen Spielraum der Datenspannungen andeutet.

Fig. 11 zeigt eine Submatrix-Variante, mit passiven LCD-Elementen und multifunktionalen Sammelleitungen (M1 . . . 7). Dabei wurde an einer Sammelleitung auf einen Schalter verzichtet. Das Sammelleitungs-Netz ist entsprechend Anspruch 11a) rautenförmig angeordnet. Die Anordnungsproblematik zwischen beiden Trägerplatten ist schwieriger zu lösen, als bei Fig. 9b, weil die Sammelleitungen an den Punkten ihrer Richtungsumkehr (obere und untere Seite) zur gegenüberliegenden Trägerplatte wechseln müßten. Am einfachsten scheint die einseitige Ansteuerung benachbarter Elektroden-Segmente mit schwimmender Gegenelektrode.

Fig. 12 zeigt ein letztes Ausführungsbeispiel zur Ansteuerung von LED′s mit Zwischenspeichern. Die LED′s sind paarweise antiparallel geschaltet. Dies ermöglicht es, mit einfachen Speicherbaugruppen und wechselnden Hilfsspannungen (U+/o, Uo/+) mehr Matrixelemente mit derselben Zahl von Transistoren anzusteuern. Die Sammelleitungen (D1/A1 . . . A1/D1) haben dabei wechselnde Adreß- und Datenfunktion. Dadurch ist, trotz wechselnder Stromrichtung, ein gleichartiger und einheitlicher Betrieb der stromsteuernden Transistoren möglich.

Bezugszeichenliste

A . . . Adreß-Sammelleitung
A+, A- Adreß-Sammelleitung positiv aktiviert, negativ aktiviert
D . . . Daten-Sammelleitung
E Matrix-Element
G Gruppen-Dekoder
M multifunktionale Sammelleitung
HT Haupt-Takt
HZ Haupt-Zyklus
ST Sub-Takt
SZ Sub-Zyklus
U . . . Hilfs-Spannung
U_A . . . Adreßsignal-Spannung
U_D Daten-Spannung
U_DSS Steuerbereich der Daten-Spannung
Up FET-Abschnür-Spannung

Claims

1. Matrixschaltungsanordnung mit Permutations-Dekodierung und Ansteuerverfahren, bestehend aus Elementgruppen zugehörenden, selektierbaren sowie multiplex betreibbaren Matrixelementen, deren Selektion jeweils mit einem Adreßsignal erfolgt, das taktweise in einer Gruppe von Matrix-Sammelleitungen wechselt und jeweils eine davon aktiviert, während die Aussteuerungszustände der selektierten Elemente mit einer Gruppe von Datensignalen übertragen werden, insbesondere nach Patentanmeldung 195 25 019.2, mit über gleiche Sammelleitungen, abwechselnd übertragenen Adreß- und Datensignalen, dadurch gekennzeichnet,

2. Matrixschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die gleichzeitig zu aktivierenden Adreßsignale, entweder mit einer einzigen Sammelleitungsgruppe bei beliebiger Aktivierungs-Permutation übertragen werden
b) oder mit mehreren Sammelleitungsgruppen, wobei die Aktivierungs-Permutationen nur innerhalb der jeweiligen Gruppe beliebig sind.

3. Matrixschaltungsanordnung mit zusammengeschalteten Daten- und Adreß- Sammelleitungen, insbesondere nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

a) daß in an sich bekannter Weise, mit einer Gruppe multifunktionaler Sammelleitungen (M) sowohl Adreßsignale zur Selektion als auch Datensignale zur Aussteuerung von Matrixelementen (E) übertragen werden, wobei die Datensignale jeweils mit den Sammelleitungen (M) übertragen werden, die kein aktives Adreßsignal führen,
b) daß sich die Steuerbereiche der Datensignale außerhalb der Aktivierungsbereiche von Selektions- beziehungsweise Adreßeingängen befinden, wodurch unkontrollierbare Selektionen ausgeschlossen werden
c) und daß bei Bedarf Elemente (E) eingesetzt werden, die eine nichtlineare Übertragungskennlinie bezüglich ihres Aussteuerungszustandes haben.

4. Matrixschaltungsanordnung mit reduzierter Datenleitungs-Anschlußzahl, wobei Matrixelemente und Datenleitungen in einem Bildfeld geometrisch bestimmt und bildzeilen- oder bildgruppenweise angeordnet sind, insbesondere für Flachbildschirme oder Bildsensoren und insbesondere nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Zahl der Datenleitungen (D) bezüglich der Rasterverhältnisse im Bildfeld und insbesondere bezüglich der Anzahl in einer Bildzeile oder Bildgruppe angeordneten Matrixelemente, unter Einhaltung der Beschränkungen aus möglichen Multiplextaktzeiten, auf einen Bruchteil reduziert ist, wobei dieser Bruchteil größer oder gleich zwei und vorzugsweise ganzzahlig ist,
b) und daß die Zahl nacheinander selektierbarer Elementgruppen, zur Beibehaltung der Größe des Matrixfeldes, auf ein entsprechendes Vielfaches erhöht ist.

5. Matrixschaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, für den Multiplexbetrieb von Matrixelementen, die mit einem Tastverhältnis relativ großer Einschaltzeit zu betreiben sind, insbesondere für Displays mit lichtemittierenden Elementen oder mit passiv adressierten Flüssigkristall-Elementen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß innerhalb einer Haupt-Matrix, anstelle selektierbarer Elementgruppen, Sub-Matrizen betrieben werden, die ebenso wie Elementgruppen, mit einem oder mehreren externen Adreßeingängen (Aa . . . Af) selektierbar und mit einer Gruppe externer Datenanschlüsse, in die Hauptmatrix geschaltet sind,
b) daß die internen Daten- und Adreßleitungen der Submatrizen (A . . . , D . . . ), während der im Multiplextakt der Hauptmatrix ablaufenden externen Selektion, mit Hilfe einer entsprechend gesteuerten Schaltergruppe, an die externen Datenleitungen in der Hauptmatrix geschaltet werden
c) und daß die mit den externen Datenleitungen übertragenen, internen Daten- und Adreßsignale innerhalb der jeweiligen Submatrix, von einer bis zur nächsten Selektionsphase gespeichert werden, und zwar vorzugsweise mit der Kapazität der Matrixelemente der Submatrix oder mit Hilfe von zusätzlichen, der jeweiligen Schaltergruppe nachgeschalteten Zwischenspeichern, wobei die Zwischenspeicher entweder eine sehr große Entladezeitkonstante haben oder eine kleinere, die zu einer datensignalabhängigen Einschaltzeit des jeweiligen Matrixelementes führt.

6. Verfahren zur verschachtelten Multiplexsteuerung einer Hauptmatrix mit Submatrizen, bei dem an sich bekannte, auf bestimmte Arten von Matrixelementen zugeschnittene Multiplexverfahren verwendet werden, insbesondere für eine Matrixschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

a) daß Submatrizen innerhalb einer Hauptmatrix, in nachfolgend als Sub-Zyklen (SZ) bezeichneten Multiplexzyklen betrieben werden, wobei alle Submatrizen während aufeinanderfolgender Sub-Takte (ST), über ihre externen Adreßeingänge selektiert werden und wobei an ihren externen Datenanschlüssen alle Adreß- und Datensignale zur internen Ansteuerung, entsprechend der inneren Art und Struktur der Submatrix anliegen,
b) daß mit einem Sub-Takt (ST), eine bestimmte Elementgruppe innerhalb der Submatrix selektiert und angesteuert wird, wobei der entsprechende Steuerzustand während nachfolgender, anderer Sub-Takte intern erhalten bleibt, so daß während eines gesamten Sub-Zykluses (SZ), in jeder Submatrix eine bestimmte Elementgruppe ihre Aussteuerungszustände erhält und speichert
c) und daß ein Haupt-Zyklus (HZ) aus aufeinanderfolgenden Sub-Zyklen (SZ) besteht, die die Elementgruppen der Submatrizen jeweils nacheinander selektieren und aussteuern, wobei die Änderung des Steuerzustandes der Submatrizen im Zeitraster der Haupt-Takte (HT) und während der Zeitdauer der Sub-Takte (ST) erfolgt.

7. Gruppendekoder für Matrixschaltungsanordnungen, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 sowie für Bildfelder mit Bauelementen in Dünnschichttechnik, dadurch gekennzeichnet,

a) daß Elementgruppen oder gegebenenfalls einzelnen Matrixelementen (E), ein der Selektion dienender Gruppendekoder (G) vorgeschaltet ist,
b) daß die Gruppendekoder (G) aus einem oder mehreren Dekoderelementen bestehen, die Adreßeingänge bilden,
c) daß ein Gruppendekoder-Ausgang die Selektion der zugehörigen Elementgruppe über eine Gruppenleitung steuert
- und gekennzeichnet durch eine beliebige Auswahl aus folgenden Merkmalen:
d) Gruppendekoder (G) haben für verschiedene Betriebsstromrichtungen der zu steuernden Matrixelemente (E) jeweils zwei Ausgänge, die bei fehlender Selektion keinen durch verschiedene Datenspannungen verursachten Querstrom zulassen;
e) Gruppendekoder (G) sind im Randbereich des Bildfeldes einer Matrix angeordnet;
f) Gruppendekoder (G) sind innerhalb des Bildfeldes einer Matrix integriert angeordnet;
g) Dekoderelemente sind wahlweise über die Länge der Gruppenleitungen verteilt;
h) Dekoderelemente sind innerhalb von Bildpunkten eines Bildfeldes integriert;
i) steuernde Adreßleitungen verlaufen gekreuzt zur jeweiligen Gruppenleitung;
j) steuernde Adreßleitungen verlaufen parallel zur Gruppe der Daten-Sammelleitungen;
k) Gruppendekoder haben gegebenenfalls nur eine Hilfsfunktion zur Signalverschiebung und Entkopplung verschiedener Elementgruppen und enthalten dazu Z-Dioden, nichtlineare Widerstände oder schwimmende Hilfsspannungsquellen, insbesondere periodisch nachzuladende Kondensatoren;
l) Submatrix-Dekoder haben die Merkmale von Gruppendekodern, steuern jedoch die Schaltergruppen von Submatrizen, wobei die Schalter, wie Dekoderelemente angeordnet sein können.

3. Gruppendekoder (G) mit Diodenlogik nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die logische Verknüpfung der Dekoderelemente mit Hilfe der zu steuernden Gruppenleitung erfolgt,
b) daß die Dekoderelemente vorzugsweise zweipolig ausgeführt, Dioden oder vergleichbare nichtlineare Widerstände enthaltend, der jeweiligen Adreßleitung (A) und der Gruppenleitung zwischengeschaltet sind,
c) und daß ein gegebenenfalls erforderlicher Ziehwiderstand vorzugsweise, entweder allein oder parallel zu einer Diode, in einem Dekoderelement enthalten ist, wobei die auf ihn entfallende Verlustleitung nur taktweise auftritt.

9. Gruppendekoder nach Anspruch 8 und einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere für mit Wechselspannung zu betreibende Flüssigkristall-Elemente, denen an einer Elektrode zwei, zu verschiedenen Sammel- beziehungsweise Gruppenleitungen führende Schalt-Dioden für jeweils entgegengesetzte Stromrichtungen vorgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der anodenseitige Anschluß des Matrixelementes über eine Anoden-Gruppenleitung zu einem Anoden-Gruppendekoder in Diodenlogik führt, dessen aus Dioden bestehenden Dekoderelemente mit ihren katodenseitigen Eingängen an eine Gruppe positiv zu aktivierender Adreßleitungen (A+) angeschlossen sind,
b) und daß der katodenseitige Anschluß des Matrixelementes über eine Katoden-Gruppenleitung und einen entsprechend komplementär aufgebauten Katoden-Gruppendekoder, an eine Gruppe negativ zu aktivierender Adreßleitungen (A-) angeschlossen ist.

10. Gruppendekoder mit Transistor-Logik, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

a) daß eine Hilfsleitung von einem ersten Dekodereingang, von einer Datenleitung (D, M) oder von einer Hilfsspannungsquelle (U . . . ) zur anzusteuernden Gruppenleitung führt, wobei der Hilfsleitung jeweils ein oder mehrere, vorzugsweise aus Feldeffekttransistoren bestehende und von Adreßleitungen gesteuerte Schaltkanäle zwischengeschaltet sind
b) und daß wahlweise beim Bedarf der Entladung einer Gruppenleitung, zur Vermeidung von Ziehwiderständen und komplementären Transistoren, zusätzlich Dioden von den steuernden Adreßleitungen zur Gruppenleitung oder zu einem in Richtung Gruppenleitung führendem Hilfsleitungsabschnitt geschaltet sind, wobei die Dioden außerhalb des Aktivierungsbereiches der Schaltkanäle, der vorherigen Einschaltstromrichtung in der Gruppenleitung entgegenwirken.

11. Anordnung von Sammelleitungen für Matrixschaltungsanordnungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, durch eines oder beide der folgenden Merkmale gekennzeichnet,

a) Sammelleitungen verlaufen diagonal durch ein Matrixfeld und ändern dabei im Randbereich ihre Richtung, wobei ein rautenförmiges Leitungsnetz entsteht, in dem sich jedes beliebige Leitungspaar kreuzt;
b) Sammelleitungen für zwei zu aktivierende Adreßsignale sind mehrfach parallel in einer Folge angeordnet, in der jedes beliebige Leitungspaar benachbart ist.