DE69828158T2

DE69828158T2 - Vorrichtung zur steuerung einer matrixanzeigestelle

Info

Publication number: DE69828158T2
Application number: DE69828158T
Authority: DE
Inventors: François Maurice
Original assignee: Thales Avionics LCD SA
Current assignee: Thales Avionics LCD SA
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: EP0972282B1; EP0972282A1; FR2772501B1; WO1999031650A1; KR20000070943A; US20020130827A1; DE69828158D1; FR2772501A1; JP2001512588A; US6844874B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Matrixsteuervorrichtung, genauer eine Matrixsteuervorrichtung, die bei einem Flachbildschirm, wie zum Beispiel einem Flüssigkristallbildschirm von der Art mit aktiver Matrix, oder anderen Arten von Flachbildschirm verwendet wird.
Im Stand der Technik wird eine Matrixsteuervorrichtung zum Beispiel verwendet, um die Zellen eines Flachbildschirms, wie zum Beispiel Flüssigkristallzellen, zu steuern. In diesem Fall handelt es sich um einen Flüssigkristallbildschirm mit aktiver Matrix, der auch unter der Abkürzung AM-LCD bekannt ist. Ein solcher Flüssigkristallbildschirm mit aktiver Matrix ist in 1 dargestellt. In diesem Fall besteht der Bildschirm aus einer bestimmten Anzahl von elektrooptischen Zellen, die je von einer Elektrode und einer Gegenelektrode gebildet werden, die den Flüssigkristall umschließen. Diese Zellen tragen in der Figur das Bezugszeichen XL. Die elektrooptischen Zellen sind in Zeilen und Spalten angeordnet und werden je von einem Schaltkreis gesteuert, der Teil einer Matrixsteuervorrichtung ist. Wie in 1 gezeigt, besteht der Schaltkreis aus einem Transistor T, von dem eine Elektrode mit einer Spalte Cj und die andere Elektrode mit der elektrooptischen Zelle XL verbunden ist. Andererseits ist das Gate des Transistors T mit einer der Zeilen Li der Steuervorrichtung verbunden. Meist ist die elektrooptische Zelle XL einem Speicherkondensator CP zugeordnet, der mit dem Kondensator parallelgeschaltet ist, der von der elektrooptischen Zelle am Ausgang des Transistors T gebildet wird. Die vom Transistor T und vom Kondensator CP gebildete Einheit bildet eine elementare Steuerschaltung, die in 1 das Bezugszeichen Pij trägt. Andererseits ist jede der Auswahlzeilen Li mit einer Steuerschaltung 2 oder "Driver Zeile" verbunden, die nacheinander an jede Zeile einen Steuerimpuls anlegt, der eine Spannung darstellt, die typischerweise zwischen –10 und +20 Volt schwankt. In gleicher Weise ist jede der Spalten Cj oder Datenleitungen mit einer Spalten-Steuerschaltung 3 oder "Driver Spalten" verbunden, die an die Spalten Cj ein Analogsignal sendet, das dem Videosignal entspricht, welches genauer eine Graustufe darstellt, deren Spannung typischerweise zwischen + und –5 Volt schwankt.
Mit dieser Matrixsteuervorrichtung erfolgt die Steuerung einer elektrooptischen Zelle XL folgendermaßen: wenn ein Impuls an eine Auswahlzeile Li angelegt wird, wird der Schalttransistor T leitend, Daher wird die an die Spalte Cj angelegte Analogspannung an die Klemmen der elektrooptischen Zelle XL angelegt, die ein Grauniveau anzeigt, das dem Datensignal entspricht.
Im allgemeinen weist eine solche Matrixsteuervorrichtung Schalttransistoren auf, die meist aus Dünnschichttransistoren TFT (für "Thin Film Transistor") bestehen. Eine solche Vorrichtung besteht im allgemeinen aus amorphem Silicium. Andererseits können die Zeilen- und Spaltensteuerschaltungen 2, 3 in die Substratplatte integriert sein, auf der der Flachbildschirm hergestellt wird, oder unabhängig hergestellt sein. Wenn sie in die Substratplatte integriert sind, werden sie auch unter Verwendung von amorphem Silicium hergestellt.
Eines der Probleme bei dieser Art Matrixsteuervorrichtung ist der Verbrauch, insbesondere aufgrund der Amplitude der an die Zeilen und Spalten angelegten Signale. Dieses Problem ist umso größer, als man zur Zeilenadressierung des Matrixbildschirms die unter dem Begriff "Zeilenumkehr" bekannte Technik verwendet, wobei die Polaritätsumkehr in jeder Zeile stattfindet. Dies kann zu einem Verbrauch führen, der für eine Frequenz von 30 KHz bis zu einem Watt geht.
Ein weiteres Problem bei diesem Aufbau, wenn er aus Transistoren aus polykristallinem oder monokristallinem Silicium besteht, betrifft den Leckstrom des Schalttransistors T im gesperrten Zustand, der die Tendenz hat, die Elementarpunkte oder elektrooptischen Zellen XL zu entladen.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die oben erwähnten Nachteile zu beiseitigen, indem sie eine Matrixsteuervorrichtung vorschlägt, die einen neuen Aufbau für die elementare Steuerschaltung jedes Elementarpunkts aufweist, wobei dieser Aufbau besonders gut geeignet ist für die Verwendung von polykristallinem oder monokristallinem Silicium zur Herstellung von Transistoren oder anderen Halbleiterschaltungen.
Die vorliegende Erfindung hat also eine Matrixsteuervorrichtung zum Gegenstand, die eine Einheit von Steuerschaltungen aufweist, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind und je einen Elementarpunkt steuern, wobei der Zustand jedes Elementarpunkts von einem ersten bzw. einem zweiten Steuersignal abhängt, die an die Steuerschaltung von den Zeilen bzw. den Spalten angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Steuerschaltung eine elektrische Schaltung ist, die mit zwei unabhängigen Eingängen, die vom ersten und vom zweiten Signal gespeist werden, und mit einem Ausgang versehen ist, der das Steuersignal des Elementarpunkts (XL) erzeugt. Die Impedanz dieser Schaltung zwischen ihrem Ausgang und demjenigen ihrer Eingänge, der das erste Signal transportiert, wird nach dem Anlegen eines geeigneten Spannungsimpulses an dieses erste Signal niedrig, und diese gleiche Impedanz wird nach dem Anlegen einer geeigneten Spannung an das zweite Signal sehr hoch.
In diesem Fall ist das erste Signal ein Signal, das es zuerst ermöglicht, alle Steuerschaltungen der entsprechenden Zeile zu aktivieren, indem es sie leitend macht, und dann eine Spannungsrampe anzulegen, die am Ausgang der Steuerschaltung an den entsprechenden Elementarpunkt übertragen wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste Signal von einem rampenförmigen Signal gebildet, dem ein negativer Vorladungsimpuls vorausgeht. Gemäß einer Weiterbildung wird der Zeitpunkt des Auslösens des rampenförmigen Signals von Zeile zu Zeile so geregelt, dass die Ausbreitungsverzögerungen in den Spalten kompensiert werden.
Andererseits ist das zweite Signal ein Schaltsignal vom digitalen Typ, das die Dauer bestimmt, während der die aktivierten Steuerschaltungen leitend bleiben. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das zweite Schaltsignal aus Impulsen vom Typ PWM ("Pulse Width Modulation" in englischer Sprache). Vorzugsweise wird der Zeitpunkt des Auslösens der Impulse von Spalte zu Spalte geregelt, um die Verzögerungen in den Zeilen zu kompensieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Steuerschaltung aus einem ersten Transistor, der den Elementarpunkt mit der entsprechenden Zeile verbindet, die das erste Signal empfängt, und aus einem zweiten Transistor, von dem eine erste Elektrode mit dem Gate des ersten Transistors verbunden ist, dessen Gate mit der entsprechenden Spalte verbunden ist, die das zweite Signal empfängt, und dessen zweite Elektrode mit einem Bezugspotential verbunden ist.
Gemäß einem zusätzlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung weist die elementare Steuerschaltung außerdem einen Kondensator auf, der zwischen das Gate des ersten Transistors und die entsprechende Zeile geschaltet ist. In gleicher Weise ist die zweite Elektrode des zweiten Transistors mit der vorhergehenden Zeile verbunden. Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die Schaltungen aus polykristallinem Silicium hergestellt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform hervor, wobei die Beschreibung sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
1 die bereits beschrieben wurde, eine schematische Darstellung einer Matrixsteuervorrichtung, die im Fall eines Flüssigkristallbildschirms mit aktiver Matrix verwendet wird, die Zeilen- und Spaltensteuerschaltungen gemäß dem Stand der Technik zugeordnet ist;
2 eine schematische Darstellung einer Matrixsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für den Fall, in dem der Elementarpunkt aus einer Flüssigkristallzelle besteht, wobei diese Vorrichtung Zeilen- und Spaltensteuerschaltungen zugeordnet ist;
3 die Form der verschiedenen Signale, die je an die Zeilen, die Spalten, den Punkt A, den Punkt B angelegt werden, und die Gate-Source-Spannung des Transistors MN2 für den Fall der elementaren Steuerschaltung der 2; und
4 eine schematische Darstellung einer Matrixsteuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung für den Fall, in dem der Elementarpunkt aus einem Elektrolumineszenzmaterial besteht, wobei diese Vorrichtung Zeilen- und Spaltensteuerschaltungen zugeordnet ist.
Um die Beschreibung zu vereinfachen, tragen in den Figuren gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen. Außerdem wird die vorliegende Erfindung anhand eines Flüssigkristallbildschirms beschrieben. Es ist dem Fachmann aber klar, dass die Erfindung auf Elementarpunkte angewendet werden kann, die aus einer beliebigen Speicherschaltung eines elektrischen Signals, wie zum Beispiel einer elektrooptischen Zelle, oder anderen bestehen.
In 2 ist eine Matrixsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die einer Zeilensteuerschaltung 20 und einer Spaltensteuerschaltung 30 zugeordnet ist, wobei die Schaltungen auf das gleiche Substrat wie die Matrixsteuervorrichtung aufgebracht sein können oder nicht. In der Matrixsteuervorrichtung der 2 wurde die mit P'ij bezeichnete elementare Steuerschaltung so verändert, dass der Stromverbrauch begrenzt und so eine Herstellung aus polykristallinem Silicium ermöglicht wird. Genauer gesagt, steuert die in Zeilen und Spalten angeordnete elementare Steuerschaltung P'ij einen Elementarpunkt, der in der dargestellten Ausführungsform aus einer elektrooptischen Zelle XL, genauer einer Flüssigkristallzelle, besteht. Mit dieser elektrooptischen Zelle ist ein Speicherkondensator CP parallelgeschaltet, wobei die Zelle selbst die Aufgabe eines Kondensators übernimmt, und ihre optischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Wert des den Flüssigkristall durchquerenden elektrischen Felds verändert werden.
Nun wird eine Ausführungsform einer elementaren Steuerschaltung P'ij beschrieben, deren Haupteigenschaft es ist, ein Ausgangssignal aufzuweisen, das dem Eingangssignal folgt, wenn sie von einem ersten Signal aktiviert wird, d.h. demjenigen, das an die Zeilen L'i angelegt wird, und deren Impedanz zwischen Eingang und Ausgang unter der Wirkung eines zweiten Signals sehr groß wird, d.h. des Signals, das an die Spalten C'j angelegt wird. Im Fall der 2 besteht die Steuerschaltung P'ij hauptsächlich aus einer Schaltvorrichtung MN2, die vorzugsweise aus einem Dünnschichttransistor oder TFT besteht. Eine Elektrode des Transistors MN2 ist mit einer Elektrode der elektrooptischen Zelle XL verbunden, während seine andere Elektrode mit einer Zeile L'i verbunden ist. Andererseits ist das Gate des Transistors MN2 mit einer Elektrode eines zweiten Transistors MN1 verbunden, dessen andere Elektrode in der dargestellten Ausführungsform mit Masse verbunden ist und dessen Gate mit einer Spalte C'j verbunden ist. Wie in 2 dargestellt, ist ein mit CB bezeichneter Kondensator zwischen das Gate des Schalttransistors MN2 und die Zeile L'i geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator CB und dem Gate des Transistors MN2 ist mit A bezeichnet, während der Verbindungspunkt zwischen der Elektrode des Transistors MN2 und der Elektrode der elektrooptischen Zelle XL mit B bezeichnet ist. Die Zeilen L'i sind mit einer Zeilensteuerschaltung 20 verbunden, die auf den Zeilen ein Datensignal liefert, das aus einem Signal besteht, das es zunächst ermöglicht, alle elementaren Steuerschaltungen der entsprechenden Zeile zu aktivieren, indem sie leitend gemacht werden, und dann eine Spannungsrampe anzulegen, die am Ausgang der elementaren Steuerschaltung an die Zelle XL übertragen wird. In gleicher Weise ist die Gesamtheit der Spalten C'j mit einer Spaltensteuerschaltung 30 verbunden, die auf jeder Spalte ein zweites Signal liefert, das aus einem digitalen Schaltsignal besteht, genauer aus Impulsen vom Typ PWM, welche die Dauer bestimmen, während der die aktivierten Steuerschaltungen P'ij leitend bleiben.
Nun wird unter Bezugnahme auf 3 der Betrieb der in 2 dargestellten Steuerschaltung erklärt. Wie in 3 gezeigt, besteht das an die Zeilen L'i, L'i+1 angelegte Signal aus einem negativen Impuls, der es ermöglicht, alle elementaren Steuerschaltungen einer Zeile zu aktivieren, gefolgt von einer Rampe, deren Amplitude typischerweise vorzugsweise zwischen –5 Volt und +10 Volt schwankt. Die Dauer T des Signals L'i entspricht einer Zeilenzeit. An die Zeile L'i+1 wird das gleiche Signal angelegt, aber um eine Zeit T versetzt, wie in 3 dargestellt. Andererseits wird an die Spalten C'j ein Schaltsignal angelegt, das aus Impulsen vom Typ PWM besteht, um die Impulsbreiten zu modulieren, wobei das Signal Pegel aufweist, die im Fall einer Herstellung aus polykristallinem oder monokristallinem Silicium typischerweise zwischen 0 und 2 Volt liegen.
Wenn die Zeile L'i nicht adressiert wird, arbeitet die elementare Steuerschaltung, die hauptsächlich aus den beiden Transistoren MN1 und MN2 besteht, wie folgt. Wie in 2 dargestellt, ist die zweite Elektrode des Transistors MN1 auf einem Bezugspotential, d.h. entweder Masse, wie in der dargestellten Ausführungsform, oder auf dem Potential der vorhergehenden Zeile, die sich selbst auf einer Bezugsspannung befindet, da sie nicht adressiert wird. Wenn ein Impuls an die Spalte C'j angelegt wird, d.h. an das Gate des Transistors MN1, wird der Transistor MN1 leitend und der Punkt A, d.h. das Gate des Transistors MN2, geht auf das Bezugspotential über. In diesem Moment ist die Gate-Source-Spannung Vgs des Transistors MN2 auf Null, und der Strom "off" des Transistors MN2 ist minimal. Daraus folgt, dass die elektrooptische Zelle XL sich nicht entlädt.
Wenn die Zeile L'i adressiert wird, d.h., wenn sie, wie in 3 durch L'i dargestellt, ein Signal anlegt, erfährt sie zunächst einen negativen Spannungsabfall –V. Aufgrund des Kondensators CB erfährt der Punkt A den gleichen augenblicklichen Spannungsabfall. Da die Spalte C'j einen positiven Impuls empfängt, wie in 3 dargestellt, ist der Transistor MN1 leitend, und daher wird das Potential des Punkts A auf den Pegel des Bezugspotentials zurückgeführt, d.h. im Fall der dargestellten Ausführungsform auf Masse oder Null. Die Gate-Source-Spannung Vgs des Transistors MN2 wird positiv und geht auf einen Wert über, der dem Spannungsabfall auf der Zeile L'i entspricht, was den Transistor MN2 leitend macht. Direkt danach fällt die an die Spalte C'j angelegt Spannung auf Null, was den Übergang des Transistors MN1 in den Zustand "off" oder hoher Impedanz nach sich zieht. Die Gate-Source-Spannung Vgs des Transistors MN2 bleibt aufgrund des Kondensators CB konstant. Wenn die Spannungsrampe an die Zeile L'i angelegt wird, wobei der Transistor MN2 leitend ist, kopiert die Spannung am Punkt B die Spannung der Rampe, bis ein neuer positiver Impuls auf der Spalte den Transistor MN1 leitend macht, was zur Wirkung hat, die Spannung am Punkt A auf das Bezugspotential zurückzuführen. In diesem Moment wird der Transistor MN2 nicht leitend, und die Spannung am Punkt B bleibt konstant, wie in 3 dargestellt.
Die obige neue elementare Steuerschaltung ermöglicht es also, Grauniveaus anzuzeigen, die der Dauer entsprechen, während der die Rampe an den Punkt A angelegt ist. Für eine Verwendung bei einem Flüssigkristall-Flachbildschirm kann die Spannung jeder Elementarzelle P'ij also einen beliebigen Wert im Variationsbereich der Rampe erreichen, die vom ersten Signal geliefert wird. Die Polarität jeder Zelle kann also unabhängig von derjenigen ihrer benachbarten Zellen gewählt werden, solange die Spannung der Gegenelektrode auf einen Wert nahe der Hälfte der maximalen vom ersten Signal erreichten Spannung geregelt wird.
Die oben beschriebene Steuerschaltung ermöglicht es, den Verbrauch wirksam zu reduzieren. Tatsächlich wird der Verbrauch durch 1/2 f CV₂ angegeben, wobei f die Zeilenfrequenz, V die Amplitude des angelegten Signals und C die Kondensatoren sind.
Die nachfolgende Tabelle zeigt den Verbrauchsunterschied zwischen der Steuervorrichtung der 1 und der 2 für einen Flüssigkristallbildschirm, der 600 Zeilen und 2400 Spalten auf einer Diagonalen in der Größenordnung von 30 cm aufweist.
Wenn man auf Glas hergestelltes polykristallines Silicium oder monokristallines Silicium zur Herstellung der Steuervorrichtung verwendet, arbeiten andererseits die Transistoren MN2 mit einer gesteuerten Gate-Source-Spannung Vgs, was zu einem geringeren "off"-Strom führt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass die "Drivers Spalte" 30 eine nur digitale Funktion haben und mit niedriger Spannung arbeiten, was ihre Gestaltung vereinfacht und ihre Kosten senkt.
4 stellt eine Variante der Erfindung dar, bei der der Ausgang der elementaren Steuerschaltungen P'ij gleich denjenigen der 3 nicht mehr mit einem Flüssigkristallelement verbunden ist, sondern mit dem Gate eines Transistors MN3, dessen Aufgabe es ist, an ein Elektrolumineszenzmaterial einen Erregerstrom zu liefern, der durch diese Spannung gesteuert wird.

Claims

Matrixsteuervorrichtung, die eine Einheit von Steuerschaltungen (P'ij) aufweist, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind und je einen Elementarpunkt (XL) steuern, wobei der Zustand jedes Elementarpunkts von einem ersten bzw. einem zweiten Steuersignal (L'i, C'j) abhängt, die an die Steuerschaltung (P'ij) von den Zeilen (L'i) bzw. den Spalten (C'j) angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Steuerschaltung (P'ij) eine elektrische Schaltung ist, die mit zwei unabhängigen Eingängen, die vom ersten und vom zweiten Signal gespeist werden, und mit einem Ausgang versehen ist, der das Steuersignal des Elementarpunkts (XL) erzeugt, wobei die Impedanz dieser elektrischen Schaltung zwischen dem Ausgang und demjenigen ihrer Eingänge, der das erste Signal transportiert, nach dem Anlegen eines geeigneten Spannungsimpulses an dieses erste Signal (L'i) niedrig wird, und dass diese gleiche Impedanz nach dem Anlegen einer geeigneten Spannung an das zweite Signal sehr hoch wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal (L'i) ein Signal ist, das es zuerst ermöglicht, alle Steuerschaltungen (P'ij) der entsprechenden Zeile (L'i) zu aktivieren, indem es sie leitend macht, und dann eine Spannungsrampe anzulegen, die am Ausgang der Steuerschaltung (P'ij) an den entsprechenden Elementarpunkt übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal (L'i) aus einem rampenförmigen Signal gebildet wird, dem ein negativer Vorladungsimpuls vorausgeht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslösen des rampenförmigen Signals von Zeile zu Zeile so geregelt wird, dass die Ausbreitungsverzögerungen in den Spalten (C'j) kompensiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal (C'j) ein Schaltsignal vom digitalen Typ ist, das die Dauer bestimmt, während der die aktivierten Steuerschaltung (P'ij) leitend bleiben.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltsignal (C'j) aus Impulsen vom Typ PWM (Pulse Width Modulation) besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslösen der Impulse von Spalte zu Spalte geregelt wird, um die Verzögerungen in den Zeilen (L'i) zu kompensieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (P'ij) aus einem ersten Transistor (MN2), der den Elementarpunkt (XL) mit der entsprechenden Zeile (L'i) verbindet, die das erste Signal empfängt, und aus einem zweiten Transistor (MN1) besteht, von dem eine erste Elektrode mit dem Gate des ersten Transistors verbunden ist, dessen Gate mit der entsprechenden Spalte (C'j) verbunden ist, die das zweite Signal empfängt, und dessen zweite Elektrode mit einem Bezugspotential verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem einen Kondensator (CB) aufweist, der zwischen das Gate des ersten Transistors (MN2) und die entsprechende Zeile (L'i) geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode des zweiten Transistors (MN1) mit der vorhergehenden Zeile (L'i–1) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungen aus polykristallinem Silicium, aus amorphem Silicium oder aus monokristallinem Silicium hergestellt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarpunkte elektrooptische Zellen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Elementarpunkte P'ij dazu dient, den Erregerstrom eines Elektrolumineszenzmaterials zu modulieren.