DK166052B - Matrixdisplay af flydende-krystal billedelementer og drivkreds til disse. - Google Patents

Description

i

DK 166052B

Opfindelsen vedrører matrix-displays af flydende-krystal billedelementer - herefter bruges forkortelsen LCLV=liquid crystal light valve-, og de tilhørende drivkredse, som aktiverer de enkelte billedelementer i LCLV-5 display-matrixen.

Ved LCLV-matrix-displays med høj billedelement-tæthed, er der et stigende behov for drivkredse for de enkelte billedelementer med optimal udformning af kredsløbet. Behovene er lav effektafgivelse, minimalt antal 10 kredsløbskomponenter, minimal komponentstørrelse, minimalt antal elektriske tilslutninger til- og indenfor kredsløbene, valgfrie fremføringsveje for elektriske ledninger, kontaktpunkter placeret så overkrydsninger minimeres, mulighed for både jævn- og sand vekselspæn-15 dingsaktivering af flydende-krystal-materiale og evne til at sikre, at flydende-krystal-materialet arbejder uafhængigt af temperatur- og ældningspåvirkninger.

Hidtil kendte drivkredse kan karakteriseres ved antallet af transistorer i kredsen. Een-transistorstyre-20 kredse omfatter oftest en strobe-transistor, som lader data passere fra en dataledning til en lagerkondensator, der aflades gennem flydende-krystal-billedelementet og derved gør styringen af den optiske kontrast afhængig af spændingen som påtrykkes lagerkondensatoren. Da stro-25 betiden ved LCLV-matrix-displays med høj billedelement-tæthed nødvendigvis er kort, kan datastrømmen gennem strobe-transistoren være meget stor, (multiplexing med høj frekvens). Desuden er forløbet af lagerkondensatorens eksponentielle afladning stærkt afhængig af tiden, 30 grundet billedelementets lave og variable impedans, hvilket giver en relativt ustabil kontrast-karakteristik for billedelementet. Genopfriskningstiden bliver ligeledes tids- og temperaturuafhængig og afhængig af gentagelsestakten for display-billedet ved en drivkreds af 35 denne art. Endelig er det ikke muligt at anvende sand vekselstrømsaktivering af flydende-krystal-elementet, 2

DK 166052B

idet aktiveringen af billedelementet i een-transistorop-stillingen er uløseligt knyttet til polariteten af dataspændingen.

Der findes en to-transistor drivkreds - jfr. fx 5 IBM Technical Disclosure Bulletin, Bind 23, nr. 8, januar 8, 1991, side 3863-3864, hvor nogle af begrænsningerne i een-transistor kredsene er fjernet. Ligesom i een-transistor kredsene bruges en strobe-transistor til at give adgang for data fra en dataledning til en lager-10 kondensator. Afladningen af lagerkondensatoren sker dog her gennem gaten i en anden transistor. Den anden transistors dræn er forbundet til en strømforsyning og transistorens kilde er forbundet til flydende-krystal-billedelementets ene elektrode, hvorved man har en al-15 ternativ, data-styret strømvej gennem flydende-kry-stalelementet til stel-potentialet. Placeringen af den anden transistors gate i afladningsbanen for strømmen fra lagerkondensatoren reducerer i høj grad, hvor stor ladning kondensatoren behøver at kunne rumme, og hvor 20 stor strøm strobe-transistoren skal kunne tåle, dvs. kondensatorens størrelse og kredsens effektudvikling reduceres. Men alle øvrige begrænsninger som findes i een-transistor styrekredsene er ikke fjernet i to-tran-sistor-kredsen.

25 Formålet med nærværende opfindelse er derfor, at tilvejebringe en drivkreds til flydende-krystal billedelementer, som er let anvendelig og specielt velegnet til flydende-krystal matrix-displays med høj tæthed, og som ikke har de ulemper som findes i de hidtil kendte 30 drivkredse.

Dette er opnået i nærværende opfindelse ved at udforme en drivkreds til styring af et flydende-krystal billedelement som angivet i krav 1 og et matrix-display af flydende krystaller som angivet i krav 5.

35 En fordel ved nærværende opfindelse, er at den tilvejebringer et kredsløb, som har en relativ enkel op- 3

DK 166052B

bygning og også bibeholder alle de ønskede egenskaber ved de hidtil kendte drivkredse.

En anden fordel er, at nærværende opfindelse tillader enten jævn- eller sand vekselspændingsaktivering 5 af flydende-krystal billedelementet.

En yderligere fordel ved nærværende opfindelse er, at den måde kredsen er opbygget på, giver en selvjusterende virkning, som sikrer, at kontrastniveauet er stabilt og lineært både over langvarige og korte tidspe-.10 rioder.

En yderligere fordel ved opfindelsen er, at den kan bruges til såvel almindelige digitale grå-tone-ska-laformål som til analoge formål.

Endnu en fordel ved opfindelsen er, at dens op-15 bygning giver mulighed for en jævnt fordelt, optimal placering af de nødvendige strøm- og signaltilledninger, hvorved den bliver let anvendelig ved LCLV-displays med ekstrem høj billedelement-tæthed.

Endnu en fordel ved opfindelsen er, at den anven-20 der en strobe-ledning, som har dobbelt funktion, dels som stel-potentiale-ledning, og dels som tilledning for strobe-signal, hvorved antallet af nødvendige tilledninger reduceres med een, og antal overkrydsninger reduceres tilsvarende.

25 Andre fordele og karakteristika ved nærværende opfindelse vil klart fremgå af følgende detaljerede beskrivelse og tilhørende figurer. Ens referencenumre angiver ens dele gennem alle figurer.

Pig. la viser et forenklet ækvivalensdiagram for 30 et billedelement i et flydende-krystal matrix-display, fig. Ib en kurve, som illustrerer sammenhængen mellem spænding og kontrast for et flydende-krystal billedelement, fig. 2 et skematisk diagram for drivkredsen til 35 et billedelement i nærværende opfindelse, fig. 3 et repræsentativt skematisk diagram over et matrixarrangement af billedelement-drivkredse ifølge opfindelsen, og

DK 166052 B

4 fig. 4 et perspektivisk billede, som viser en fordelagtig anbringelse af elektroderne til en enkelt række af flydende-krystal billedelementer.

Med referencenummer 10 på fig. la er vist et 5 simplificeret kredsløbsdiagram for en flydende-krystal celle eller et enkelt billedelement til en matrix-display med flydende-krystaller·. Hvert billedelement opfører sig i elektrisk henseende som et kredsløb, der har to tilslutninger, og som består af en variabel modstand 10 12 i parallel med en kondensator 14. Flydende-krystal elementet 10's to tilslutninger er i realiteten de to modstående elektroder på flydende-krystal cellen. Størrelsen af kondensatoren 14 bestemmes stort set af den dielektriske konstant for det flydende-krystal materials le, som er imellem elektroderne, samt af afstanden mellem disse. Da flydende-krystal materialet har en ret god ledningsevne, har parallelmodstanden 12 en endelig, ikke-ubetydelig værdi. Fig. Ib viser en typisk volt-tilkontrast karakteristik for en flydende-krystal celle.

20 Skønt der må tages mange styringsmæssige hensyn, som er afhængige af det pågældende flydende-krystalmateriale, den linieorientering det har·fra starten og den omorientering som påtrykkes elektrisk, vil en flydende-krystal celle typisk udvise en hurtig ændring i kontrasten, når 25 der over cellen påtrykkes en spænding, som er større end en vis tærskelspænding VH* Med ordet "kontrast" menes her den relative uigennemsigtighed overfor enten upola-riseret eller polariseret lys eller begge.

Tærskelværdien for den kontrastgivende spænding 30 er hverken éntydigt defineret eller konstant ved forskellige flydende-krystal celler, en typisk tærskelværdi er ca. 1. volt.

Ækvivalens-elementerne for en flydende-krystal celle, dvs. modstanden 12 og kondensatoren 14 har 35 ikke en konstant ideel værdi. Kapaciteten og i særdeleshed resistansen af flydende-krystal cellen 10 er af- 5

DK 166052B

hængige af arbejdstemperaturen og flydende-krystal materialets alder. Med stigende temperatur eller alder eller begge dele, vil flydende-krystal cellens resistans normalt aftage. Dette påvirker mange af de hidtil kendte 5 flydende-krystal drivkredse f.eks. ved at øge afladestrømmen gennem flydende-krystal cellen, hvorved spændingen over cellen for tidligt synker ned i nærheden af eller under kontrasttærskelspændingen. Herved får man ikke den ønskede grad af uigennemsigtighed.

10 Kredsløbsopbygningen for den foretrukne udform ning af opfindelsen ses på fig. 2 med referencenummer 20. Billedelementdrivkredsen 20 består af to strømforsyningselektroder 24, 28 og et tilsvarende par overfor hinanden beliggende halv-billedelements elektro-15 der 22, 26 samt en driv-transistor 34 og datalag ringskondensatoren 38 for billedelementet og en strobe-transistor 40. Når kredsen 20 er i funktion, tilføres data på dataledningen 42, som er tilsluttet strobe-transistoren 40. Disse data kan være enten en spæn-20 ding, som antager digitaliserede værdier, eller en analog spænding. Igennem et kort tidsrum, mens data på dataledningen 42 er valide, tilføres strobe-transistoren 40 et adgangsgivende strobe-signal på strobeledningen 44. Derved åbnes for overførsel af det datum, som be-25 finder sig på dataledningen 42 til datalagerkondensatoren 38 ved, at den datarepræsenterende spænding kommer til at ligge over kondensatoren 38. Strobe-signalet behøver kun være tilstede længe nok til at datalagerkondensatoren 38 kan nå at lade op til den data-30 repræsenterende spændingsværdi. Derpå fjernes strobesig-nalet. Da der ikke findes veje for afladningsstrøm, som har ledningsevne af nogen betydning, står der en relativt tidsuafhængig spænding på gaten 36 til billedelementets drivtransistor 34. Dennes kilde 30 og drain 35 32 er forbundet til halvbilledelement elektroderne 22 og 26. De hertil svarende strømforsyningselektroder er 6

DK 166052B

via ledningerne 48 og 50 forbundet til en ikke vist strøm- og spændingsforsyning. Derved er etableret en strømvej, som passerer to gange gennem flydende-krystal materialet, dels over strømforsynings- og halv-billed-5 element elektrodeparret 22-24, og dels over elektrodeparret 26-28.

Funktionen af billedelement-drivtransistoren 34 er at begrænse strømmen gennem flydende-krystal materialet ved hjælp af dens ledningsevne som funktion af den 10 spænding, der påtrykkes dens gate 36. Arten af og arbejdskurverne for drivtransistoren 34 fastsættes på basis af flere kriterier. For det første bør transistoren 34 være af typen FET for at kunne arbejde i begge retninger. Begge retninger vil her sige, at drivtransis-15 toren 34 reelt opfører sig ens uafhængigt af, hvilken retning strømmen passerer igennem den. Dvs. drivtransistoren 34 arbejder ens uanset polariteten af spændingen mellem ledningerne 48 og 50 og endog, hvis denne spænding varierer med tiden. Derved kan nærværende op-20 findelse anvende forsyning fra en jævnspænding eller en rent sinusformet vekselspænding eller endog en regelmæssigt skiftende firkantspænding.

For det andet bør drivtransistoren 34 være af en type med isoleret gate, dvs. eksempelvis af typen 25 MOSFET for at opnå en særdeles høj impedans for gateelektroden 36. Dette har betydning derved, at kravene til kapaciteten af kondensatoren 38 væsentligt reduceres. I denne forbindelse vil en alternativ udførelse af nærværende opfindelse være at lade datalagerkondensato-30 ren 38 bestå af den metalbane, som forbinder strobe-transistoren og gaten 36, samt denne banes spredningskapaciteter til omgivelserne. Virkningen opnås ved, at tilbageholde en vis mængde af den datarepræsenterende ladning eller eventuelt ingen ladning på metalbanen.

35 For det tredje vælges arbej dskurverne for driv transistoren 34 dels under hensyntagen til de forven-

DK 166052 B

7 tede variationer i spændingsfaldet over hvert af de to overfor hinanden siddende elektrodepar 22, 24 og 26, 28 dels til den maksimale spænding, som forekommer fra strømforsyningen på ledningerne 48 og 50. Arbejds-5 kurverne bør være sådan, at drivtransistoren 34 hovedsageligt arbejder indenfor sit lineære områder for alle forventede dataværdier.

Det er naturligvis ønskeligt at have et skalaområde for kontrasten fra 0 til 100%, som nøje følger den .10 tilsvarende skala af data. Dette er opnået i nærværende opfindelse ved den i elektrisk henseende symmetriske placering af halvbilledelement elektroderne 22 og 26 på hver sin side af billedelement-drivtransistoren 34.

Dette giver effektivt en negativ FEED-back virkning, som 15 stabiliserer flydende-krystal billedelementets kontrast for en given spænding på gaten 36. Dvs. for en given maksimal spænding fra strømforsyningen og et givet potentiale på gaten 36, vil enhver ændring i flydende-krystal materialets resistans eller impedans som følge 20 af ældning eller ændret arbejdstemperatur have tendens til at ændre strømmen gennem og spændingsfaldet over hvert af de overfor hinanden siddende elektrodepar 22, 24 og 26, 28. Impedansen i et af elektrodeparrene 22, 24 og 26, 28 vil altid have en værdi, som er næs-25 ten lig med det andet pars, eftersom hvert elektrodepar har omtrent samme geometriske størrelse og udformning, og er tilsluttet det samme flydende-krystal-materiale.

Enhver ændring i impedans vil have tendens til at give en modsat, dvs. relativt negativ ændring af spændingen 30 mellem drain og kilde over billedelement-drivtransistoren 34. Det er kendt, at ledningsevnen vil stige for en FET transistor, som er forspændt indenfor sit lineære område, når spændingen mellem drain og source stiger ved fastholdt gate-potentiale. Jævnfør MOS/LSI DESIGN 35 and Application, W.N. Carr og D.P. Mize McGraw-Hill 1972, side 52-54. I nærværende opfindelse giver dette en

DK 166052 B

8 proportional ændring af den strøm, som passerer billedelementets drivtransistor 34 og løber mellem de overfor hinanden siddende elektroder 22 og 24 henholdsvis 26 og 28 således, at spændingen over disse elek-5 trodepar forbliver næsten konstant, uanset forandringer i det flydende-krystal-materiales impedans. Da billed-elementdrivtransistoren 34 således automatisk kompenserer for ændringer af arbejdstemperaturen eller aldersbestemte ændringer i flydende-krystal-materialets elek-10 triske karakteristik, vil kontrastniveauet for det flydende-krystal-materiale, som sidder ved elektrodeparrene 22, 24 og 26,28, nøje følge spændingen på gaten 36. Derfor er nærværende opfindelse med en udførelse som vist med billedelement-drivkredsen 20 i fig.

15 2 ideelt egnet til fremvisning af information i analog form eller i form af en digitaliseret grå-tone-skala eller i almindelig binær digital form. Dette skyldes den relative invarians af de kontrastniveauer, som svarer til data, som tilføres drivkredsen 20.

20 Som før nævnt, kan nærværende opfindelse med for del anvendes som komponent i et flydende-krystal-matrix-display. På fig. 3 med referencenummer 60 er vist det øverste venstre hjørne af et elektrisk matrixkredsløb, som kan anvendes til opbygning af et matrix-display.

25 Matrixen udgøres kredsløbsmæssigt af nogle dataledninger 62,64, 66 og nogle strobeledninger 68, 70, 72. En bil-ledelement-drivkreds stort set mage til kredsen 20 i fig. 2, anvendes ved hvert sammenhørende par af data- og strobeledninger. Som oftest ved flydende-krystal matrix-30 displays, hvor data tilføres efter multiplex-metode, befinder hvert sæt data sig kortvarigt på dataledningerne og et strobesignal påtrykkes kortvarigt den til datasættet svarende strobeledning, hvorved datasættet lagres (demultiplexes). Alle andre strobeledninger end den, som 35 anvendes det pågældende øjeblik er på nul- eller referencepotentiale. Dvs. strobetransistorerne 74, 82, 90 9

DK 166052B

åbner række efter række for datas adgang til de tilsvarende datalagerkondensatorer 76,84, 92, hvorved de tilhørende data-kontrastniveauer, som vises af halv-billedelementelektroderne 80, 88, 96 genopfriskes 5 eller opdateres.

En særlig fordel ved at bruge nærværende opfindelse ved opbygningen af et flydende-krystal matrix-display er, at den tillader optimering af fremføringen af de elektriske ledningsveje og minimering af antallet 10 nødvendige elektriske kontaktpunkter, som ligger indenfor det areal af flydende-krystal displayet, som fremvises. Som vist i fig. 3, er nødvendigheden af en sepa-ret ledning med nul- eller referencepotentiale til hver enkelt af billedelement drivkredsene helt undgået af to 15 grunde. For det første fås det nul-potentiale, som skal bruges til reference, når den datarepræsenterende spænding påtrykkes datalagerkondensatorerne ved, at tilslutte kondensatorerne mellem de tilsvarende gate-terminaler og til strobeledningen for naborækken eller for en anden 20 forskellige række af billedelement-drivkredse. Som før nævnt, bør rækkernes strobeledninger holdes på reference-potentialet til alle tider, undtagen medens den pågældende række genopfriskes. Eftersom disse genopfriskningsperioder typisk er af kort varighed, dels sammen-25 lignet med den tid, der totalt anvendes til genopfriskning af hele displayet og dels i forhold til reaktionstiden i selve flydende-krystal-materialet, vil der ikke ses nogen nævneværdig forringelse af displayets billedkvalitet. Hvis desuden anvendelse af datalagerkondensa-30 torer undgås, ved at udnytte spredningskapaciteten i tilledningsbanerne til gaterne til at lagre dataene, så slipper man også for tilledningerne og kontaktpunkterne fra datalagerkondensatorerne.

For det andet kan nævnes et forhold, som nok 35 giver større fordele, nemlig at tilledningerne fra strømforsyningen, som naturligvis ikke kan udelades, er

DK 166052B

ίο optimalt placeret parallelt med og overfor det flydende-krystals displayoverflade. Dvs. de sidder på en anden overflade af displayet end den, hvorpå den elektriske matrix i fig. 3 er placeret, og de kan derfor fremføres 5 ad andre veje. Dette fremgår klart af fig. 4, hvor der vises nogle af de elektroder, som er tilknyttet en enkelt række af billedelementer. Halv-billedelement-elektroderne 114, 116 og 118, 120 og 122, 124 sidder på den ene overflade beregnet til elektroder (ikke 10 vist) af et flydende-krystal display sammen med deres tilhørende billedelement-drivkreds som vist med billed-element-drivtransistorerne 106, 104, 102. Strømforsynings-elektroderne 110, 112 sidder på den parallelt modstående overflade beregnet til elektroder (ikke 15 vist), hvorved men helt kan undgå, at de elektriske baner skal krydse hinanden.

Nærværende opfindelse giver desuden mulighed for at optimere fremføringsvejene og tilslutningerne af strømforsyningsledningerne 130, 132 til strømforsy-20 ningselektroderne 110, 112 som vist skitseret i fig. 4.

Dette opnås ved, at anvende to strimmelformede strømforsyningselektroder på hver af displayets rækker. Dvs. individuelle strømforsyningsledninger til hvert billedelement i displayet er undgået. Som vist i fig. 4, er 25 hver af de strimmelformede strømforsyningselektroder 110, 112 placeret, så de sidder parallelt overfor de tilsvarende par af halv-billedelement-elektroder 114, 118, 122, 116, 120, 124. Det totale antal strømfor syningsledninger reduceres altså væsentligt med et til-30 svarende fald i ledningskrydsninger til følge. Ovenfor er hermed beskrevet en driv- og forsyningskreds til billedelementerne i et flydende-krystal-panel, som har optimalt kredsløbsdesign, og desuden er beskrevet en optimal placering af sådanne billedelement-styrekredse, der 35 med fordel kan anvendes i et flydende-krystal matrix-display .

Claims (9)

11 DK 166052B

1. To-transistor-drivkreds (20) til styring af et flydende-krystal billedelement, indbefattende et par strømforsyningselektroder (24, 28), der er forbundet med en strobe-transistor (40), som benyttes til at overføre 5 data fra en datalinie (42) til en datalagerkomponent (38), kendetegnet ved to halv-billedelement-elektroder (22, 26), der hver især er tilknyttet sin af nævnte strømforsyningselektroder (24, 28), samt en transistor-kobler (34), som styrbart sammenkobler nævnte 10 halv-billedelement-elektroder (22, 26), og som styres af den med strobe-transistoren (40) impulsaktiverede datalinie (42).

2. Kreds ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den spænding, som påtrykkes mellem de nævnte 15 strømforsynings-elektroder (24, 28), er en vekselspænding.

3. Kreds ifølge krav 1, kendetegnet ved, at datalagerkomponenten (38) er operativt forbundet med nævnte transistor-kobler (34) for at styre funktio- 20 nen af denne transistor-kobler, idet transistor-kobleren (40) styrbart skaber ledende forbindelse mellem datalinien (42) og datalagerkomponenten (38), hvorved data fra datalinien overføres til datalagerkomponenten.

4. Kreds ifølge krav 3, kendetegnet 25 ved, at datalagerkomponenten er en kondensator (38).

5. Matrix-display af flydende krystaller, indbefattende et antal strømforsyningselektrodepar, og et antal to-transistor-drivkredse (60), kendetegnet ved et antal overfor hinanden beliggende halv-billed- 30 element-elektrodepar (80, 88, 96), hvor hvert par af disse har tilknytning til et bestemt af parrene af nævnte strømforsyningselektroder, således at hver halv- 12 DK 166052B billedelement-elektrode er beliggende overfor den tilsvarende af de nævnte strømforsyningselektroder, og et antal transistor-koblere (78, 86, 94), hvor hver af disse er operativt forbundet med et tilhørende par af nævn-5 te halvbilledelement-elektroder (80, 88, 96) således, at der som svar på et givet datapotentiale (fra S^-Sg) valgfrit dannes en ledende forbindelse mellem de to halv-billedelement-elektroder i et par af disse.

6. Display ifølge krav 5, kendetegnet 10 ved, at nævnte transistor-koblere (78, 86, 94; 102-104) er FET-transistorer, hvis source og drain er forbundet til de respektive halv-billedelement-elektroder (80, 88, 96. i et tilhørende par af disse.

7. Display ifølge krav 6, kendetegnet 15 ved, at en forsyningsspænding påtrykkes mellem de to elektroder i hvert par strømforsyningselektroder, hvor styrken og polariteten af nævnte forsyningsspænding varierer med tiden.

8. Display ifølge krav 6, kendetegnet 20 ved et antal datalinier (62, 64, 66) og et antal strobe- ledninger (68, 70, 72), hvor hver af de nævnte strobe-transistorer (74, 82,90) operativt er tilknyttet en specifik kombination af én af de nævnte datalinier (62, 64, 66. og én af de nævnte strobeledninger (68, 70, 72), 25 samt tilknyttet ét af de nævnte datalagerkomponenter (76, 84, 92) og én af nævnte transistor-koblere (78, 86, 94), så at nævnte strobe-transistorer ved styring med strobesignaler, som selektivt påtrykkes nævnte strobe-ledninger, tillader overførsel af datasignaler fra nævn-30 te datalinier til deres tilhørende datalagerkomponent, hvilken datalagerkomponent operativt er forbundet til den tilhørende transistor-kobler, hvorved den påtrykkes en spænding, som repræsenterer det pågældende datasignal.

9. Display ifølge krav 8, kendetegnet ved, at nævnte datalagerkomponenter er kondensatorer (76, 84, 92).