TWI397037B - 顯示器源極驅動積體電路及其輸出控制電路 - Google Patents

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Description

顯示器源極驅動積體電路及其輸出控制電路
本發明大體上屬於一種平面顯示器源極驅動之輸出控制電路及方法；具體言之，其係關於一種可消除平面顯示器開機雜訊之源極驅動輸出控制電路及方法。
近幾年來，由於影像顯示技術的突破性進步與蓬勃發展，傳統的陰極射線顯示器(CRT,cathode ray tube)已絕大部分被所謂的面板顯示器(panel displayer)所取代，其係歸因於面板顯示器具有體積小、厚度薄、重量輕、低能耗、及低輻射等優點，故能成為現今影像顯示器之主流。目前一般常見的面板顯示器有薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD,thin-film transistor liquid crystal display)。另外，利用發光二極體(LED,Light Emitting Diode)元件或是電漿(plasma)原理發光之面板顯示器也日漸普遍。面板顯示器的顯示部分是由多個畫素單元(pixel)所構成，其中畫素單元一般是行列式的矩陣(array)，且畫素單元是由驅動器控制，其中根據點陣化的圖像資料，可驅動對應之畫素單元。與CRT之顯像方式不同，液晶顯示器係透過複數個設置在面板上的驅動電路(driver IC)施加不同的電壓來改變面板中液晶分子的排列方向，使液晶分子產生直立或偏轉狀態，形成光閘門來決定背光源(backlight)的穿透程度以構成整體影像畫面。液晶顯示器驅動電路(driver IC)的主要功能係為接收來自顯示器控制電路之指令與畫面訊號，並透過數位類比轉換的程序來進行驅動，輸出每一像素所需電壓以控制液晶分子之偏轉，讓每一像素出現不同色彩與灰階(gray scale)，並組成一全彩畫面。故此，驅動IC在液晶顯示器產業中佔有相當重要的一席之地。
一般而言，液晶面板的每一像素皆具有兩輸入端，分別與兩種不同的驅動電路耦接，其一為設置於液晶面板橫向X軸之源極驅動IC(Source driver IC)，其一為設置於液晶面板縱向Y軸之閘極驅動IC(Gate driver IC)。其中，源極驅動IC係為具備高頻特性與顯像功能之元件，負責將影像資料傳送至液晶面板並可安排資料的輸入，其電路製程涉及類比數位技術，故設計複雜度高；閘極驅動IC則負責決定影像顯示之位置，並通知橫向每列像素要進行資料輸入之動作，期間包含了通知電晶體開關狀態，並決定液晶的扭轉角度與動作快慢，故其製程技術較為困難。控制面板上每個畫素電極的導通(ON)，關係到電腦或電視的影像訊號能否正確地顯示在液晶面板上，故一般液晶顯示器面板上的每個像素都由一相對應之電晶體來執行控制動作，驅動IC扮演之角色即為接收各項外界指令，並決定施加何種程度的電壓到每一個像素該相對應之電晶體，藉以控制液晶分子的扭轉程度並呈現出適當之影像。
圖一即為現行一具有六百四十二組輸出通道之源極驅動電路100基本電路架構圖。如圖所示，一般源極驅動電路100後段的輸出端部位包含了數位類比轉換器(DAC,digital-to-analog converter)101、運算放大器(OP)103、以及一反向金氧半場效電晶體(MOSFET,Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor)105。在圖中，數位類比轉換器(DAC)101係與多組層次電壓(如圖中的V1~V14)及一極性訊號(POL,polarity)耦接。數位類比轉換器(DAC)101可將所輸入之數位資料訊號轉換成類比資料訊號。該層次電壓可為灰階修正電壓(Vgma,Gamma Correction Voltage)，其係提供了各對應像素之灰階值(此例為14bits)並由運算放大器(OP)103將該資料訊號驅動至該所接收之灰階修正電壓準位以控制各對應像素之灰階表現；極性訊號(POL)則係用來控制各像素訊號的正負極性(+/-)及極性反轉。受運算放大器(OP)103驅動後的資料訊號會分別輸至與其耦接之一反向金氧半場效電晶體(MOSFET)105。一般液晶顯示器係藉由一LP訊號(Latch Pulse，即鎖存脈波)來控制其輸出緩衝器端(output buffer，即上述反向金氧半場效電晶體105端)之開關。液晶顯示器於開機時由於數位類比轉換器101未執行重置(reset)動作，其資料訊號皆處於高準位(H level)或低準位(L level)之不確定狀態(Unknown)，加上開機初期其LP訊號輸出皆為低準位(initial L)，使得反向式金氧半場效電晶體開機後直接呈導通(On)狀態，使運算放大器103輸出不確定之訊號電壓至各通道端107，亦即連接至畫素端薄膜電晶體(TFT)之各資料線(data line)。此時輸出訊號會隨機變動而形成隨機資料，導致開機時畫面呈隨機圖形，是為所知之液晶顯示器開機雜訊(power-on noise)問題。
傳統上解決開機雜訊方案為在源極驅動IC的線閂鎖器部位(line latch)加入一個反及閘(NAND gate)，使液晶顯示器電源起始訊號之上升緣(rising edge)相較源極驅動IC之電源訊號提升為高位準之時間點延遲(Tdelay )固定時間，以解決顯示器開機畫面為隨機雜訊之問題。然，以此作法，源極驅動IC電路中需配置龐大數量的反及閘才可達到其功效，並增加製造成本，且其占據大量面積不符合業界趨勢。
此外，美國專利公開第20050001825號中揭示了一種平面顯示器開/關機時之雜訊抑制方法，其係於平面顯示器中的時序控制晶片(timing control device)內增設一訊號檢測電路及一影像訊號處理器。在開機瞬間，藉由時序控制晶片內的訊號檢測電路檢測信號是否穩定，當訊號檢測電路在開機瞬間檢測到不穩定的訊號時，影像訊號處理器便會控制驅動晶片送出全黑之畫面訊號(Black Frame Insertion)。此種於開機期間插入全黑色影像之作法雖然具有抑制開機雜訊及消除殘影之效果，但為了實現此插黑機制，與液晶顯示器的驅動器IC須能與時序控制器共同配合運作。再者，檢測電路與影像訊號處理器之增設須額外的電路設計，亦會提升生產成本。
液晶顯示器開機時之雜訊與訊號不穩問題於業界因襲已久，先前技術中所提之作法可能需要額外設置龐大數目的元件，抑或其電路設計複雜不易實施。故業界亟需一創新的液晶顯示器驅動電路及方法來解決上述問題。
鑑於上述說明，本發明提出了一種源極驅動電路架構，其中包含一移位暫存器、一線緩衝器、一準位移位器、一數位類比轉換器、一輸出緩衝器、以及一輸出控制迴路。該輸出控制迴路與輸出緩衝器耦接並控制該輸出緩衝器之輸出。
本發明亦揭露了一種輸出控制迴路以解決顯示器開機雜訊之問題，其係藉由該輸出控制迴路來控制顯示器源極驅動IC之資料訊號輸出來達到此目的。本發明之輸出控制迴路由一正緣觸發正反器與一互補式金氧半導體開關元件所構成，其輸入端輸入原本源極驅動IC之鎖存時脈訊號(LP signal)，經過正反器輸出後產生一LP延遲訊號(LP_delay)。該LP延遲訊號可決定互補式金氧半導體開關元件中電晶體之開關而輸出一LP輸出訊號，進而控制顯示器源極驅動IC與顯示通道(資料線)間之開關。
本發明觀點之一為一種具有輸出控制迴路之源極驅動IC架構，可藉由該輸出控制迴路來控制其輸出緩衝器之開關。
本發明之另一觀點為一種源極驅動IC用之輸出控制迴路，可將源極驅動IC原本的鎖存訊號(LP)轉換成另一LP輸出訊號。該LP輸出訊號於一預設之延遲時間內呈高準位，可使源極驅動IC與顯示通道之間的開關斷開(OFF)而不輸出資料訊號；而該LP輸出訊號於一預設之延遲時間後即為原本源極驅動IC之鎖存訊號(LP)，可使源極驅動IC與顯示通道之間的開關導通(ON)而輸出資料訊號。
本發明目的為提出一種源極驅動IC架構，相較於現行的源極驅動IC而言，其無須增加額外的製造成本即可解決業界已知之開機雜訊問題。
本發明之另一目的為提供一種輸出控制迴路，可將原本起始準位為低準位之第一時脈訊號轉變成起始準位為高準位之另一第二時脈訊號輸出至源極驅動IC。
關於本發明之優點與精神，可以藉由以下的發明實施例詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
現在將對本發明不同的實施方式進行說明。下列描述係提供本發明特定的施行細節，俾使閱者徹底瞭解這些實施例之實行方式。然該領域之熟習技藝者須瞭解本發明亦可在不具備這些細節之條件下實行。此外，文中不會對一些已熟知之結構或功能或是作細節描述，以避免各種實施例間不必要相關描述之混淆，以下描述中使用之術語將以最廣義的合理方式解釋，即使其與本發明某特定實施例之細節描述一起使用。
現在請參照圖二，其為本發明實施例中所提出的較佳源極驅動電路架構圖。如圖所示，本發明之源極驅動電路架構200包括一輸出控制電路201、一雙向偏移暫存器(bi-directional shift register)203、一線緩衝器(line buffer)205、一準位移位器(level shifter)207、一數位轉類比轉換器(digital to analog converter,DAC)209、及輸出緩衝器(output buffer)211。在此實施例中，首先，雙向偏移暫存器203可依據所接收之左向或右向起始脈波訊號(start pulse,DIO-L/DIO-R)及系統時脈(SCLK)以平行或序列(in parallel or serial)方式輸入並暫存一資料訊號，且依時序將其擷取後轉換為平行形式之顯示資料輸出。線緩衝器205可包含紅色源線緩衝器、綠色源線緩衝器、及藍色源線緩衝器，用以處理RGB三原色不同的影像訊號。線緩衝器可處理各輸入資料並依資料取樣保持速率(Sampling and Hold,S/H)進行一般解耦(decouple)。在本實施例中，線緩衝器205可依輸入之水平同步訊號(Hsync)之時序來栓鎖(latch)顯示資料並輸出同步式之6 bits顯示資料，其週期間係寫入一行之像素資料訊號並以輸出時脈(OCLK)同步地輸出供後續的元件讀取。準位偏移器可依數位資料所需要之電位大小選擇性地配置於線緩衝器205與數位轉類比轉換器209之間，係用以將線緩衝器205鎖存之輸出加以準位變換，使數位資料提升至所需之電位，以調整顯示資料訊號的電壓準位。其後，電位放大後之數位資料會被輸入至一數位類比轉換器209。進行數位資料訊號轉換成類比數位訊號，同時數位類比轉換器209並根據所提供之灰階修正電壓(圖中的V1~V7及V8~V14)來將各像素資料驅動至所需之灰階電壓，以及根據極性訊號(POL)控制各像素訊號的正負極性(+/-)及極性反轉。最後再經由輸出緩衝器211將訊號輸出至各通道。圖中，起始脈波訊號(STH)(start pulse)標示著每一畫素資料的開始時間，用來通知源 極驅動電路開始擷取各灰階訊號(V1~V7及V8~V14)。極性訊號(POL)與起始脈波訊號(STH)都可能來自一或多個外部的控制電路與單元，圖中未加以表示。在本實施例中，輸出緩衝器211的一端有一輸出控制電路201與其耦接，係用來控制輸出緩衝器中電晶體之開關以決定資料訊號是否要輸入與其耦接之各通道。該輸出控制電路201之細部元件與架構將於下述的實施例中講解。在實施例中，電源電壓VDDA係為供應源極驅動電路運作所需的電源電壓，而VDD與VSS則為兩電壓源，負責供應輸出控制電路201中開關元件訊號。其中，電壓源VDD為一正電位，而電壓源VSS則為接地電位或負電位。
接著請參照圖三，其為本發明提供之輸出控制電路架構，可控制輸出緩衝器的輸出，以消除開機雜訊。如圖三所示，其為本發明實施例之較佳輸出控制電路300之電路架構圖。本發明之輸出控制電路300包含了一正緣觸發正反器(D Flip Flop)301及一互補式金氧半導體開關元件303(CMOS switch)。正緣觸發正反器301之輸入端D與源極驅動IC之數位邏輯電壓耦接，可輸入一第一資料輸入訊號VDD1 ；正緣觸發正反器301之輸出端Q則與開關元件303耦接，兩者之耦接點定義為LP延遲輸出(LP delay)。此外，正緣觸發正反器301以原本控制反向金氧半場效電晶體105開關的LP控制訊號(此處定義為第一LP訊號)作為時脈訊號(Clock)。開關元件303為一互補式金屬氧化物半導體開關，係由一N型金氧半場效電晶體Q1及一P型反向金氧半場效電晶體Q2組成。從正緣觸發正反器301輸出之LP延遲訊號可分別傳輸至電晶體Q1與Q2之閘極端，再輸出一個LP輸出訊號。其中，電晶體Q1之汲極與一第二LP訊號耦接，電晶體Q2之汲極與一VDD2 耦接，而電晶體Q1之源極與電晶體Q2之源極耦合並為一共同輸出端。在圖中，當第一LP訊號的時脈由低準位轉換到高準位時，時脈CLK開始擷取資料訊號，並由LP延遲輸出資料訊號高或低的準位。
接著請參照圖四，其為本發明輸出控制電路300應用於多輸出通道源極驅動IC 400之電路架構示意圖。本發明輸出控制電路300以輸出之LP輸出訊號(LP_out)取代原有的LP訊號。如上所言，圖三之輸出控制電路300係與反向式金氧半場效電晶體405之閘極耦接，使得LP輸出訊號(LP_out)取代LP訊號來控制反向式金氧半場效電晶體405之開關。圖中數位類比轉換器(DAC)401係與多組灰階修正電壓(V1~V14)以及一極性訊號(POL)耦接，可將所輸入之數位資料訊號轉換成類比資料訊號，並由運算放大器(OP)403將該資料訊號驅動至該所接收之灰階修正電壓準位以控制各對應像素之灰階表現；驅動後的資料訊號會分別輸至與其耦接之一P型反向金氧半場效電晶體(P-MOSFET)405，並以LP輸出訊號來控制該電晶體405之開關，使運算放大器403可輸出正確穩定的訊號電壓至各通道端407。有關LP輸出訊號控制電晶體405開關之細節將於下數實施例中說明。
接著請參照圖五，其顯示圖三輸出控制電路300中各訊號包括資料訊號VDD1 、第一LP訊號、LP延遲訊號、及LP輸出訊號之時序圖。如圖所示，於開機時(T1 )，資料輸入訊號VDD1 會從低準位轉換至高準位(initial H)，第一LP訊號(CLK)維持不變，保持在低準位(initial L)。因此與開機期間(T1 ~T2 )正反器301輸出的LP延遲亦處在低準位(L)。此期間由於LP延遲訊號為低準位，使得與正反器耦接之反向金氧半場效電晶體Q2呈導通狀態(ON)，而金氧半場效電晶體Q1則稱斷開狀態(OFF)。此期間(T1 ~T2 )由於電晶體Q2之導通，基於電晶體Q2源極端資料訊號VDD2 耦接，故可饋入VDD2 電壓至電晶體Q2源極。由於VDD2 電壓與VDD1 電壓為相同的訊號，處於高準位，而金氧半場效電晶體Q1又處於斷開狀態，故此期間輸出控制電路300之LP輸出訊號為高準位(H)。復參照圖四，高準位之LP輸出訊號會使反向式金氧半場效電晶體405於開機期間(T1 ~T2 )成斷開狀態(OFF)，使開機初期運算放大器403之不確定訊號電壓無法傳送至各通道端407輸出，故可避免液晶顯示器習知之開機雜訊現象。
另一方面而言，於圖五中，經過延遲時間Tdelay 後，於時間點T2 ，原本的LP訊號會開始時脈輸出(CLK)，當時脈CLK由低準位(L)轉換至高準位(H)，時脈CLK開始擷取資料訊號。由於資料訊號VDD1 此時處於高準位，其正緣觸發正反器301輸出之LP延遲訊號亦會由起始之低準位轉換至高準位。高準位之LP延遲訊號會分別使金氧半場效電晶體Q1與反向金氧半場效電晶體Q2呈開路(ON)與斷開狀態(OFF)。基於Q2為關閉狀態，此時資料訊號VDD2 無法饋入Q2源極，而第二LP訊號可從電晶體Q1之源極端輸入，故於時間點T2 後，輸出控制電路300之LP輸出訊號即為原本輸入之LP訊號。復參照圖四，此時LP訊號會控制反向式金氧半場效電晶體405的開關(On/OFF)，可讓運算放大器403輸出已穩定的訊號電壓至各通道端407，顯示正常的畫面。此運作方式可避免於開機產生雜訊，並於LP訊號進入源極驅動電路400後回復原先正常的動作。
本發明並未侷限於此處所描述之特定細節特徵。在本發明之精神與範疇下，其與先前描述與圖式相關之許多不同的發明變更是可被允許的。因此，本發明將由下述之專利申請範圍來定義涵括其所可能之修改與變更，而非由上方之描述來界定本發明之範疇。
100．．．源極驅動電路
101．．．數位類比轉換器
103．．．運算放大器
105．．．金氧半場效電晶體
107．．．通道端
200．．．源極驅動架構
201．．．輸出控制電路
203．．．雙向偏移暫存器
205．．．線緩衝器
207．．．準位移位器
209．．．數位類比轉換器
211．．．輸出緩衝器
300．．．輸出控制電路
301．．．正反器
303．．．開關元件
400．．．源極驅動電路
401．．．數位類比轉換器
403．．．運算放大器
405．．．金氧半場效電晶體
407．．．通道端
CLK．．．時脈
D．．．輸入端
Q．．．輸出端
Q1．．．金氧半場效電晶體
Q2．．．金氧半場效電晶體
H．．．高準位
L．．．低準位
LP．．．鎖存訊號
POL．．．極性訊號
STH．．．起始脈波訊號
V1～V14．．．灰階修正電壓
VDD．．．電壓源
VDDA．．．電源電壓
VDD1 ．．．第一資料輸入訊號
VDD2 ．．．第二資料輸入訊號
VSS．．．電壓源
本發明可經由參照下列用來說明本發明實施例之描述與其伴隨之圖式而獲得最佳的理解。然而，本發明並未受這些圖式中的細節所限制。實則，本發明之實施例可透過不同的方式細節來施行。
圖一為先前技術中具有六百四十二組輸出通道之源極驅動電路基本電路架構圖；
圖二為本發明實施例中源極驅動電路完整之架構圖；
圖三為本發明實施例中一輸出控制電路之電路架構圖；
圖四為本發明圖三之輸出控制電路應用在一般源極驅動電路之電路架構圖；及
圖五為本發明圖三之輸出控制電路中各訊號之時序圖。
300．．．輸出控制電路
301．．．正反器
303．．．開關元件
CLR．．．時脈
D．．．輸入端
Q．．．輸出端
Q1．．．金氧半場效電晶體
Q2．．．金氧半場效電晶體
VDD1 ．．．第一資料輸入訊號

Claims (5)

  1. 一種顯示器之源極驅動積體電路架構，包含：一移位暫存器，依所接收之脈波訊號輸入並暫存一資料訊號；一線緩衝器，與該移位暫存器耦接並接收暫存之資料訊號，該線緩衝器依輸入之水平同步訊號時序來鎖存該資料訊號並輸出同步式顯示資料；一準位移位器，與該線緩衝器耦接並將該同步式顯示資料提升至所需電位後輸出；一數位類比轉換器，與該準位移位器耦接，將電位提升後之該顯示資料由數位轉換成類比形式；一輸出緩衝器，與該數位類比轉換器耦接，將轉換後之該顯示資料輸出至各通道；及一輸出控制電路，與該輸出緩衝器耦接，其中包含：一正緣觸發正反器，其輸入端接收該源極驅動電路之數位邏輯電壓，並於受一時脈訊號觸發時輸出一第一輸出訊號；一開關元件，耦接至該正緣觸發正反器；該開關元件包含一N型金氧半導體場效電晶體與一P型金氧半導體場效電晶體，其閘極與該正緣觸發正反器之輸出端耦接，可分別接收該第一輸出訊號；該N型金氧半導體場效電晶體之源極與P型金氧半導體場效電晶體之源極為一共同之輸出端，可輸出一第二輸出訊號控制該輸出緩衝器之開關狀態；該N型金氧半導體場效電晶體之汲極耦合該時脈訊號，該P型金氧半導體場效電晶體之汲極則耦合至該數位邏輯電壓。
  2. 如請求項1所述之源極驅動積體電路架構，其中該時脈訊號為一鎖存訊號(Latch Pulse)。
  3. 如請求項1所述之源極驅動積體電路架構，其中於一預定時間內，該第一輸出訊號為低邏輯準位，使該N型金氧半導體場效電晶體與P型金氧半導體場效電晶體分別為關閉狀態(OFF)與導通(ON)之狀態，以輸出高邏輯準位之第二輸出訊號。
  4. 如請求項1所述之源極驅動積體電路架構，其中於一預定時間後，該正緣觸發正反器受該時脈訊號觸發使輸出之第一輸出訊號為高邏輯準位，復使該N型金氧半導體場效電晶體與P型金氧半導體場效電晶體分別呈導通(ON)與關閉(OFF)狀態，此時輸出之第二輸出訊號即為該時脈訊號。
  5. 如請求項1所述之源極驅動積體電路架構，其中該輸出控制電路之輸出端與該顯示器源極驅動積體電路耦接，以控制該顯示器源極驅動積體電路之資料訊號輸出。
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