液晶畫面串音(Crosstalk)的原理與本質分析

ID:412920 · 發表于 2018-10-20 22:36

1.串音的本質

何謂串音：若是系統中某一個電壓源發生變化，因而擾亂到顯示器的畫面灰階顯示狀態，此種現象即被稱為畫面串音（Crosstalk）。再明確的說明，即是顯示器中的某一個顯像畫素（Pixel），因為其他畫素顯像或是操作電極狀態的變動，影響到這個畫素原本的顯像狀態時，即是顯示器的畫面串音。參考圖一的TFT LCDs的陣列佈局與等效電路，從靜態操作的直觀角度而言，只有當TFT是在開啟（ON）的狀態下，液晶畫素才可以被資料驅動線上的影像電壓訊號影響，經由TFT對液晶畫素充放電；若是TFT在關閉（OFF）的狀態下，理論上液晶畫素是與外部其他的電極或是液晶畫素隔絕，所以不會受到其他部分訊號變化的影響。但是，TFT并不是一個優良的電子開關，在TFT關閉的狀態下仍然會有漏電流的產生，參考圖二在TFT關閉的狀態下，液晶畫素電壓的改變可以用指數衰減的形式描述，影像資料電壓為Vs；另外各個電極間與半導體元件的雜散電容效應，都會影響液晶畫素的顯像狀態。

首先討論資料訊號線與液晶畫素間的雜散電容效應。參考圖一的等效電路，由于訊號線與畫素間的雜散電容，造成在訊號線上的訊號位階變動會經由雜散電容藕合至液晶畫素，液晶畫素的顯像狀態因而改變，在整體畫面上出現垂直方向上的串音現象。例如液晶電容CLC的電容值為0.4pF，液晶畫素沒有設計儲存電容Cs，若是訊號線與畫素間的雜散電容Cps與Cps’為0.02pF時，在液晶畫素上會造成大約10%的電壓誤差。參考圖三液晶電光轉移曲線，10%的電壓誤差將會造成約20%的灰階穿透率改變。但是對于黑白的液晶顯示器而言，由于是操作在液晶電光轉移曲線的兩個極端區域，所以這種灰階電壓的變化并不會影響黑白液晶顯示器的畫面品質。另外有一點要注意，由以上的例子發現，若是加大液晶畫素的儲存電容Cs，可以有效的降低垂直串音的現象。

1.1圖框反轉（Frame Inversion）對垂直串音的影響

由于液晶必須以交流方式驅動，以避免液晶電容內有殘馀的直流電壓成份，造成液晶分子的電化學反應。交流驅動的方式有圖框反轉（Frame Inversion）、線反轉（Row Inversion、Line Inversion）、行反轉（Column Inversion）、及點反轉（Dot Inversion）。以下即針對不同的交流驅動方式所產生的垂直串音現象分別作討論。首先參考圖一的液晶畫素等效電路，一個液晶畫素的等效電容值Ct如（1）式，是所有的雜散電容、儲存電容、及液晶電容的總和。液晶畫素經由Cps與Cps’的電容藕合效應，可以用藕合參數（Coupling Parameter）α、β來表示，如（2）（3）式：

（1）

（2）

（3）

圖1. TFT LCDs 的畫素矩陣佈局與液晶畫素的等效電路

在同一條水平掃描線上，跨于液晶畫素電容兩端的畫素電壓可用（4）式描述，隨掃描時間不同，液晶畫素被其他掃描時間的影像資料訊號（Vj）影響，所以液晶畫素的有效電壓為在整個圖框掃描的均方根電壓（RMS）。

（4）

對于訊號電壓的極性定義以共通電極（Common）的電壓位準為參考依據，若是訊號的電壓位準低于共通電極的電壓位準，此時訊號電壓Vj（t）即為負極性，若是高于共通電極的電壓位準，即為正極性的影像訊號，同理Vi的定義也是以共通電極的電壓位準為參考。參考（4）式，若Vi是正極性而Vj（t）為負極性，（4）是可改寫成如（5）式：

（5）

（5）式中Vi，Vj都是取正數。

圖2. 採用圖框反轉交流驅動時，TFT LCDs的驅動波形與液晶畫素電壓波形。Vgh與Vgl分別為水平掃描脈波開啟與關閉TFT的電壓位階，Vs為垂直訊號線上的驅動波形，Vp為液晶畫素內的電壓波形。

圖3. 液晶的電光特性曲線

若是採用圖框反轉的極性交換方式，第i列（Row）的液晶畫素的有效電壓值，是整個畫面完成掃描的週期時間內的電壓均方根（RMS）值。假設第i列水平掃描線被選取驅動時，對應的垂直影像電壓為Vi；同理，當其他水平掃描線被選取驅動時，對應的垂直影像電壓為Vj（1 < j < N，N為水平掃描線的數目），所以對于第i列上液晶畫素的最后RMS電壓值如（6）式：

（6）

分析（6）式各項

所表示的意義：大括號內的第一項Vi2是掃描第i列時的訊號電壓平方值，第二項多項式重寫如下式：

這項是表示在第i列以上的水平掃描線，在掃描週期內對于第i列的電容藕合效應。由于從第1列至第i－1列的垂直影像訊號與第i列上液晶畫素所儲存的影像訊號電壓極性是相反的，對于第i列的液晶畫素所造成的影響趨勢是將液晶畫素內儲存的電荷經由藕合電容洩漏到垂直影像訊號驅動線。所以液晶畫素的有效電壓會較理想的電壓位階低。

參考（5）式中的第三項：

這項是表示在第i列以下的水平掃描線，在掃描週期內對于第i列的電容藕合效應。由于從第i-1列至第N列的垂直影像訊號與第i列上液晶畫素所儲存的影像訊號電壓極性是相同的，對于第i列的液晶畫素所造成的影響趨勢是將儲垂直影像訊號驅動線上的電荷經由藕合電容洩漏到液晶畫素內。

重新審視整理（6）式，經過計算后可得到如（7）式的結果。（7）式的三個部份分別代表不同的意義：第一部份表示第i列上液晶畫素被寫入的正確電壓，第二部份表示第一階串音成份，第三部份表示第二階串音成份。至于造成串音的主要成份是第一階串音，第二階串音由于是平方項所以造成串音的影響很小。所以垂直串音都以第二項的一階串音為主要克服對象。

假設一個液晶顯示器的畫面具有240條水平掃描線，交流驅動的方式採用圖框反轉驅動，畫面顯示單一灰階背景時，在實際畫面上會有什麼情況發生？參考（7）式的結果：若i＜120也就是第i列是在前半部的水平掃描中的某一條時，由于從i＋1至第N條水平掃描線的對應垂直影像電壓極性與第i列相同，而且電容藕合的效果大于由第1列至第i－1列的相反極性電壓藕合的影響，所以會造成第i列上液晶畫素的RMS電壓值大于理想正確電壓值（1－α－β）2 Vi2，而且當i愈接近1時此一情況愈嚴重。相反的情況發生在當i＞120時，液晶畫素上的RMS電壓值會愈來愈小于理想的正確電壓值。若是液晶顯示器是NW（Normal White）顯像模式，垂直串音造成的結果是畫面的亮度由畫面頂端到底端分佈不均勻，愈頂端畫面愈黑，愈低端畫面亮度愈亮。參考圖4的顯示畫面。

（7）

若是畫面顯示如圖5的視窗畫面時，同樣可以用上述的方式來討論：若是視窗畫面為黑色背景與白色視窗時，由于白色視窗訊號電壓為低電壓驅動訊號，所以在白色視窗的垂直區域內，電壓的電容藕合效應較低，所以上半部份的畫面會較背景的亮度更低，下半部的情況則相反。若畫面的視窗圖樣是白色背景與黑色視窗時，畫面的顯示狀態如圖6所示。

圖4.採用圖框反轉交流驅動時，液晶畫面的垂直串音現象。

圖5.採用圖框反轉交流驅動時，液晶畫面顯示黑底白視窗畫面的垂直串音現象。

圖6.採用圖框反轉交流驅動時，液晶畫面顯示白底黑視窗畫面的垂直串音現象。

1.2直行反轉（Column Inversion）對垂直串音的影響

前面介紹了圖框反轉的垂直串音效應，現在繼續考慮直行反轉的交流驅動方式對垂直串音現象的影響。首先考慮直行反轉時的垂直驅動電壓的極性，若在第i列、第j行上的垂直驅動電壓為正極性時，其相鄰的第j’行上的驅動電壓極性變為負極性驅動，所以在第i列、第j行上的液晶畫素電壓為：

（8）

如同前一節討論的方式，若是以第i列為參考依據時，從第1列至第i-1列的水平掃描週期時間內，第j行上的垂直驅動電壓極性都是與第i列，第j行上液晶畫素所儲存的電壓極性相反，從i+1至第N列的水平掃描週期時間內的垂直驅動電壓極性與第i列相同；相反的，在相鄰的第j行上的電壓極性正好相反，意即從第1列至第i-1列的垂直驅動電壓極性與液晶畫素所儲存的電壓極性相同，從i+1至第N列的垂直驅動電壓極性是相反。所以在整個圖框週期內，液晶畫素內儲存的RMS電壓如（9）式：

（9）

比較（7）式與（9）式，可以發現在造成串音的主要成份中（（7）式與（9）式中的第二項），直行反轉由于相鄰垂直電極對于液晶畫素所造成的電容藕合效應有相互抑制的效果（參考（9）式第二項），所以垂直串音的現象因為採用直行反轉的交流驅動方式而獲得改善。

參考（9）式，若是假設Vm=Vm’時，（9）式可以改寫成如（10）式：

（10）

同樣的若（7）式的Vj=Vj’時，（7）式可以重寫成如（11）式：

（11）

參考（10）與（11）可以更明顯的看出圖框反轉的驅動方式與直行反轉的驅動方式之間的差異；圖框反轉的方式中，水平方向上相鄰的電極對于液晶畫素是造成加成的藕合效應（因為電容藕合項為（α＋β）），直行反轉是造成相互抑制的效應（因為電容藕合項為（α－β））。

1.3線反轉（Line Inversion）對于垂直串音的影響

對于線反轉的交流驅動訊號而言，在同一條水平線上的影像驅動訊號極性是相同的，但是相鄰的水平掃描線上的垂直驅動訊號極性是相反的。若是第i條（假設i是偶數時）水平掃描線上對應的垂直訊號電壓極性為正極性時；在整個圖框掃描週期時間內，掃描第1條至第i－1條的水平掃描線時對應的訊號極性，偶數條的水平掃描線的訊號極性是負極性，奇數條掃描線上的驅動訊號為正極性；而后在驅動第i條掃描線上的液晶畫素時，是將液晶畫素由正極性轉變成負極性；剩下的第i＋1條至最后一條掃描線的驅動訊號極性也是偶數條是負極性，奇數條是正極性。所以對于第i條水平掃描線上的液晶畫素的有效RMS可以用（12）式來表示：

（12）

（12）式中的第二項對應在第i條掃描線以上的驅動訊號對于液晶畫素的影響，其中奇數條掃描線的影響是向正極性的方向（假設第i條掃描線為偶數條掃描線，而且液晶畫素所儲存的電荷電壓極性為正極性），偶數條掃描線的驅動電壓影響為向負極性的方向；同理從第i+1條到第N條掃描線的驅動電壓影響與前述的相反。將（12）式簡化可以獲得（13）式的結果：

（13）

觀察（13）式可以發現使用線反轉的交流驅動方式，由于奇數條與偶數條水平掃描線對于液晶畫素相反的電容藕合效應，使其具有與直行反轉相似的抑制作用，不同的地方在于直行反轉是相鄰垂直驅動訊號間的抑制作用，線反轉的交流驅動是由于相鄰的水平掃描線上相反的垂直驅動電壓極性，造成電容藕合效應的抑制。所以採用直行反轉或是線反轉對于垂直方向上的畫面串音有明顯的抑制，可以改善畫面的顯像品質。

若是將（13）式簡化，同樣假設Vj=Vj’時，即是以顯像畫面為單調的灰階畫面為參考時，能夠更加的明瞭線反轉對于垂直串音的影響。

（14）

1.4點反轉（Dot Inversion）對于垂直串音的影響

點反轉的交流驅動方式可以視為直行反轉與線反轉交流驅動方式的組合，對于任意的一個液晶畫素，它與周圍其他四個液晶畫素的電壓極性都不相同。若是顯示某一灰階畫面實，點反轉的驅動方式對于液晶畫素的影響如（15）式：

（15）

所以比較（15）式與其他驅動方式的分析結果，可以發現採用點反轉的驅動方式對于垂直串音的抑制效果最佳。

1.5 水平串音的畫面分析

水平串音的形成主因在于各個驅動電極上的訊號電壓變化，經由液晶面板間的雜散電容藕合效應，影響到共通電極的參考位準，因而造成畫面的水平串音。在此對于水平串音的分析主要是對于影像驅動訊號對于液晶畫素的充電方式所造成的效應做討論。

1.5.1串列輸入/并列輸出（Serial In /Parallel Out）方式的影響

首先考慮訊號驅動的方式是採用串列輸入/并列輸出的架構，這也是一般大尺寸高解析度的液晶顯示器所採行的訊號驅動架構。基本的動作方式是影像訊號依時間的順序依序的輸入至影像訊號驅動電路，驅動電路依序的將影像訊號儲存起來，等到一條水平掃描線的訊號全部都儲存起來后，再同時并行的輸出至液晶畫素。所以此種方式對于共通電極的影響是發生在同一個時間點上。以下的討論分別對于不同的極性驅動方式做更進一步的分析：

（a）採用圖框反轉或是線反轉的驅動方式：

考慮一個影像訊號電極的輸出電壓訊號對于共通電極的影響為αVm，水平解析度為N的影像畫面，對于共通電極的參考位準影響為NαVm，而且共通電極的影響會隨水平解析度的增加而愈加嚴重。由于共通電極是一個RC的電路負載，所以共通電極上的參考位準變化可用RC放電曲線來描述，所以共通電極被藕合效應影響后，對于液晶畫素參考電壓位準的變化，必須視RC等效電路而定。若RC常數大的話，代表放電時間長，所以產生的誤差電壓大，因而造成較嚴重的水平串音的效應。參考圖7。

圖7.并列輸出方式，圖框反轉與線反轉之驅動方式對于共通電極的參考電位影響

（b）採用直行反轉或是線反轉的驅動方式：

採用直行反轉與點反轉的驅動方式，由于水平方向上，相鄰的液晶畫素的驅動電壓極性是相反的，所以對于共通電極的藕合影響會有相互抑制的效果，因而降低水平串音的現象。

1.5.2串列輸入/串列輸出（Serial In /Serial Out）方式的影響

若訊號驅動的方式是採用串列輸入/串列輸出的架構，這也是一般小尺寸低解析度的低溫多晶硅液晶顯示器（Low Temperature Poly-Si TFT LCDs）所採行的訊號驅動架構。基本的動作方式是影像訊號依時間的順序依序的輸入至影像訊號驅動電路，驅動電路再依序的將影像訊號經由傳輸閘或是輸出驅動電路輸出至液晶畫素。所以此種方式對于共通電極的參考電位影響是發生在不同時間點上。以下的討論分別對于不同的極性驅動方式做更進一步的分析：

（a）採用圖框反轉或是線反轉的驅動方式：

考慮一個影像訊號電極的輸出電壓訊號對于共通電極的影響為αVm，水平解析度為N的影像畫面，對于共通電極的參考位準影響如圖8，而且共通電極的影響會隨水平解析度的增加而愈加嚴重。由于共通電極是一個RC的電路負載，所以共通電極上的參考位準變化可用RC放電曲線來描述，由于共通電極被藕合效應影響的時間點不在同一時間點上，所以會造成更嚴重的共通電極的參考電位漂動問題。若RC常數大的話，代表放電時間長，所以產生的誤差電壓大，因而造成更嚴重的水平串音的效應。參考圖8。

圖8. 串列輸出方式，圖框反轉與線反轉之驅動方式對共通電極的參考電位影響

（b）採用直行反轉或是線反轉的驅動方式：

採用直行反轉與點反轉的驅動方式，由于水平方向上，相鄰的液晶畫素的驅動電壓極性是相反的，所以對于共通電極的藕合影響會有相互抑制的效果，因而降低水平串音的現象。

2.低溫多晶硅薄膜電晶體液晶顯示器的電路架構

經由上述對于影像畫面的分析，我們可以明確的架構出LT Poly-Si TFT LCDs的電路架構，以及預測不同的架構對于畫面的影響；此節主要是由驅動系統的觀點來討論不同的架構的優缺點：

2.1串列輸入/串列輸出（Serial In /Serial Out）方式

串列輸入/串列輸出方式的架構，對于高解析度大面積的TFT LCDS而言，是一個極不洽當的驅動方式，主要原因在于對于每個液晶畫素的充放電時間不相同，參考圖9，愈先取樣輸出的影像電壓，對于液晶畫素的充放電時間愈長，愈后取樣輸出的影像電壓，對于液晶畫素的有效充放電時間會愈短，因而造成畫面的左右亮度不均勻。

圖9.串列輸出架構的液晶畫素充放電時間

所以，對于大尺寸高解析度的液晶顯示器而言，不建議採用此種架構，因為隨著解析度的提高，表示一條水平掃描線的時間亦加縮短，因而會加重畫面的不均勻性；隨著面板面積的增加，造成垂直驅動電極與水平驅動電極的負載增加，使得水平脈波與訊號電壓的驅動波形延遲時間增長，降低有對液晶畫素的有效充放電時間，同樣會增加畫面亮度分佈的不均勻性。

若為了克服亮度分佈不均勻的問題，可以採用如圖10的驅動架構，先將垂直電極走線上的雜散電容充電（此時雜散電容當作是訊號電壓的儲存電容），待依序充電完畢后在開啟水平脈波，但是此方式所面臨的問題是水平脈波的時間寬度大幅的減小，對于高解析度的影像畫面而言，所面臨的問題是整個畫面的液晶畫素充放電時間不夠，造成整個畫面的亮度不足，而且畫面對比劇降。

圖10. 串列輸出架構的驅動時序

串列輸入/串列輸出的驅動電路架構，如圖11所示。參考圖11的架構，影像訊號的輸入有三個路徑，分別為Phase1，Phase2，以及Phase3；對于彩色的液晶面板而言，這三個影像訊號輸入的路徑分別為紅色、綠色、及藍色。若是VGA解析度的液晶面板，移位暫存器（Shift Register）的鐘控訊號（Clock）的頻率為25MHz。

若是黑白的液晶面板而言，Phase1、Phase2、及Phase3的影像訊號為原本的影像訊號除三倍頻后的低頻訊號，而且移位暫存器的鐘控訊號亦為25MHz的除三倍頻，約為8.33MHz；如此架構的好處在于在玻璃上的積體化多晶硅驅動電路的操作頻率可以降低，同時對于每一條垂直訊號電極走線上的雜散電容充電的時間較原本增加三倍，由原本的40ns增加為120ns。但是外部的影像訊號驅動電路的複雜度會增加許多。參考圖12影像驅動分相電路的架構圖、圖13分相鐘控訊號時序圖。

圖11. 串列輸入 / 串列輸出電路架構

圖12. 影像驅動分相電路架構

參考圖12與圖13，LCK1、CLK2、及CLK3分別控制第一級上半部三個栓鎖電路（Latch1、Latch2、及Latch3），CLK4、CLK5、及CLK6分別控制第一級上半部三個栓鎖電路；CLK7控制第二級的三個栓鎖電路。第一級的兩組栓鎖電路將影像訊號交錯的取樣儲存起來，第二級的栓鎖電路則是經由內部多工器的選擇，交錯的選取上半部或是下半部栓鎖電路所取樣

儲存的影像訊號，經由CLK7的鐘控訊號將三個不同相位的影像訊號同步成為相同相位的訊號，再送至液晶顯示器的驅動電路。

圖13. 分相電路控制時序圖

2.2串列輸入 / 并列輸出（Serial In / Parallel Out）方式

對于高解析度，大尺寸的液晶面而言，如果如同小尺寸的液晶面板一般，採用所謂的Driver on Glass的架構，就是將水平掃描脈波驅動線路與垂直影像驅動線路全部都設計佈局與玻璃之上，薄膜的製程採用多晶硅（Poly-Si）的元件，雖然可以提高電荷載子的移動率（Mobility），克服非晶硅（Amorphous Si）元件電荷載子移動率不足的問題，但是仍需要注意多晶硅元件在玻璃基板上製作電路的元件特性，是否達到高解析度的高頻操作要求。例如對于SVGA的解析度而言，若是圖框重複率（Frame Rate）為60Hz，對應的系統操作頻率需要39MHz；若為XGA時，需要65MHz；若是更高的SXGA的解析度而言，所需的操作頻率高達130MHz。

所以在高解析度、高頻的操作模式下，採用Driver on Glass的架構時，對于驅動電路的設計架構，必須先做評估：在此提出三種驅動電路的架構以解決高頻動作所可能面臨的問題。

2.2.1 影像分相電路架構（Video Multi-Phase Structure）

第一種架構如前節所介紹的影像分相架構，但是為了增加對于垂直驅動電極走線上雜散電容的充電時間，驅動電路的架構為串列輸入 / 并列輸出的架構。若影像分相的數目愈多，垂直驅動電路的鐘控訊號頻率就愈低；假若將影像分成10相，對于60Hz圖框重複率的VGA而言，鐘控訊號由原先的25MHz降至2.5MHz；但是要注意，若是外部影像分相驅動電路（圖12）處理的影像訊號是類比影像訊號時，影像分相的數目愈多，最后在液晶面板上所顯示的影像畫面會愈模糊，這是由于分相電路的低通濾波特性所造成，而且隨分相數目的增加，低通的效果會愈明顯；因此，若採用影像分相電路架構時，對于影像分相的數目需要多考慮，同時分相數目過多時，影像分相電路的控制時序會變的更複雜，所需的處理電路亦會增加許多。

圖14. 并列輸出驅動電路架構

參考圖14、移位暫存器（Shifter Register Array）依序的送出控制訊號控制輸入栓鎖暫存器（Input Latch Array），輸入栓鎖暫存器將影像訊號依序的取樣儲存起來，等到一條水平掃描線上的影像訊號全部都被取樣儲存后，利用輸出栓鎖訊號將輸入栓鎖暫存器所儲存的影像資料轉移至輸出栓鎖暫存器（Output Latch Array），同時輸出對應的驅動電壓至液晶面板上，在此同時輸入栓鎖暫存器再繼續取樣儲存下一條水平線的影像訊號。由以上的動作方式可知，輸出至液晶面板的驅動電壓作用時間長達一條水平掃描線的週期，所以與串列輸出的方式最大的不同，即是增加了對液晶面板上垂直驅動電極走線的雜散電容充電時間，改善顯像畫面的亮度不均勻性與低的畫面對比。

至于圖中的影像輸入訊號有三組，對于彩色的液晶面板而言，此三組的影像輸入訊號分別為紅色、綠色、與藍色。此時驅動電路的鐘控訊號頻率每有降低三倍，仍然維持顯像系統的影像畫素更換頻率（Pixel Rate），若為三個相同顏色訊號的輸入影像訊號，此時驅動系統的鐘控訊號頻率即可較畫素更換頻率降低三倍。

2.2.2垂直畫面分割架構

另一種降低驅動系統頻率的方式是將顯像畫面分割成數個小的顯像掃描區域，每個顯像掃描區域都是同時的掃描顯示畫面。這種分個畫面掃描的分是可以歸納成為兩類，一為垂直畫面分割，另一為時間擴展（Timing Expansion）的訊號處理架構。這節先對垂直畫面分割的驅動架構做一簡單的分析與介紹。首先參考圖15的液晶面板佈局方式，將一個液晶面板分割成為上下兩半，上面一半與下面一半的畫面是被同時驅動顯像，所以對于垂直訊號驅動電極走線的設計也與傳統的方式不同，傳統的垂直訊號電極佈局的方式是一條垂直訊號電極由面板的上方舖設到下方，若是對于VGA的驅動訊號而言，垂直方向的解析度為480條水平掃描線，所以一條垂直驅動訊號電極上便會連接480個液晶顯像畫素；但是垂直畫面分割是將垂直訊號驅動電極走線分成上下兩半，上半部連接240個液晶畫素，下半部連接240個液晶畫素。此種驅動架構使得每一條水平掃描線的週期成為傳統的兩倍，意即系統的操作率可以降低一半。

圖15.垂直分割掃描的液晶面板架構圖

從圖15中可以看出垂直影像驅動電路需要兩組，傳統的掃描方式只需要一組的垂直影像驅動電路。對于外部的影像處理電路而言，影像電路處理的架構如圖16：

圖16. 垂直畫面分割影像處理電路架構

參考圖16，輸入影像訊號先經由多工器選擇輸入至哪一個圖框緩衝記憶體。當圖框緩衝記憶體A被多工器選擇輸入影像訊號儲存時，在同一時間圖框緩衝記憶體B將其所儲存的影像資料輸出至液晶面板的驅動電路。反之，圖框緩衝記憶體A與B的處理動作交換；為何要如此的架構設計？其中原因為垂直分割畫面的掃描方式，在輸出影像訊號時記憶體所儲存的資訊內容不可以變更，所以需要兩組緩衝記憶體交互讀寫的動作。

在將影像訊號寫入緩衝記憶體時，寫入資料的順序是從第一個圖框記憶體寫起，順序的資料寫入；當寫完一半的圖框畫面資料后，接著后面一半的圖框畫面寫入第二個圖框記憶體。影像資料由圖框記憶體內讀出時，是同時由第一個與第二個圖框記憶體并行的讀出，送至液晶面板的驅動電路，所以圖框記憶體的寫入鐘控訊號（Write Clock）的頻率與影像訊號的畫素更換頻率（Pixel Rate）相同，但是圖框記憶體的讀取鐘控訊號（Read Clock）頻率只有寫入頻率的一半，而且每一條水平掃描線的週期增加一倍。影像訊號與控制訊號的關系如圖17：

採用此種方式的優點在于液晶面板上的垂直影像驅動電路的操作頻率可以降低一半外，另一個優點是水平掃描週期的時間增加一倍，所以除了可以降低操作頻率外，還可以增加TFT 的水平脈波選取時間，增加液晶電容充電的時間。

圖17. 圖框緩衝記憶體動作時序圖

2.2.3時間擴展（Timing Expansion）架構

應用時間擴展電路架構時，液晶面板的佈局上與傳統的方式相同，但是垂直驅動電路的架構需要做變更，參考圖18，假設將畫面在水平方向上分割成為三個顯像區域，每個顯像區域如同垂直畫面分割的方式，都是并行同時掃描。因此垂直驅動電路的操作頻率可以較原先所需的降低為三分之一。

但是要注意到，水平掃描時間週期并沒有改變，若原先水平掃描週期為31us，採用垂直畫面分割的電路架構，水平週期增加為62us，但是時間擴展的電路架構週期仍為31us。另外比較兩者的影像訊號處理架構，垂直畫面分割需要圖框記憶體（Frame Memory），但是時間擴展方式只需要線掃描記憶體（Line Memory）。在液晶面板的佈局架構上，垂直畫面分割需要在佈局上將液晶面板分成上下兩個獨立的顯像區域，垂直訊號驅動電極分別由上下兩邊的驅動電路所驅動，垂直電極也被分割成上下兩個獨立的驅動電極走線。採用時間擴展方式時，液晶面板的佈局方式與傳統的完全相同，不需要在佈局上將液晶面板分割，只需在垂直驅動電路上做電路架構的獨立分割。

圖18. 時間擴展方式垂直驅動電路架構

參考圖18，垂直驅動電路的控制與傳統的方式的不同點，最主要是在水平掃描觸發訊號的控制模式，傳統的觸發訊號是觸發第一顆垂直驅動晶片開始動作掃描，但是時間擴展的方式是掃描觸發訊號是同時觸發三個掃描區間的第一顆驅動晶片，同時操作頻率降低為原本所需的三分之一。

至于外部訊號處理電路的架構如圖19，兩組掃描線緩衝記憶體的功用在于影像訊號寫入一組的同時，另一組將所儲存的影像資料輸出至液晶的驅動電路。訊號處理的時序圖如圖20：

圖19. 外部訊號處理電路架構圖

圖 20. 訊號處理架構圖

3.結論

以上各節分別針對低溫多晶硅所可採行的驅動架構做初步的介紹，同時針對不同架構所可能面對的畫面問題做初步的討論，綜合以上的各部分討論，對于高解析度的液晶面板，要採用多晶硅元件于玻璃上製作驅動電路時，需要針對多晶硅的頻率操作特性作深入的瞭解，方可採行適當的驅動電路架構。例如將串列輸入 / 串列輸出的電路架構應用于大尺寸、高解析度的液晶面板時，第一個面臨的問題是多晶硅元件的操作頻率是否可以達到要求，第二是對于垂直驅動電極走線的雜散電容充電的問題，因為時間過短的話，無法對液晶畫素提供正確的充電電壓位準，第三由于對于液晶畫素的充電時間隨畫素在水平掃描線上的位置不同，因而隨之改變，可能造成畫面的亮度分佈不均勻的問題，第四若是要降低驅動電路的操作頻率，以及增加對垂直驅動電極的充電時間，採用影像分相驅動的架構時，對于類比的影像訊號若分相數目過多，會造成嚴重的低通濾波器的效果，使得高頻畫面失真。

再者，需要考慮到驅動電路的架構，事實上與外部訊號處理電路的架構是一體的，在決定採用何種的驅動電路架構時，即已決定可與之搭配的訊號處理電路架構，具體而言，面板上的驅動電路與外部處理電路所要執行的工作定為100%時，若是面板上驅動電路所能處理的部分僅為20%，那麼外部電路就要處理80%的工作，所以雖然將驅動電路直接製作于玻璃上有降低液晶面板的成本考量，但是必須更進一步的考量外部處理電路的複雜度與周邊電路成本上升的問題，所以對于利用多晶硅元件直接于玻璃上製造驅動電路的競爭優勢，勢必要以液晶模組的角度作整體性的考量，方可擺脫由半導體製程方面考慮的盲點。

王智偉

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