内置双栅TFT象素放大器的场序彩色近晶型LCD

1 前 言
 
       场序彩色（ＦＳＣ）ＬＣＤ具有所要求的高清晰度、高光学效率（开口率）和低成本。然而，对ＦＳＣ ＬＣＤ所使用的液晶材料提出了快速响应的要求。近晶型（Ｓｍ）液晶，如铁电和反铁电液晶，因为具有自发的极化作用（Ｐｓ），表现出快速响应特性。在近晶型液晶中，Ｖ形开关近晶型液晶（ＶＳＬＣｓ）尤其表现突出，这是因为它们具有适合于ＴＦＴ ＬＣＤ的模拟型灰度等级。ＴＦＴ象素开关断开后，由于出现极化开关电流，象素电压出现波动。尽管探索过使用弱极化液晶材料来减小这种波动，但不可靠。曾设计出几种用于强极化ＶＳＬＣｓ的驱动电路来避免电压波动，但在光学响应时间或扫描线数方面是有限制的。
       为了驱动ＶＳＬＣｓ无电压波动，我们研制出一种电阻负载型ＴＦＴ放大器驱动象素。由于电阻负载型放大器受到ＴＦＴ的阈值电压和负载电阻漂移造成的电压不准确的损害，我们已研制出一种具有有源负载型ＴＦＴ放大器象素。这种有源负载型放大器表现出良好的线性和高的增益，但对于高质量图像而言，其线性和增益还不够高。本文提出一种新的双栅ＴＦＴ象素放大器和相关场序彩色化Ｖ形开关近晶型液晶（ＦＳＣ－ＶＳＬＣＤ）样机，其对角线１．３英寸，ＶＧＡ分辨率，使用双栅有源负载型ＴＦＴ放大器驱动象素。
 
2 TFT放大器驱动象素
 
2.1象素结构
        图１给出了这种象素的等效电路。每个象素有３个ＴＦＴ： 一 个ｎ－沟道开关ＴＦＴ，一个ｐ－沟道放大器ＴＦＴ和一个ｐ－沟道有源负载ＴＦＴ。放大器ＴＦＴ和有源负载ＴＦＴ均为双栅ＴＦＴ，相当于两个子ＴＦＴ串联，而共栅。放大器通常需要高．低电平两个电源电压，以及复位信号。这些附加元件降低了开口率。在我们设计的象素中，栅线既作为放大器的低电平电源电压，同时栅线的选通信号也用作ＴＦＴ放大器的复位信号。而且，存储电容线也用作放大器的偏置电压线。这种电路结构在象素节距为４１ｍｍ时，导致开口率为５５％。
 
2.2 TFT放大器工作时序
           我们的ＴＦＴ放大器驱动象素工作时序见图２。当栅脉冲（Ｖｇａｔｅ）为高电平（ＶｇＨ）时，数据信号电压（Ｖｄａｔａ）传入ＴＦＴ放大器的输入电极（在这个节点的电压称作Ｖａ）。与此同时，高电平栅脉冲电压（ＶｇＨ）通过放大器ＴＦＴ传入象素电极（这个电压称为Ｖｐｉｘ）；也就是ＴＦＴ放大器自己复位。当栅脉冲变成低电平（ＧＮＤ）后，存储电容保持Ｖｄａｔａ，而两个ｐ－沟道双栅ＴＦＴ用作源随放大器。在这种情况下，放大器电源电压是栅线上的低电平和电源电压（Ｖｓ）。供给双栅ＴＦＴ负载管栅极的偏置电压（Ｖｂ）控制着所流过负载的电流。
 
2.3 单栅和双栅TFT之间的差异
      针对单栅和双栅ＴＦＴ，图３和图４分别给出了几种漏极电压Ｖｄ和栅极电压Ｖｇｓ从５Ｖ到－２０Ｖ期间相应的对数输入特性曲线。当Ｖｇｓ在－７Ｖ附近，单栅ＴＦＴ的漏极电流Ｉｄｓ表现出对漏极电压的严重依赖。反之，双栅ＴＦＴ的Ｉｄｓ与漏极电压的关系不大。在双栅结构中，每个子ＴＦＴ的漏极电压大约是单栅ＴＦＴ的一半。因此，这种结构受漏极电压的影响较小。双栅结构ＴＦＴ在低阈值区的特性曲线具有平滑的斜率，适合用作放大器或是负载管。
 
2.4输入/输出电压及电流特性
       图５和图６分别给出了单栅和双栅ＴＦＴ放大器的输出电压（Ｖｏｕｔ）和负载电流（Ｉｄｄ）与输入电压（Ｖｉｎ）的关系曲线。正常工作电压下，单栅的Ｖｂ＝１３Ｖ；双栅结构的Ｖｂ＝１４Ｖ；而单栅结构的线性输出范围为７．３Ｖ，双栅结构的为１２．４Ｖ。如图５（Ｖｂ＝１４）和图６（Ｖｂ＝１５）所示，在低电流下这种差异更明显。在低电流工作状态下，单栅结构的增益和输入电压线性范围分别是０．８８Ｖ和５．８Ｖ，而双栅结构的增益和输入电压线性范围分别为０．９６Ｖ和１４．３Ｖ。
        在单栅结构中，负载电流呈现出与输入电压密切相关，特别是在高输入和低输入电压时。相反，双栅结构在整个电压范围内；电流保持恒定。这种电流的稳定性使得双栅结构具有良好的线性和较高的增益。
 
2.5双栅结构的光学特性
        针对单栅和双栅ＴＦＴ放大器，模拟了液晶盒结构在与最高电压相关的最大透射率下，正、负极性之间无闪烁的光学特性。利用近晶型液晶的透射率一电压关系计算了与每个极的数据电压幅值５．２Ｖ对应的透射率。传统的单栅ＴＦＴ放大器象素的透射率曲线如图７所示；双栅ＴＦＴ放大器象素的透射率曲线如图８所示。在单栅结构中；正极性和和负极性的透过率不一样，相反，在双栅结构中几乎没有差别。
        双棚结构简单的透射率－电压特性导致了液晶显示器无闪烁、无图像残留，并可使用幅度相同的正向和负向电压简化操作。
 
3 FSC—VSLCD
 
3.1 LCD结构
       我们采用有源负载型双栅ＴＦＴ放大器，制作了一个对角线为１．３英寸的场序彩色化Ｖ形开关近晶型液晶显示器（ＦＳＣ－ＶＳＬＣＤ）的样机。ＦＳＣ－ＶＳＬＣＤ的结构如图９所示。数据驱动器、扫描驱动器和预充电电路，都用低温多晶硅ＴＦＴｓ集成在ＬＣＤ的玻璃衬底上。控制信号、模拟场序数据信号和几个电源电压从外接电路板上获得，该电路板把三个并行输入的红、绿、蓝视频信号，转换成一个连续的彩色信号流。
       ＬＥＤ背光源系统由５个水平的行模块组成，每个行模块有红、绿、蓝三个ＬＥＤ。
 
3.2 FSC—VSLCD的驱动原理图
       图１０表示ＦＳＣ－ＶＳＬＣＤ的驱动原理图。图１０ａ表示ＬＣＤ屏的垂直扫描顺序，图１０ｂ表示ＬＥＤ背光源的闪亮顺序。每组红（Ｒ）、绿（Ｇ）、蓝（Ｂ）场数据信号依次传入ＬＣＤ。在该数据信号中，正向ＲＧＢ在负向信号流之前输至显示屏。
       五行ＬＥＤ背光源的彩色被顺序扫描，且与ＬＣＤ屏垂直扫描频率同步。
 
4 质量和特性
 
       用ＤＶＤ视频图像和ＰＣ图像检验了我们样机的动画显示能力，ＰＣ图像是在屏幕上作水平运动的方形图案。既没有闪烁也没有图像残留显现，所显示的图像是一个清晰的、没有模糊和“鬼影”的运动图形。我们认为清晰的视频图像显示，源干ＶＳＬＣ的快速响应和ＴＦＴ放大器驱动象素既不是累积响应又不是阶跃响应，并且采用快速帧频（１８０Ｈｚ）。我们研发的ＶＧＡ ＦＳＣ－ＶＳＬＣＤ的特性综合列于表ｌ。
 
5 结 论
 
       我们采用有源负载型双栅ＴＦＴ象素放大器来驱动Ｖ形开关近晶液晶，没有电压波动，也避免了ＴＦＴ阈值漂移的影响。正是源于双栅结构，ＴＦＴ放大器运行简洁，并提供了无闪烁、无图像残留的图像。我们开发了一台集成了ＴＦＴ放大器和扫描ＬＥＤ背光源系统的ＦＳＣ－ＶＳＬＣＤ。它能显示高质量的动画图像。