Управление ЖК-ячейками LCD-дисплеев путем изменения полярности управляющих сигналов

Физическая природа жидких кристаллов достаточно сложна и поэтому управление ими не отличается особой простотой. Многие люди слышали, что в составе LCD-панели имеются строчные и столбцовые драйверы, и что именно они обеспечивают управление конкретными ячейками, путем выбора строки и столбца. И если глубоко не задумываться о принципах работы ЖК-ячеек, то все кажется очень простым – выбрали строку, выбрали столбец и все – получили светящуюся точку. На самом же деле существует множество различных нюансов при управлении LCD-матрицей, которые и накладывают отпечаток на построение и на функционирование управляющих каскадов TFT-панели. Знание этих особенностей отличает «специалиста–профессионала» от «специалиста-любителя», рассуждающего о схемотехнике LCD-дисплеев c помощью терминов «матрица», «плата управления» и «блок питания».

При адресации жидкокристаллической (ЖК) ячейки, т.е. при выборе ее строки и столбца, в обязательном порядке используются напряжения различной полярности. То есть, другими словами, питание ЖК-ячейки осуществляется в разные моменты времени то положительным, то отрицательным напряжением. Поэтому иногда в литературе можно встретить ссылки на то, что ЖК-ячейки управляются переменным напряжением. Все это делается это для того, чтоб избежать явлений гидролиза и диссоциации сложных органических соединений, из которых состоит жидкокристаллический материал.

ЖК-материал, использующийся в современных TFT матрицах, представляет собой не какое-то однородное соединение, а является композитным материалом, состоящим из нескольких компонентов, каждый из которых обеспечивает соответствующее свойство материала (вязкость, дипольный момент, ориентацию доменов, температурные и электромагнитные свойства и т.д.). Если через этот материал будет протекать постоянный ток, то сложный композитный материал начинает распадаться на отдельные составляющие компоненты, что приводит к потере свойств ЖК-ячейками. Всего этого можно избежать, если полярность напряжения, приложенного к электродам ЖК-ячейки, будет периодически меняться, т.е. если ток, протекающий через ячейку, будет переменным.

Смена полярности может производиться по различным алгоритмам и с различной периодичностью, например:

— с частотой кадровой развертки;

— с частотой строчной развертки;

— с программируемой периодичностью от 1 до 20 периодов строчной развертки.

Необходимость смены полярности напряжений, приложенных к электродам адресации ЖК-ячеек, приводит к усложнению схемы управления LCD-матрицы, и в первую очередь к усложнению архитектуры столбцовых драйверов панели. Современные микросхемы управления LCD-матрицей зачастую позволяют программировать период смены полярности в диапазоне от 1 до 20 периодов выборки строки.

Как правило, в спецификациях на LCD-панели и на LCD-индикаторы оговаривается допустимый уровень постоянной составляющей в сигнале управления элементами изображения. Превышение этого значения способно вывести из строя ЖК-панель.

Для LCD-матриц с активной адресацией, к которым относятся все современные TFT-дисплеи, преимущественно используются три способа смены полярности управляющих напряжений:

— покадровая инверсия;

— построчная инверсия;

— поточечная инверсия.

Принципы смены полярности для каждого из этих способов представлены на рис.1.

Рис.1 Смена полярности осуществляется тремя способами

Как известно, мерцание изображения с частотой кадров является одним из важнейших недостатков мониторов всех типов, и это явление в некоторых публикациях получило название «фликкер». (Утверждение, что LCD-дисплеи обеспечивают формирование абсолютно немерцающего изображения, в подавляющем большинстве случаев неверно, и так могут говорить только люди, очень далекие от понимания принципов управления LCD-матрицами и общих принципов формирования изображения). Смена полярности при адресации ЖК-ячеек способна как усугубить, так и в некоторой степени компенсировать мерцание изображения. Из всех трех способов смены полярности управляющих напряжений, названных выше, поточечная инверсия обеспечивает наименьший коэффициент мерцания изображения. Именно поэтому данный способ чаще всего и реализован в современных микросхемах столбцовых драйверов.

Теперь перейдем от теории к рассмотрению вопросов практической реализации схем, изменяющих полярность напряжения ЖК-ячеек.

Во-первых, нужно очень хорошо осознать, что термины «положительное напряжение» и «отрицательное напряжение» корректны лишь по отношению к напряжению противоэлектрода, обозначаемого Vcom и прикладываемого к одному из контактов всех ЖК-ячеек (см. рис.2). В современных мониторах напряжение Vcom является положительным напряжением постоянного тока величиной 1.25В или 2.5В, т.е. на самом деле, в современных LCD-матрицах никакого отрицательного напряжения к ЖК ячейкам не прикладывается, и все напряжения, в реальности, являются положительными.

Рис.2  Напряжение Vcom является общим для всех ЖК-ячеек

Формирование напряжения, прикладываемого к ЖК-ячейкам, является функцией столбцового драйвера. Хотя если быть более корректным, то столбцовый драйвер является лишь коммутатором напряжений, сформированных схемой опорных напряжений, которая также входит в состав LCD-панели.

Рассмотрим пример. Если в качестве Vcom в LCD-панели используется напряжение 2.5В, то микросхема столбцового драйвера должна формировать на своих выходах, по крайней мере, одно напряжение больше 2.5В (например, 3.5В) и одно напряжение меньше 2.5В (например, 1.5В). В этом случае, относительно Vcom потенциал величиной 3.5В можно считать «положительным» напряжением величиной +1В, а потенциал 1.5В можно считать отрицательным напряжением -1В (см. рис.3).

Рис.3 Смена полярности напряжения на ЖК-ячейке — понятие относительное

В реальных схемах, положительных и отрицательных напряжений, формируемых на выходах столбцового драйвера значительно больше. Чаще всего в современных LCD-дисплеях используется шесть положительных и шесть отрицательных напряжений. Этим обеспечивается изменение величины потенциала, прикладываемого к ячейке, что необходимо для создания градаций цвета, т.е. при изменении потенциала, прикладываемого к ячейке, изменяется степень ее «прозрачности» и, тем самым, осуществляется модуляция светового потока, излучаемого ячейкой. Таким образом, на вход микросхемы столбцового драйвера должно подаваться несколько опорных напряжений, которые выходными буферами драйвера прикладываются к ЖК-ячейкам (здесь мы намеренно несколько упростили принцип формирования «аналоговых» сигналов на выходе столбцового драйвера, но общий принцип, при этом, именно таков). На рис.4 все входные опорные напряжения обозначены парами: +V1 и -V1, +V2 и -V2, +V3 и -V3, +V4 и -V4, +V5 и -V5, +V6 и -V6. При этом положительные и отрицательные напряжения симметричны, т.е. имеют одинаковое абсолютное значение относительно Vcom (рис.5). Кривая, соединяющая точки опорных напряжений, является кривой «гамма-коррекции» полутонов.

Рис.4  Для формирования разнополярного напряжения на ЖК-ячейках, на стобцовые драйверы подается целый ряд «положительны» и «отрицательных» опорных напряжений

Кроме опорных напряжений, на входе микросхемы столбцового драйвера имеется сигнал, который чаще всего обозначается POL (POLARITY – полярность). Уровнем этого сигнала определяется, какая группа опорных напряжений может прикладываться к ЖК-ячейкам: положительные напряжения (+V1, +V2, +V3, +V4, +V5, +V6) или отрицательные (-V1, -V2, -V3, -V4, -V5, -V6). При этом положительные и отрицательные напряжения симметричны, т.е. имеют одинаковое абсолютное значение относительно Vcom (рис.5). кривая, соединяющая точки опорных напряжений, является кривой «гамма коррекции» (γ-correction) полутонов (часто такую зависимость называют Gray Scale – полутона серого).

Рис.5 Кривая гамма-коррекции

Если в качестве примера рассмотреть микросхему столбцового драйвера S6C0668 (рис.6) производства Samsung, то мы увидим, что она оптимизирована под способ поточечной инверсии управляющих напряжений ЖК-ячейки. Высокий уровень сигнала POL на входе этой микросхемы приводит к тому, что положительные напряжения прикладывают к нечетным столбцам, а отрицательные напряжения – к четным столбцам. Низкий же уровень сигнала POL, наоборот, определяет, что отрицательные напряжения прикладываются к нечетным столбцам, а положительные – к четным.

Рис.6  Внутрення архитектура столбцового драйвера SC6C0668

При формировании изображения, уровень сигнала POL меняется с частотой кадровой развертки или с частотой строчной развертки (это определяется «прошивкой» микросхемы TCON), что позволяет организовать поточечную инверсию так, как это показано на рисунках 7-а и 7-б. Но здесь, все-таки, стоит отметить, что традиционным является изменение уровня сигнала POL с частотой строчной развертки. А, в принципе, алгоритм изменения полярности напряжения, приложенного к ЖК-ячейке, определяется исключительно микросхемой TCON (Timing Controller) и при использовании одного и того же столбцового драйвера может значительно изменяться, что мы и видели на рис.7. Алгоритм изменения полярности определяется производителем LCD-панели, исходя из параметров ЖК-материала и требований, предъявляемых к формируемому изображению.

Рис.7 Поточечная инверсия напряжений