目前主動矩陣式薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD)已應用於眾多層面，此發展態勢經常為技術能順利切進於市場的要素。其中足以和陰極射線管(CRT)、電漿面板優異畫質匹敵的大螢幕LCD是最主要的技術驅動因子。
本文將進一步洞悉最新TFT LCD的特色與其控制電路，重點將在於筆記型電腦、顯示器、電視與公共資訊顯示器的點反轉(Dot Inversion)驅動方法。
圖1顯示具有90O晶體扭轉的扭轉向列型(TN)單元構造，此單元常用於主動矩陣式顯示器中，和具有 270O扭轉的超扭轉向列(STN)單元恰好相反，後者主要用於被動矩陣式顯示器中。當對整個單元內施電壓時，晶體結構會延著電場排列，由於極性光也延著晶體結構發光，在畫素另一側的偏光板阻隔光源，造成畫素變黑；若未施電壓，則極性光會穿透單元，以90O扭轉延著晶體結構行進。
此外，當對整個單元內供應電壓時，由於長時間加入直流電(DC)電壓會破壞液晶，須施以交流電(AC)訊號，而非恆定的DC電壓。
TFT LCD具高解析/對比度優勢
為了達成高對比的目標，必須使用主動矩陣式顯示器。採用該矩陣的情況下，每一畫素皆由本身的TFT控制。針對顏色顯示動作，每一畫素包含三個子畫素，使用不同的顏色濾波器產生紅、綠、藍色。每個子畫素通常具有256灰階(8bit)，以產生各種不同的顏色。
晶體結構影響LCD檢視角度
LCD的首要挑戰之一是檢視角度有限。尤其用於電視機面板時，須在不犧牲對比或顏色情況下，提供寬廣的檢視角度。圖2第一個圖顯示角度與反射光依存性。同理，對比與顏色變化取決檢視角度。
克服這個問題的初期解決方案之一，是採用光學薄膜來補償液晶(LC)方向，此技巧仍常用於低成本顯示器應用上。更先進的解決方案則用於目前的電視面板，採用垂直排列(VA、PVA)或平面切換(IPS)技術，如IPS與邊緣場切換(FFS)的其他技術在面板中使用額外的電極，以水平排列晶體結構。這些技術可容許在儘可能不降低對比率與色階的情況下，檢視角度可高達180OTN+Film、VA、PVA、IPS、S-IPS及FFS的每一項技術均具有視終端應用而定的個別優勢與特性。某些技術提供較快反應時間，其他技術則提供較寬廣的檢視角度或較高的殘影免疫力。
背光決定可能的色階
顏色飽合度與色階主要取決於 LCD背光。螢幕的色階是以 NTSC標準的100%標示。用於 LCD背光的標準冷陰極螢光燈管(CCFL)通常只具備31%的色階。因此，採用RGB LED背光的面板，其色階較高而易引起注意。但相較之下，採用紅、藍、綠光LED背光 比CCFL燈管的成本來的高。但在用紅、藍、綠背光更普遍時，成本可望大幅降低。然而最近新引進的CCFL燈管具有90%的色階，此重大進展拉近與用紅、藍、綠LED背光飽合度的差距。採用這些技術可帶來不錯的畫質。另一項重要的考慮因素是液晶畫素的反應時間，快速反應時間可避免動態模糊的現象。
快反應時間避免動態模糊
在LCD時代的初期，反應時間是指由黑到白的反應時間。雖然大多數顯示器具有相當快的由黑到白反應時間，但比上述時間慢上許多的灰階到灰階反應時間才是更重要的考量。要改善灰階到灰階反應時間，則必須採用較快反應時間的液晶材料。此外，TFT須用上過壓驅動(Voltage Overdrive)技術。目前已達成四毫秒或更快的反應時間。
為了支援以上討論的所有功能，半導體IC供應商開發專用的功率管理與控制IC。採用點反轉驅動方法的主動矩陣式顯示器的實作與主要結構，如圖 3所示。圖3顯示液晶畫素與TFT 的主要實作方式。若要驅動畫素與 TFT，必須使用以下電壓軌。
(a)以20～30伏特的範圍開啟TFT電壓(Von或VGH)。
(b)以-5～-7伏特的範圍關閉TFT 電壓(Voff或VGL)。
(c)以7～18伏特範圍，視訊訊號與伽瑪參考電壓發射點驅動電壓器。
(d)共通參考電壓Vcom。Vcom s/2
共通參考電壓Vcom是用來執行整個液晶單元內的AC訊號。若要執行整個液晶單元內的正與負振幅，其視訊訊號Vs必須為介於0V以及其額定電壓，如十五伏特之間的AC訊號。選擇Vcom參考電壓為源極電壓(Vs)的一半，會形成虛擬接地，並強迫單元內牽生正與負電壓。Vcom參考電壓以緩衝器(可運轉的放大器)執行，以供應訊號源與汲取電流。若要執行這些不同的電壓軌，必須採用專用的電源供應器IC。
畫質與驅動電路環環相扣
本文簡述用於筆記型電腦、顯示器與電視應用的液晶面板之關鍵要求與顯示器特性。然若要達成優異的畫質，顯示器須全面最佳化。以上討論的電源供應器與控制電路通常內建於面板中。以完整系統角度而言，具有視訊縮放能力的繪圖控制器也會對畫質造成重大影響。因此面板技術、驅動電路與繪圖控制器須最佳化，以達成優越畫質。
(本文作者任職於德州儀器顯示器電源轉換器部門)
(詳細圖表請見新電子科技雜誌255期6月號)
