CN100452165C - 有源矩阵显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种包括像素阵列的显示装置，一行中的像素的薄膜晶体管的栅极与一条行导线相连。行驱动器电路提供用于控制该行像素的晶体管的开关的行地址信号，其包括接通栅极电压和关断栅极电压。控制电路根据驱动和/或环境条件(诸如温度和/或刷新速率)来移位所述接通栅极电压和关断栅极电压。该控制电路保持所述接通栅极电压与关断栅极电压之间的恒定差。这样就能够减小所述接通电压与关断电压之间的间隙，从而导致功率节省。保持回扫电压恒定，从而易于进行回扫补偿。

Description

有源矩阵显示装置
本发明涉及有源矩阵显示装置，特别涉及使用薄膜晶体管开关装置的像素结构。
这种显示器通常包括被设置成行和列的像素阵列。每行像素共用一条行导线，该行导线与该行中的像素的薄膜晶体管的栅极相连。每列像素共用一条列导线，该列导线被提供有像素驱动信号。行导线上的信号决定晶体管被接通还是被关断。
在液晶显示器的情形中，当通过行导线上的高电压脉冲而使晶体管接通时，允许来自列导线的信号传递到液晶材料区域，从而改变所述材料的光透射特性。可以提供一个附加的存储电容作为该像素结构的一部分，以使得即使在去除行电极脉冲之后，仍然能够在液晶材料上保持一个电压。
有源矩阵显示装置的帧(场)周期要求在短时间周期内寻址一行像素，而这就对晶体管的电流驱动能力提出了要求，以便将液晶材料充电或放电到所需电压电平。为了满足这些电流要求，被提供给薄膜晶体管的栅极电压必须在大约分离20-30伏的值之间波动。例如，可以通过施加大约-8伏或者甚至更低的栅极电压(相对于源极)而使晶体管关断，同时需要大约15伏或者甚至更高的电压来使晶体管充分偏置以便提供所需的源极-漏极电流，从而对液晶材料足够快地进行充电或放电。
还要求驱动晶体管在关断时的栅极电压足够低，以确保在帧时间内电荷不会泄漏。
由于在行导线中要求有大电压摆动，因此要求使用高压部件来实现行驱动器电路。这就导致更大的IC装置和更昂贵的集成电路。这还会导致高功耗、在更高电压下金属轨道腐蚀的危险性增大以及TFT的退化速率增大(由应力引起)。
所需的栅极电压取决于多种因素，包括TFT所用的材料、布局以及诸如光和温度的外部参数。已经认识到，温度影响TFT的阈值电压。具体而言，阈值电压在较低温度下增大，这就要求增大的栅极接通电压。泄漏电流在较高温度下增大，这就要求TFT在较高温度下更难关断(从而需要较低的栅极关断电压)。
传统上，在接通和关断栅极电压中考虑这些参数，以便对于所有操作温度都提供令人满意的接通和关断性能。
不过，在US 2001/0040543中也已经提出了根据温度来控制栅极接通电压，从而在不同温度下获得一致的像素充电特性。
在液晶显示器的设计和控制中产生的另一个难题是由所谓的回扫(kickback)导致的。回扫电压是由驱动晶体管中的寄生栅极-源极电容(CGS)导致的。当栅极电压从接通电平改变为关断电平时，电荷从像素存储电容(CS)和LC单元电容(CLC)转移到该寄生电容。这导致电压发生改变，从而改变像素的灰度输出。这种电压改变被称作回扫电压：
VK＝CGS/(CGS+CLC+CS)*(VON-VOFF)
其中，VON和VOFF是接通和关断栅极电压。已知通过使用DC补偿电压来抵消回扫效应，从而对产生闪烁的回扫效应进行校正。该DC电压被施加到所述公共电极。本领域技术人员已知多种其他更加复杂的补偿回扫的方法。
例如，根据温度操纵驱动晶体管栅极电压的已知方案的问题在于，对回扫的补偿方案不能正确地起作用，或者需要更加复杂的补偿方案。特别地，回扫电压本身就取决于被施加给驱动晶体管的控制电压电平。
根据本发明，提供一种包括像素阵列的显示装置，每个像素包括薄膜晶体管开关装置和显示元件，该阵列被排列成行和列，其中每行像素共用一条与该行中的像素的薄膜晶体管的栅极相连的行导线，行驱动器电路提供用于控制该行像素的晶体管的开关的行地址信号，所述行地址信号各包括为驱动晶体管提供接通(ON)栅极电压和关断(OFF)栅极电压的波形，该装置还包括用于根据驱动和/或环境条件来移位所述接通栅极电压和关断栅极电压的控制电路，所述控制电路保持所述接通栅极电压与关断栅极电压之间的恒定差。
在该装置中，响应于驱动和/或环境条件来移位栅极控制电平，这样允许减小所述接通电压与关断电压之间的间隙，从而能够节省功率。此外，将所述接通与关断栅极控制电平之间的间隙保持恒定，从而回扫电压是恒定的，因此可按照常规方式对其进行补偿。
可以提供温度传感器，然后所述控制电路根据温度来移位接通栅极电压和关断栅极电压。特别地，与较高温度相比，对应于较低温度的接通栅极电压和关断栅极电压都更高。
替换地或附加地，所述控制电路能够根据显示装置刷新速率来移位接通栅极电压和关断栅极电压。特别地，与较低刷新速率相比，对应于较高刷新速率的接通栅极电压和关断栅极电压都更高。
这些补偿方案能够最大程度地节省功率。
优选地，每列像素共用一条被提供有像素驱动信号的列导线，并且其中列地址电路提供所述像素驱动信号。
本发明的显示装置可用在便携式电池供电的装置中，并且所提供的功率节省具有特别的益处。
本发明还为有源矩阵显示装置提供一种用于提供行地址信号的行驱动器电路，在该装置中，每个像素包括薄膜晶体管开关装置和显示元件，并且为该行中的像素的薄膜晶体管的栅极提供所述行地址信号，其中该行驱动器电路包括：
用于提供行地址信号的装置，所述行地址信号包括为驱动晶体管提供接通栅极电压和关断栅极电压的波形；
输入端，用于接收取决于驱动和/或环境条件的控制信号；以及
用于根据该控制信号来移位所述接通栅极电压和关断栅极电压并且保持所述接通栅极电压与关断栅极电压之间的恒定差的装置。
本发明还提供一种为有源矩阵显示装置产生行地址信号的方法，该方法包括：
提供行地址信号，所述行地址信号包括为一行中的像素的驱动晶体管提供接通栅极电压和关断栅极电压的波形；以及
根据驱动和/或环境条件来移位所述接通栅极电压和关断栅极电压，同时保持所述接通栅极电压与关断栅极电压之间的恒定差。
还可以根据温度和/或显示装置刷新速率来进行移位。
现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中：
图1示出有源矩阵液晶显示器的已知像素结构的一个示例；
图2示出包括行和列驱动器电路的显示装置；
图3和4示出可以在驱动有源矩阵显示器时使用的不同的(已知)行波形；
图5示出根据本发明的用于产生行信号的电路的一个示例；
图6示出由本发明的行驱动器电路产生的示例行波形；以及
图7示出使用本发明的显示器的移动电话。
图1示出有源矩阵液晶显示器的一种常规像素结构。该显示器被设置成行和列的像素阵列。每行像素共用一条公共行导线10，每列像素共用一条公共列导线12。每个像素包括串联地设置在列导线12与公共电势18之间的薄膜晶体管14和液晶单元16。通过在行导线10上提供的信号使晶体管14接通和关断。因此，行导线10与相关像素行的每个晶体管14的栅极14a相连。每个像素另外还包括存储电容器20，该存储电容器的一端22与下一个行电极、前一个行电极或者分离的电容器电极相连。该电容器20存储驱动电压，从而即使在晶体管14已被关断之后，在液晶单元16两端仍能保持某一信号。
为了将液晶单元16驱动到所需电压以便获得所需的灰度级，与行导线10上的行地址脉冲同步地在列导线12上提供适当的信号。该行地址脉冲使薄膜晶体管14接通，从而允许列导线12将液晶单元16充电到所需电压，以及将存储电容器20充电到相同的电压。在行地址脉冲结束时，晶体管14被关断，并且如果使用存储电容器20，则当对其他行进行寻址时，该存储电容器保持单元16两端的电压。存储电容器20减小液晶渗漏的影响，并且减小由液晶单元电容的电压依赖性导致的像素电容的百分比变化。顺序地寻址各行，从而在一个帧周期内对所有行进行寻址，并在随后的各场周期中对其进行刷新。
如图2中所示，由行驱动器电路30提供所述行地址信号、并且由列地址电路32提供像素驱动信号给显示器像素阵列34。
为了能够将足够大的电流驱动流过薄膜晶体管14(其通常用非晶硅薄膜装置来实现)，必须使用高栅极电压。特别地，晶体管被接通的周期近似等于显示器在其间必须被刷新的总帧周期除以行数。对应于接通状态与关断状态的栅极电压可以相差20-30伏，以便在关断状态下提供所需的小泄漏电流，并且在接通状态下提供足够大的电流以便在可用时间内对液晶单元16进行充电或放电。结果，行驱动器电路30使用高压部件。
图3示出用于驱动图1的显示器的已知寻址方案的第一示例。被施加给每行的信号包括高度39为大约30伏的矩形脉冲。为了使液晶材料从透射状态振荡到不透射状态，列信号的所需振荡通常具有大约10伏的电压波动40。图3中的行波形表示用于一行的行驱动器脉冲42、用于随后一行的行驱动器脉冲44以及将作为波形46被施加给列导线的信号。电压V18为公共电极电压。已知可以交替地将液晶材料充电到正电压和负电压，因此在操作期间LC单元两端的平均电压为零。其防止材料的退化并且被称为逆变(inversion)，其在图3中由虚线列波形示出。
脉冲高度39必须足够大，从而当列载送最高像素驱动信号时，峰值栅极电压产生高于阈值的足够大的栅极-源极电压，以便使驱动晶体管接通。同样，最低栅极驱动电压必须低于对应于最低像素驱动信号的阈值电压。在图1的电路中，驱动晶体管为n型器件，并且其漏极与列12相连，其源极与LC单元16相连。假设漏极电压与源极电压近似相等，则行上的栅极接通电压必须超过列上的最大像素驱动电压(图3中VMAX)，超过的数值为所需的过阈值电压。
图3的驱动方案所需的列电极信号上的电压摆动还要求使用高压部件来实现列地址电路32。不过，存在其目的在于减小列电极12上的电压摆动的替换驱动方案，从而允许使用低压部件来实现列地址电路32。图4示出一种替换的已知驱动方案的第一示例(称作“公共电极驱动”)。在该例中，公共电极18上的电压不再是恒定的，而是会发生波动。在曲线图48处示出这种情形。这样能够减小列电极12上的电压摆动，如曲线图46所示。不过，这种驱动方案需要更复杂的行波形，并且在图4所示的示例中，每个行脉冲具有限定该行信号波形的三个分立电压。有其他方式来实现列导线上的电压减小。例如，还可以提供分离的电容器电极。图4示出一种优选的驱动方案。
在图4中，具有电压高度39的行脉冲此时被叠加在一个跟随在公共电极电压波形48后面的载波上。脉冲高度39仍然限定驱动晶体管的接通和关断特性，而不是由总行波形高度来限定。
这些驱动方案是本领域技术人员众所周知的。
在本说明书和权利要求书中，使用术语“接通栅极电压”和“关断栅极电压”来表示被施加给驱动晶体管以使驱动晶体管接通和关断的有效栅极电压。有效栅极电压是与被施加到列的电压相对的电压，其决定驱动晶体管的源极电压和漏极电压。在图4的驱动方案的情况下，有效栅极电压包括去除了所叠加的公共电极波形后的具有高度39的脉冲，因为该公共电极波形也被叠加到列电压波形46中。
本发明使用控制电路根据驱动和/或环境条件来移位所述(有效)接通栅极电压和关断栅极电压。该控制电路保持接通栅极电压与关断栅极电压之间的恒定差，从而根据条件有效地将整个行波形上下移位。由于接通栅极电压与关断栅极电压之间的间隙保持恒定，因此回扫电压是恒定的，并且可按照常规方式对其进行补偿。
图5示意地示出用于实现本发明的电路。行驱动器电路30配备有电平移位电路50。该电平移位电路可以移位被提供给行驱动器电路中的其他电路的功率轨(power rail)，以使行波形发生所需的移位。因此，行驱动器中的行波形生成电路可以是常规电路。由来自感测或控制电路54的一个或多个输入52对该移位电路进行控制。
在一个示例中，该感测/控制电路54包括温度传感器。于是所述控制电路根据温度来移位接通栅极电压和关断栅极电压，特别是与较高温度相比，在较低温度下将所述接通栅极电压和关断栅极电压移位到更高数值。
该感测/控制电路可以替换地或附加地为电路50提供显示刷新速率。显示器对于不同的操作模式可以具有不同的刷新速率。例如，在待机操作模式或者在仅将显示缓慢改变的图像时的其他操作模式中可以使用较低刷新速率。这可以是一种功率节省技术，并且本发明还提供其他节省功率的可能。刷新速率本身可根据温度而被控制，例如，当LC响应较慢时以及当泄漏电流较低时，在较低温度下可以接受较低刷新速率。
与较低刷新速率相比，所述接通栅极电压和关断栅极电压对于较高刷新速率将更高。
使用本发明对栅极电压进行自适应控制允许减小行地址脉冲的电压高度，同时使像素电路在多数环境条件和驱动条件下仍然能够令人满意地工作。
图5所示的电路的实现方式是本领域技术人员公知的。
图6示出当温度升高时并且针对图4的公共电极驱动方案，行波形如何随时间演变。如图所示，整个波形随时间移位，不过保持相同的脉冲高度。本发明可应用于其他寻址方案，图6仅作为一个示例给出。
本发明允许采用常规的回扫补偿。例如，可向图4的公共电极波形48施加DC偏移量，不过也可以采用其他补偿方案。
在便携式装置中，本发明所实现的功率节省是特别有益的。图7示出具有本发明的显示装置72的移动电话70。本发明的驱动方法能够节省功率，从而延长电池寿命。
本发明可应用于使用许多不同技术的显示器。非晶硅驱动晶体管需要特别大的电压摆动，不过本发明也可以应用于使用多晶硅像素晶体管的显示器。此外，本发明可应用于其他显示技术，而不限于液晶显示器。
在说明书和权利要求书中，术语“行”和“列”在某种程度上是任意的。这些术语的目的在于阐明具有共用公共连接的正交元件行的元件阵列。尽管通常认为“行”从显示器的左侧到右侧，列从显示器的顶部到底部，但是这些术语的使用无意于在这一方面作出限制。
可以将行和列电路实现为集成电路，并且本发明还涉及用于实现上述显示器体系结构的行电路。
本发明的其他特征对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims (10)

1.一种包括像素阵列的显示装置，每个像素包括薄膜晶体管开关装置和显示元件，该阵列被排列成行和列，其中每行像素共用与该行中的像素的薄膜晶体管的栅极相连的行导线，其中行驱动器电路提供用于控制该行像素的晶体管的开关的行地址信号，所述行地址信号各包括为驱动晶体管提供接通栅极电压和关断栅极电压的波形，其中该装置还包括用于根据显示装置刷新速率和/或温度来移位所述接通栅极电压和关断栅极电压的控制电路，所述控制电路保持所述接通栅极电压与关断栅极电压之间的恒定差。
2.如权利要求1所述的显示装置，还包括温度传感器，其中，所述控制电路根据温度来移位所述接通栅极电压和关断栅极电压。
3.如权利要求2所述的显示装置，其中，温度较低时所对应之接通栅极电压和关断栅极电压将高于温度较高时所对应之接通栅极电压和关断栅极电压。
4.如权利要求1所述的显示装置，其中，刷新速率较高时所对应之接通栅极电压和关断栅极电压将高于刷新速率较低时所对应之接通栅极电压和关断栅极电压。
5.如前面任一权利要求所述的装置，其中，每列像素共用被提供有像素驱动信号的列导线，并且列地址电路提供所述像素驱动信号。
6.如权利要求1-4中任一项所述的显示装置，其包括液晶显示器。
7.如权利要求1-4中任一项所述的显示装置，还包括用于补偿回扫的装置。
8.一种便携式装置，其具有如权利要求1-4中任一项所述的显示装置。
9.一种为有源矩阵显示装置提供行地址信号的行驱动器电路，在所述装置中，每个像素包括薄膜晶体管开关装置和显示元件，并且所述行地址信号被提供给该行中的像素的薄膜晶体管的栅极，其中所述行驱动器电路包括：
用于提供行地址信号的装置，所述行地址信号包括为驱动晶体管提供接通栅极电压和关断栅极电压的波形；
用于接收取决于显示装置刷新速率和/或温度的控制信号的输入端；以及
用于根据该控制信号来移位所述接通栅极电压和关断栅极电压并且保持所述接通栅极电压与关断栅极电压之间的恒定差的装置。
10.一种为有源矩阵显示装置产生行地址信号的方法，该方法包括：
提供行地址信号，所述行地址信号包括为一行中的像素的驱动晶体管提供接通栅极电压和关断栅极电压的波形；以及
根据显示装置刷新速率和/或温度来移位所述接通栅极电压和关断栅极电压，同时保持所述接通栅极电压与关断栅极电压之间的恒定差。
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