前一篇文章我們跟大家介紹TFT LCD液晶顯示器的驅動原理中有關儲存電容架構、面板極性變換方式，以及common電壓的驅動方式。這次我們延續上次的內容，繼續針對feed through電壓，以及二階驅動的原理來做介紹。簡單來說Feed through電壓主要是由于面板上的寄生電容而產生的，而所謂三階驅動的原理就是為了解決此一問題而發展出來的解決方式，不過我們這次只介紹二階驅動，至于三階驅動甚至是四階驅動則留到下一次再介紹。在介紹feed through電壓之前，我們先解釋驅動系統中gate driver所送出波形的timing圖。
SVGA分辨率的二階驅動波形
我們常見的1024*768分辨率的熒幕，就是我們通常稱之為SVGA分辨率的熒幕。它的組成顧名思義就是以1024*768=786432個pixel來組成一個畫面的資料。以液晶顯示器來說，共需要1024*768*3個點(乘3是因為一個pixel需要藍色，綠色，紅色三個點來組成。)來顯示一個畫面。通常在面板的規劃，把一個平面分成X-Y軸來說，在X軸上會有1024*3=3072列。這3072列就由8顆384輸出channel的source driver來負責推動。而在Y軸上，會有768行。這768行，就由3顆256輸出channel的gate driver來負責驅動。圖1就是SVGA分辨率的gate driver輸出波形的timing圖。
圖中gate 1 ~ 768分別代表著768個gate driver的輸出。以SVGA的分辨率，60Hz的畫面更新頻率來計算，一個frame的周期約為16.67 ms。對gate 1來說，它的啟動時間周期一樣為16.67ms。而在這16.67 ms之間，分別需要讓gate 1 ~ 768共768條輸出線，依序打開再關閉。所以分配到每條線打開的時間僅有16.67ms/768=21.7μs而已。所以每一條gate driver打開的時間相對于整個frame是很短的，而在這短短的打開時間之內，source driver再將相對應的顯示電極充電到所需的電壓。
而所謂的二階驅動就是指gate driver的輸出電壓僅有兩種數值，一為打開電壓，一為關閉電壓。而對于common電壓不變的驅動方式，不管何時何地，電壓都是固定不動的。但是對于common電壓變動的驅動方式，在每一個frame開始的第一條gate 1打開之前，就必須把電壓改變一次。為什么要將這些輸出電壓的timing介紹過一次呢？
因為接下來要討論的feed through電壓，它的成因主要是因為面板上其他電壓的變化，經由寄生電容或是儲存電容，影響到顯示電極電壓的正確性。在LCD面板上主要的電壓變化來源有3個，分別是gate driver電壓變化，source driver電壓變化，以及common電壓變化。而這其中影響最大的就是gate driver電壓變化(經由Cgd或是Cs)，以及common電壓變化(經由Clc或是Cs+Clc)。
Cs on common架構 且common電壓固定不動的feed through電壓
如前提到，造成有feed through電壓的主因有兩個。而在common電壓固定不動的架構下，造成feed through電壓的主因就只有gate driver的電壓變化了。在圖2中，就是顯示電極電壓因為feed through電壓影響，而造成電壓變化的波形圖。在圖中，請注意到gate driver打開的時間，相對于每個frame的時間比例是不正確的。在此我們是為了能仔細解釋每個frame的動作，所以將gate driver打開的時間畫的比較大。請記住，正確的gate driver打開時間是如同圖1所示，需要在一個frame的時間內，依序將768個gate driver走線打開的。所以每個gate走線打開的時間，相對于一個frame的時間，是很短的。
當gate走線打開或關閉的那一瞬間，電壓的變化是最激烈的，大約會有30~40伏特，再經由Cgd的寄生電容，影響到顯示電極的電壓。在圖3中，我們可以看到Cgd寄生電容的存在位置。其實Cgd的發生，跟一般的CMOS電路一樣，是位于MOS的gate與drain端的寄生電容。但是由于在TFT LCD面板上gate端是接到gate driver輸出的走線，因此一但在gate driver輸出走在線的電壓有了激烈變化，便會影響到顯示電極上的電壓。在圖2之中，當Frame N的gate走線打開時，會產生一個向上的feed through電壓到顯示電極之上。不過此時由于gate走線打開的緣故，source driver會對顯示電極開始充電，因此即便一開始的電壓不對(因為feed through電壓的影響)，source driver仍會將顯示電極充電到正確的電壓，影響便不會太大。
但如果當gate走線關閉的時候，由于source driver已經不再對顯示電極充電，所以gate driver關閉時的電壓壓降(30~40伏特)，便會經由Cgd寄生電容feed through到顯示電極之上，造成顯示電極電壓有一個feed through的電壓壓降，而影響到灰階顯示的正確性。且這個feed through電壓不像gate走線打開時的feed through電壓一樣，只影響一下子，由于此時source driver已經不再對顯示電極充放電，feed through電壓壓降會一值影響顯示電極的電壓，直到下一次gate driver走在線的電壓再打開的時后。
所以這個feed through電壓對于顯示畫面的灰階的影響，人眼是可以明確的感覺到它的存在的。而在Frame N+1的時候，剛開始當gate driver走線打開的那一瞬間，也會對顯示電極產生一個向上的feed through電壓，不過這時候由于gate已經打開的緣故，source driver會開始對顯示電極充電，因此這個向上的feed through電壓影響的時間便不會太長。但是當gate走線再度關閉的時候，向下的feed through電壓便會讓處在負極性的顯示電極電壓再往下降，而且受到影響的負極性顯示電壓會一直維持到下一次gate走線再打開的時候。所以整體來說，顯示電極上的有效電壓，會比source driver的輸出電壓要低。而減少的電壓大小剛好為gate走線電壓變化經由Cgd的feed through電壓。這個電壓有多大呢?
在圖4中，我們以電荷不滅定律，可以推導出feed through電壓為(Vg2 - Vg1) * Cgd / (Cgd + Clc + Cs)。假設Cgd=0.05pF，而Clc=0.1pF， Cs=0.5pF且gate走線從打開到關閉的電壓為 -35伏特的話，則feed through電壓為-35*0.05 / (0.05+0.1+0.5) = 2.69伏特。一般一個灰階與另一個灰階的電壓差約僅有30到50 mV而已(這是以6 bit的分辨率而言，若是8 bit分辨率則僅有3到5 mV而已)。因此feed through電壓影響灰階是很嚴重的。
以normal white的偏光板配置來說，會造成正極性的灰階會比原先預期的來得更亮，而負極型的灰階會比原先預期的來得更暗。不過恰好feed through電壓的方向有一致性，所以我們只要將common電壓向下調整即可。從圖2中我們可以看到，修正后的common電壓與原先的common電壓的壓差恰好等于feed through電壓。
common電壓變動的feed through電壓
圖5為Cs on common且common電壓變動的電壓波形，由于其common電壓是隨著每一個frame而變動的，因此跟common電壓固定的波形比較起來。其產生的feed through電壓來源會再多增加一個，那就是common電壓的變化。這個common電壓的變化，經由Clc+Cs的電容，便會影響到顯示電極的電壓。且由于整個LCD面板上所有顯示點的Clc與Cs都是接到common電壓，所以一但common電壓有了變化，受影響的就是整個面板的所有點。跟前面gate電壓變化不一樣的是，gate電壓變化影響到的只是一整行的顯示點而已。
不過Common電壓變化雖然對顯示電極的電壓有影響，但是對于灰階的影響卻沒有像gate電壓變化來的大。怎么說呢？如果我們使用跟前面一樣的電容參數值，再套用圖6所推導出來的公式，再假設Common電壓由0伏特變到5伏特，則common電壓變化所產生的feed through電壓為(5 -0)*(0.1pF+ 0.5pF) / (0.05pF + 0.1pF +0.5pF) = 5 * 0.6/0.65=4.62伏特。雖然顯示電極增加這么多電壓，但是common電極也增加了5伏特。因此在Clc兩端，也就是液晶的兩端，所看到的壓差變化，就只有4.62-5=0.38伏特而已。
跟之前gate走線電壓變化所產生的feed through電壓2.69伏特比較起來要小的多了，所以對灰階的影響也小多了。且由于它所產生的feed through電壓有對稱性，不像Gate走線所產生的feed through電壓是一律往下，所以就同一個顯示點來說，在視覺對灰階的表現影響會比較小。當然，雖然比較小，但是由于對整個LCD面板的橫向的768行來說，common電壓變化所發生的時間點，跟gate走線打開的時間間隔并不一致，所以對整個畫面的灰階影響是不一樣的。這樣一來，就很難做調整以便改進畫面質量，這也是為什么common電壓變動的驅動方式，越來越少人使用的緣故。
Cs on gate架構 且common電壓固定不動的feed through電壓
圖7是Cs on gate且common電壓固定不動的電壓波形圖。它并沒有common電壓變化所造成的feed through電壓，它只有由于gate電壓變化所造成的feed through電壓。不過它跟Cs on common不一樣的是，由gate電壓變化所造成的feed through電壓來源有兩個地方，一個是自己這一條gate走線打開經由Cgd產生的feed through電壓，另一個則是上一條gate走線打開時，經由Cs所產生的feed through電壓。經由Cgd的feed through電壓跟前面所討論過的狀況是一樣的，在這邊就不再提了。但是經由Cs的feed through電壓，是因為Cs on gate的關系，如圖3所示。Cs on gate的架構，它的儲存電容另一端并不是接到common電壓，而是接到前一條gate走線，因此在我們這一條gate走線打開之前，也就是前一條gate走線打開時，在前一條gate走線的電壓變化，便會經由Cs對我們的顯示電極造成feed through電壓。
依照圖8的公式，同時套用前面的電容參數與gate電壓變化值，我們可得到此一feed through電壓約為 35*0.5pF/ (0.5pF+0.1pF+0.05 pF)=26.92伏特。這樣的feed through電壓是很大的，不過當前一條gate走線關閉時，這個feed through電壓也會隨之消失。而且前一條gate走線從打開到關閉，以SVGA分辨率的熒幕來說，約只有21.7us的時間而已。相對于一個frame的時間16.67ms是很短的。再者當前一條gate走線的feed through電壓影響顯示電極后，我們這一條的gate走線也隨之打開，source driver立刻將顯示電極的電壓充放電到所要的目標值。從這種種的結果看來，前一條gate走線的電壓變化，對于我們的顯示電極所表現的灰階，幾乎是沒有影響的。因此對于Cs on gate且common電壓固定不動的驅動方式來說，影響最大的仍然是gate走在線電壓變化經由Cgd產生的feed through電壓，而其解決方式跟前面幾個一樣，只需將common電壓往下調整即可。
common電壓變動的feed through電壓
圖9是Cs on gate架構且common電壓變動的feed through電壓波形圖。這樣子的架構，剛好有了前面3種架構的所有缺點，那就是gate走線經由Cgd的feed through電壓，和前一條gate走線經由Cs的feed through電壓，以及Common電壓變化經由Clc的feed through電壓。可想而知，在實際的面板設計上幾乎是沒有人使用這種架構的。而這4種架構中最常用的就是 Cs on gate架構且common電壓固定不動的架構。因為它只需要考慮經由Cgd的feed through電壓，而Cs on gate的架構可得到較大的開口率的緣故。
二階驅動(Two level addres sing)的效應
前面四種架構討論的其實都是針對二階驅動方式所產生的影響。所謂的二階驅動方式，是指gate driver的輸出電壓只有兩種，分別是打開跟關閉的電壓。但是二階的驅動方式最大的缺點，就是在gate走在線電壓關閉時，經由Cgd產生影響顯示電極電壓的feed through電壓。從圖10中我們可以知道，原本source driver的輸出電壓范圍，因為feed through電壓的關系，造成在顯示電極上的電壓范圍與原先預期的不一致。
所以要修正common電壓的值，以便顯示出正確的灰階。這是一般常見使用two level gate driver的面板設計方式，不過傷腦筋的是，雖然這個修正值可以利用圖4中的公式來獲得，但是這公式中的Clc電容大小并不是一個固定值，會隨著Clc電容兩端的電壓不同而變化。也就是說，在不同的灰階下，Clc的大小會不一樣，連帶的會影響所產生的feed through電壓也跟著不一樣。
于是對于common電壓的調整就不容易達到各個灰階表現都很好的結果，影像的質量便會打了折扣。而三階驅動的方法就是為了改善這個現象而產生的，利用three level的gate driver，讓經由Cgd與Cs的feed through電壓互相抵消。既然沒有了feed through電壓，就不用再調整common電壓了。不過這種三階驅動的方式，只能使用于Cs on gate的架構。至于三階驅動，乃至四階TFT LCD驅動的原理，我們留到下次再跟大家介紹。
