现今大多数在欧洲、美国、中国等市场所售出的手机皆具备彩色萤幕，且几乎每天都有新款彩色手机问市。在日本与南韩，几乎每款新问市的手机都拥有彩色萤幕，且大多数采用TFT萤幕。一般预估在未来两年内业界仍将保持朝向彩色萤幕发展的趋势。

业者纷纷推出许多新型行动通讯服务，其中有许多服务必须在彩色萤幕环境中才能使用。多媒体简讯服务（MMS）让拥有彩色萤幕的手机使用者能随意的利用相机手机拍照并且将储存于手机内的相片传送给另一方。

人的肉眼对于肤色的差异相当敏锐，因此萤幕至少须能显示4000种颜色，最好是6万5000色，萤幕呈现颜色才不会失真。若要提高色彩写实度，可运用各种数学离散（mathematical dispersion）技术，例如像混色（dithering）技术就愈来愈受到业者的青睐，业者利用这种高效率且低成本的方法来提升色彩的品质。

有三项因素让彩色萤幕的复杂度高于黑白萤幕。彩色萤幕上每个点（dot）中的3个像素必须分开控制，同时需要3倍的输出引脚──4k的色彩深度每个点就需要12位元的记忆体，反观黑白萤幕则只需要1位元的记忆体。若要让影像能达到快速反应时间，液晶须具备不同层级的实体效能。在电子管理控制方面，需要更高的驱动电压。由于驱动电压无法从电池获得，故须运用晶片内部的倍增阶段（multiplication stages）来提高电压。电容通常直接整合在LCD驱动晶片内,但这类元件会占用大量的矽元件空间。

将大量记忆体整合在驱动晶片，通常需运用到各种深次微米制程。但运用这类制程所生产的元件，最高的电压仅能达到约3.3伏特。业界于是发展许多创新的组合制程，来因应多元化的需求。

模组制造商

当时间限制比画格（frame rate）更新率较为宽松时，传统的多工演算法（multiplex algorithms）会逐列筛选像素资料以及每行的显示资讯。画格更新率指的是填满整个画面或更新内容的频率。一个画格是指填满所有像素列所耗用的时间。为避免在50或60Hz因亮度调变所衍生的干扰，致使肉眼看到画面呈现闪烁，故实际的画格更新率定为70Hz。

另一种需要更多运算的技术为多重像素列定址演算法（multiple row addressing algorithm；MRA），这种演算法一次能处理4或8列的像素资料以及正交讯号。这种技术的像素更新率会快上4或8倍。

这种技术的优点相当的多，能因应不同层面需求。可运用在反应速度更快的液晶面板上显示快速移动的影像，同时仅需使用较小的电压范围就能因应显示动画与影片的需求。须注意的是2.2至2.4伏特的电池电压须提高至9伏特以上。

《图一 驱动电压的比较》

N-line反转性

液晶会对电场的RMS产生反应，如(图三)所示。电场愈强，晶格（cell）发出的亮度就愈高。电场亦会对频率产生影响。频率受到电场影响会产生较大的频率差距，让传输曲线产生微量的偏移，这点可从不同的灰阶层次看出其效应。在运用IAP（改良式Alt与Pleshko演算法）以及小幅度的MRA趋动机制下，当画面几乎全都是黑白像素时，其频率会较低；当萤幕在显示文字或图形且又必须交替显示黑白像素时，频率则较高。为降低整体频率频宽，可选择运用各种反转程序，例如像在显示N-line后的反转极性。 N的范围为N=1至N=最大列数，递增数为1。在选择适合的频率后，所有像素会以正常的顺序显示在萤幕上。

高电压产生机制

LCD技术需要7至20伏特的驱动电压,实际电压视趋动机制以及多功率而定,趋动电压比手机电池的电压高出数倍,(表三)为电池电压范围比较。

业界陆续发展出不同的倍压器机制。现今业者较偏爱采用电容充电泵（capacitive charge pumps）取代电感型倍压器（inductive voltage multipliers），尽管电感倍压器拥有许多显著的优势，(表四)为各种充电泵技术的比较。

《图二 倍压器》

提供第一组电容C1充电电压VDD。 （S1 closed, S2 open）。之后透过讯号D1= VDD, （open S1，close S2）改变电容，如此会对C2电容进行充电。在经过多次充电过程后，将第二组电容改置于2VDD进行充电。在充至更高电压方面，则经过更多的作业阶段，(图二)显示一组三阶段流程（tripler）。调节回路会监视最终电容的电压，并与目前的电压相比较（ROP/R*VREF），而后关闭充电程序直到达到较低的限制门槛为止。

色彩产生机制

人的肉眼能分辨两个最小角度差为0.02度的物体。若两个物体之间的角度差距小于这个门槛，眼睛就会认为两者是同一个物体，当在看手机时一般的距离为30至50公分，因此200μm的像素会被眼睛视为一个点。颜色像素由三个点（dot）所组成，内含红、绿、蓝三色滤光器（filter）。透过所谓的色光加色混合法产生8种基本色，其中包括黑色与白色。透过改变每个点的光源强度，或是套用特定的灰阶，就能增加产生色彩的数量。现今有三种色彩深度最为常见，如(表五)所示。

《图三 不同颜色的产生》

第一代的彩色显示器仅采用256种颜色。色彩深度愈高，系统就需要用更多的内部记忆体来储存静态图片，并需透过空气介质将更多的资料传送至显示趋动器，因此耗电量绝不会降低。

晶片架构目前面临一个挑战──若运用灰阶产生机制，则系统须如何建置的问题。目前的两种模式各有其优缺点。脉冲宽度调变（Pulse width modulation；PWM）模式透过变更像素行讯号的宽度，配合画格更新率控制（frame rate control；FRC）机制来改变画格之间的on／off模式。 PWM能产生最高的色彩传真度，但使用较高的交换频率会耗用较多的电力。 FRC的耗电量虽然较低，但图案（pattern）会导致肉眼能见的像素闪烁，让使用者感到不适。目前业者以折衷方式同时采用两种模式的技术。

在小型显示装置中，颜色的数量成为一项关键的行销因素。颜色数量愈多，显示的画质就愈好。为提升色彩品质，业者采用混色演算法。额外增加像素密度与对比率会对画面的传真度或清晰度产生很大的影响。 100 dpi与200 dpi之间的画质有极大的差距。

《图四 运用混色技术提升色彩质量》

《图五 影像的分辨率或清晰度》

《图六 Scrolling Options》

温度补偿

为因应在冬季与夏季不同活动的需求，－20至＋65(C的温度范围已成为业界实际标准。要在这么大的温度落差范围内运作，显示趋动器须支援－40至＋85(C的工业级运作温度。温度对于液晶（liquid crystal；LC）黏滞性的影响亦须加以考虑。

LCD内部的光源传递与液晶模组的排列方向有关。光源依直线方向传递，若传递方向与模组排列方向垂直，光线就会被阻隔。液晶的黏滞性降低后，就需要更大的控制电压来扭转模组，造成反应时间拉长，会让画面出现停顿的现象。在较高的温度下，启动与关闭所需的时间（ton +toff）为个位数字毫秒（ms），但当温度降至零下时，就会拉长至数百毫秒。

高速的液晶有较高的Vth电压，因此需要更高的控制电压。为了在大范围的温度中维持良好的画质，业者须运用各种温度补偿技术。许多LCD驱动器运用简易的温度补偿技术，例如线性梯度（linear gradient）。另一方面，性能更加强固的LCD驱动器，则采用精密技术，将温度范围切割成四个不同的阶段，每个阶段选用不同的温度梯度。再将必要的参数写入晶片内的非挥发性记忆体单元，例如像是单次编程单元。

《图七 液晶与温度之间的相关性》

耗电量

耗电率对电话的效能有直接的影响。降低耗电率可带来许多层面的利益：

对于显示趋动器的设计业者而言，耗电量是首要的关键因素。除了掀盖式手机以外的机种，所有行动电话的萤幕都须永远显示画面，仅在关机时萤幕才能关闭。 CMOS电路在切换讯号时须耗用大量的电力，故系统会选用最低的内部时脉频率。电晶体通常根据所要趋动的元件进行最佳化设计。须注意的是类比区块：振荡器（oscillator）、缓冲器、交换器（switches）以及分压器等。这些类比区块的阻抗规格都尽可能设到最高，即使是几毫秒的时间，当区块没有使用时亦会关闭电源。

液晶本身的耗电量约为10uA。此为在以低电压电池供电的环境中采用高电压（例如9～20伏特）的模式运作。此外，多工机制须经常切换整个液晶的电压。业者针对这个问题采取各种智慧型的专利演算法，进行所谓的「charge sharing」电荷分享。电压不一定从最高电压直接切换至最低电压，而是经过一个中间阶段。

降低模组复杂度与成本

手机是复杂的通讯装置，同时也是普遍性的消费性电子产品，因此消费者对价格极为敏感。包括显示元件在内的零组件数量须减至最低。尽管业界都认为TFT的显示效能优于CSTN，尤其是在显示动画方面，但TFT的昂贵成本使它不适合应用在低阶至中阶的手机。初期的发展趋势已显示业界从黑白萤幕转移至彩色萤幕将会透过CSTN。然而，随着TFT萤幕的成本持续下滑，CSTN模组将面临愈来愈大的价格压力。

LCD驱动器的成本在整个模组中占有相当大的比重。虽然不同厂牌CSTN驱动器的价格并没有太大的差距，但顾客对趋动器产品的选择趋向，仍对整体模组制造成本产生极大的影响力。

外部元件

业界将显示趋动器直接整合至蜂巢显示器（display cell）的趋势持续发展。现今大多数手机的萤幕都采用玻璃覆晶组装技术（chip-on-glass﹔COG）。 132 ×RGB ×132彩色显示器的趋动晶片需要大量的控制讯号：132列、396行的输入像素，加上介面与电源供应输入，总计达到将近600组连线讯号，这对于使用少量外部元件的系统将会是一项严峻的挑战。运用特殊的半导体技术，让业者能以节省空间的方式整合调节电压用的电容。提供SPI、I2C汇流排以及彼此相互对映的平行介面，能将引脚（pin）数量降至最低。平行介面能缩短晶圆测试的时程，进一步降低产品的成本。

《图八 玻璃覆晶模块的图片》

COG的替代方案包括卷带式封装（tape-carrier-package﹔TCP）与薄膜覆晶封装（chip-on-foil﹔COF），其优点为驱动晶片能置于显示器的背后，提供较小的模组尺吋。最新的薄膜材料更为细薄，具备更高的灵活性并提供更小的弯曲半径。但连线点的数量几乎是COG的两倍：主要归因于驱动器与薄膜之间的连结，以及薄膜与LCD cell之间的连结与介面数量增加所致。

晶片尺寸

大量的介面衬垫（pad）会占用大量的晶片空间。将600组介面衬垫置于传统四方晶片的周围能避免许多缺点──成本昂贵的大型晶片，其中央区域并没有充份利用。在玻璃覆晶型晶片方面，须使用较宽的接触引脚。解决方法是采用较大的长宽比。 15至25mm长、1至2.5mm宽的晶片是现今常见的晶片规格。垫片可轻易置放在晶片的四周。从半导体的角度来看，垫片的尺吋与型状可缩小至任何尺寸，从连结技术的角度来看，垫片最适合的尺吋为40～50(m，金质凸块的尺寸则最好为30×70×17(m。约2000(m2的面积能确保达到低电阻的接触引脚设计。

单次可程式规划单元（one time programmable，OTP）

LCD趋动器结构相当复杂，并提供许多可供使用者操控的参数。业界研发出许多技术，将整合单次可程式规划单元（one time programmable﹔OTP）整合至系统中，这类元件需要增加些许制程步骤。运用这些记忆体单元，业者需要做的就是预先选择或微调各种参数设定。以下按生产链的顺序将参数划分为不同群组：

由半导体制造商设定的参数

对于显示模组制造商有利的参数

藉由控制这些参数，让设备制造商能运用「随插即用（plug and display）」的开发模式

对于像是电话制造商等设备厂商有利的参数

透过这种排列，容易看出OTP的成本​​节省优势如何影响整个生产链。

结论

CSTN LCD驱动器为LCD模组制造商以及电话制造商提供许多层面的功能与优势。对于LCD模组制造商而言，例如MRA趋动、N-Line反转、OTP、延伸范围温度补偿以及混色等技术，皆有助于改进显示的品质以及效能。对于手机制造商而言，像是部份显示模式以及区域卷动技术（area scrolling）都会形成新商机。这些特色将确保CSTN LCD驱动器在未来依旧能主宰行动电话市场。 （作者任职于飞利浦半导体）