手機的快速革新顯現在技術的各個方面。手機除了向外型小巧化發展外，用戶介面的功能也顯著的改善。例如手機的鍵盤日益縮小，而螢幕的面積卻不斷加大。目前的手機嵌入了一個先進的“介面螢幕”，與幾年前流行的2×12行字元顯示相比，已不可同日而語。就技術面而言，畫素不僅數量增加，尺寸也變小，因此使高品質、高解析度的螢幕得以廣泛應用於手機上。而現在由單色螢幕轉向彩色螢幕的趨勢，又讓所有手機製造商面臨在技術開發上的挑戰。由於手機設備的小巧特性，手機電池的壽命是有限的，因此顯示模組所消耗的功率必須儘可能降低，尤其是有些機種的螢幕總是不斷地顯示資訊，對顯示器的功耗要求更須嚴格。歐洲GSM手機顯示的內容通常是網路供應商、電池電量及訊號強度。

顯示器的演變歷程

可攜式設備為何要發展出彩色顯示功能？也許因為大自然本身就是豐富多彩，而非黑白分明。但僅因為這樣就在研究與設計上投入額外的成本，還因為高功耗而縮短待機時間，似乎不太合理。

顏色可用來強調資訊，能使資訊在小型螢幕上有系統的呈現，因此顏色的數量不是一個關鍵因素。針對大眾消費市場所推出的數位相機，可提供2→3→5百萬個畫素，具有極高的色彩解析度（通常為3×8位元），這也確立了影像品質的事實標準。在不久的將來，相機模組將整合到手機中，使高影像品質顯示成為不可或缺的條件之一。

與黑白顯示相比，彩色顯示的畫素尺寸必須很小。若尺寸過大，肉眼會看到紅色、綠色和藍色的畫素，而非一個單色點畫素。目前常見的點畫素尺寸是0.20 ×0.20到0.25×0.25平方釐米。若相機模組能應用在手攜式設備上，消費者就可以互傳個人照片。人的眼睛對皮膚的色調非常敏感，因此彩色顯示將需使用到4k至64k種顏色，才能達到令人滿意的視覺效果。為了增強顏色的張力，數學上的擴散技術，如細緻過網技術已是一種越來越常用來改善色彩質感的高效益方法。

目前通用的傳輸標準WCDMA、GSM、EDGE、HSCSD及GPRS，可用來傳輸靜態或半靜態的影像，而3G標準將實現更快速傳輸的協定和小視頻序列。3G 應用的普及使顯示器必須縮短回應的時間，而採用TFT（薄膜電晶體）技術的主動矩陣顯示器將成為最佳的選擇。

顏色的成本

驅動彩色顯示與驅動黑白顯示截然不同，比較如(表一)。其複雜度包括三個因素：每個點的3種畫素都要單獨控制，因此需要多3倍的列向量輸出接腳，例如對4k顏色而言，每個點需用到12位元的記憶體，而黑白顯示只需用到1位元的記憶體。縮短回應時間（視頻）需要採用不同物理性能的液晶。對於控制電子元件而言，這意味著更高的驅動電壓。另一方面，TFT顯示器上常用的非晶體薄膜電晶體具有高啟動電壓，要求訊號達到20V。由於電池無法直接提供如此高的電壓，因而採用晶片上的升壓級來增加電壓，通常電容器都直接整合在液晶顯示器（LCD）驅動晶片上，但晶片面積也因而變大。

為了在驅動晶片（組）上整合大容量記憶體，採用了深次微米製程技術，不過該技術的最大容許電壓只能達到3.3V左右。一種創新的混合技術可滿足上述各種需求，這部分內容將在驅動器章節中進行深入討論。

驅動技術

綜觀

當我們在顯示器上打開一個深紅色點畫素時，我們會看到：

《圖一　TFT cell》

一些尺寸資料

液晶被嵌入到兩個相距6(m的玻璃片之間，畫素的尺寸一般為230×230(m，這就產生了畫素電容CLC。顯示器驅動器晶片與TFT的柵極及源極，以及公共電極（CE）電路相連。AMLCD-單元上的非晶體電晶體具有的電子移動率，與半導體晶片所採用的單晶質晶片相比，大約小1000倍，因而可獲得更高的電壓閾值，參考(圖二)；所需的柵電壓在15.25V範圍內，充電CLC的源電壓低於6V。因此柵及源驅動器最好採用不同的晶片，使柵驅動器使用專用高壓技術。不過對大型邏輯及記憶體模組而言，這方法不夠經濟，通常會將這些模組整合在源驅動器電路中。那麼使用外部記憶體如何？不考慮採用外部記憶體通常有兩個原因：首先，為了存取外部RAM，需要採用大型輸入／輸出驅動器電路，以建立可接受的噪音範圍，這一過程要消耗相當大比例的功率；其次市面上已經不再供應小型靜態或動態 RAM。將這部分設計成獨立的晶片，既不經濟，也不節省空間。

展望未來，帶有高壓特性的深次微米製程技術目前仍處於開發階段，但該技術將成為小尺寸TFT顯示器（160×128×RGB）設計單晶片解決方案的理想技術。

《圖二　傳輸特性》

液晶特性

為了防止液晶材料退化，運作過程中，跨LC-單元的平均電壓必須為零。有四種不同的設計方案可供選擇：場、行、列或點畫素轉換。轉換方式越一致，影像品質越好，如(圖三)。事實證明，行轉換還可減少光學副作用，如交叉干擾、大面積閃爍等，此外，行轉換亦可以非常節省的功率運作。

《圖三　轉換模式》

實施驅動器方案

按順序掃描每一行，畫素值同步加於列訊號中。

直接驅動

通常採用2級驅動方案，允許設計直接的驅動器電路，如(圖四)所示。由於所需的電壓很大，為了降低最大電壓偏差，如下選項可供考慮：公共電極調變（CE），如(圖五)；或飛利浦的4級驅動方案（FLDS）。

《圖四　直接驅動，2級行波形》

CE 調變

行訊號直接與電晶體的柵極相連，它能開關電晶體為畫素電容器CLC充電，而充電電壓被加在列線路上。在(圖五)中，訊號被轉換過來，CE調變的過程與此相類似。不過公共電極的調變方式，使得加在行及列上的電壓不能直接累加，因此無須採用高擊穿電壓技術。

《圖五　CE調變，3級行波形》

四級驅動方案

類似CE調變方案，四級驅動方案旨在降低源驅動器所需的電壓範圍。如(圖六)，該方案通過儲存電容器CST，將一個降壓電壓電容耦合到已預先充電的液晶畫素CLC上。(圖七)即為一個典型的畫素。

《圖六　四級驅動方案，行波形》

《圖七　點圖元平面圖》

在該設計方案中，儲存電容器必須與前一行（N-1）相連。在畫素充電過程中，N-1行設定在中間電壓並產生一個耦合脈衝，當TFT開啟後，N行的畫素被充電至該列的電壓。充電後，N行的TFT關閉，N-1行的電壓即恢復到以前水準。這樣通過儲存電容器電容耦合至畫素的充電過程，N行畫素的畫素電壓得以改變。

功率的考量

顯示器的功耗可分為兩個部分：驅動器積體電路所消耗的功率及顯示器本身所消耗的功率。這裏著重於討論後者，如(圖八)。

《圖八 TFT AMLCD模組中的功率路徑》

在AMLCD顯示器中，顯示器所消耗的功率都是由顯示器電極（行、列及公共電極）上的各種充電或放電電容所致。為了計算功耗，需要利用電壓計算與顯示器內每個電極相連的電容負載。圖七顯示了一個簡化的畫素。在實際應用中，還會有額外的寄生電容。為了計算每個電極的負載，必須考慮所有寄生電容。

從(表二)中我們可以明顯看出，最低的功率驅動器是FLDS驅動方案。該方案借助降低行電壓範圍來實現低功耗，特別適合行轉換補償應用。

功耗還是太高？

電位的轉換可由一或兩個步驟完成，利用一個電壓源可一步完成，兩個步驟：先轉換成接地電壓，再轉換成最終電壓，如(圖九)。轉換成接地電壓可以將電容放電，功耗為零，而且可望減少顯示器功耗。以電容C從 U＝5V向U＝-5V的轉換過程為例。若電容器不通過額外的轉換步驟放電到0V，電壓源的能量消耗為C×（-5） ×（-5 - 5）＝50C。若轉換過程有兩個步驟，即先放電到0V，無須從電壓源獲得能量，那麼整個轉換過程的能量消耗為C×（-5）×（-5 - 0）＝ 25C，只有前者的一半；參考(表三)。由此可見，仔細選擇模組的接地電位，並在適當時候轉換，可減少顯示器的整體功耗。

《圖九 首先轉換為地面波形》

結論

隨著這些全新驅動技術的出現，具有高性能的彩色模組將可一一實現，這些性能包括對螢幕高清晰度與真實顏色顯示需求、適合視頻的顯示器回應速度、低功耗以符合現有手攜式產品對尺寸及主要功率耗散的要求等等，創新的技術填補了彩色STN與TFT之間的性能成本差距，也為TFT 顯示器技術的應用開闢了嶄新的市場。

（作者任職於飛利浦半導體）