基于FPGA的TFTLCD快檢信號源的設(shè)計(jì)

0　引言

目前,液晶顯示行業(yè)得到迅速的發(fā)展,但由于液晶模塊的生產(chǎn)不可能達(dá)到100%的成品率,或多或少地存在缺陷,目前在TFT模塊的生產(chǎn)工藝中就有可能產(chǎn)生點(diǎn)缺陷和線缺陷等。為了及早對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行檢測,液晶測試儀器成為所有的液晶模塊生產(chǎn)廠家的必備設(shè)備。針對此問題,設(shè)計(jì)了可以快速檢查TFT模塊的點(diǎn)缺陷和線缺陷的簡易測試儀器,該測試儀主要應(yīng)用于中小尺寸TFT LCD模塊的快速檢測。測試儀最主要的部分是為模塊提供測試信號的信號源。

1　TFT驅(qū)動(dòng)測試原理

TFTLCD最可能產(chǎn)生缺陷的位置是在電路層,即TFT陣列層。TFT實(shí)際功能如同一個(gè)開關(guān),液晶如同一個(gè)電容,當(dāng)開關(guān)閉合的時(shí)候,顯示信號寫入液晶電容Cls,斷開的時(shí)候信號保持在液晶上。存儲(chǔ)電容Cs的作用就是讓充電電壓保持到下一次更新畫面。圖1是單一TFT等效電路圖。掃描線控制TFT的柵極,來決定TFT是否選通,源信號線連接TFT的源極對液晶電容進(jìn)行充電。當(dāng)加在G極和S極的電壓Vgs大于閾值電壓Vth時(shí)，源極和漏極導(dǎo)通，液晶電容充電，達(dá)到顯示效果；當(dāng)Vgs小于閾值電壓Vth的時(shí)候，TFT開關(guān)斷開，液晶電容保持充電電壓到下一掃描周期。

圖1　單一TFT等效電路圖

若液晶分子長時(shí)間固定在某個(gè)電壓下不變,會(huì)破壞液晶分子的旋轉(zhuǎn)特性。當(dāng)顯示要求同一灰度的時(shí)候,可將顯示電壓相對于Vcom分成相同壓差的正負(fù)極性,這樣不管是加在液晶上的電壓是正還是負(fù),雖然液晶分子的旋轉(zhuǎn)方向不同,但顯示的灰度是一樣的。當(dāng)要求顯示同一灰度的時(shí)候,通過正負(fù)電壓的交替,達(dá)到顯示要求,也可避免對液晶分子的破壞。目前,為了避免閃爍現(xiàn)象和減少功耗,大多數(shù)TFT LCD采用點(diǎn)翻轉(zhuǎn)固定Vcom電壓的驅(qū)動(dòng)方式。采用固定Vcom電壓方式的時(shí)候要注意饋通電壓的影響。對于固定Vcom電壓的驅(qū)動(dòng)方式,饋通電壓的形成主要來源于柵極驅(qū)動(dòng)信號的變化,此變化經(jīng)存儲(chǔ)電容Cs和柵極與漏極之間的寄生電容Cgd反饋到顯示電極上,影響顯示電極電壓正確性。為避免此影響,需要修正Vcom電壓,使之對饋通電壓有所補(bǔ)償。圖2是一般TFT模塊采用的二階驅(qū)動(dòng)原理示意圖。

圖2　二階驅(qū)動(dòng)原理

2　TFT點(diǎn)缺陷和線缺陷產(chǎn)生機(jī)理TFT的結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)原理,只要分時(shí)地選通各個(gè)行的柵極,使得源信號對顯示電極充電,就可以達(dá)到顯示效果。但由于生產(chǎn)或其它各種原因,可能出現(xiàn)某行TFT或連接TFT柵極的驅(qū)動(dòng)信號線有缺陷,不能對柵極加以正確的驅(qū)動(dòng)信號,造成整個(gè)行的柵極不能控制,因而信號加不到顯示電極上,通過偏振片觀察的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)某行有亮線,即所謂的線缺陷;當(dāng)存儲(chǔ)電容或液晶電容存在缺陷時(shí),就可能使某個(gè)液晶電容不能充電或充電后保持的時(shí)間不足,造成顯示電極上電壓信號的誤差,觀察的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)某個(gè)亮點(diǎn),即所謂的點(diǎn)缺陷。檢測線缺陷和點(diǎn)缺陷實(shí)際就是在液晶模塊上加以變化的驅(qū)動(dòng)信號,通過偏振片觀察其結(jié)果來快速判斷液晶模塊的質(zhì)量[1-2]。

根據(jù)

3　測試信號的要求

為了滿足對不同中小尺寸TFT模塊的測試要求,測試信號源一般提供源極信號、柵極信號、柵極控制信號和公共地信號。柵極控制信號一般是直流信號, 0~25V可連續(xù)調(diào)節(jié),此信號一般接模塊的GG端(此端為測試選通使能);柵極信號幅值-15~25V可以連續(xù)調(diào)節(jié),頻率10~100Hz可變,占空比1/1 000~1/2可調(diào),此信號接TFT的柵極;源極信號幅值±0.5V~±5V可調(diào),頻率與柵極信號相同,占空比可以調(diào)節(jié),此信號與柵極信號相比有一個(gè)滯后時(shí)間,但高電平時(shí)間要比柵極信號保持時(shí)間長,并且具有16級灰度的變化;地信號是為液晶屏提供的一個(gè)公共端。

4　測試信號的產(chǎn)生設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對TFT LCD的測試,就要實(shí)現(xiàn)上述的信號。其中柵極控制信號和公共地信號很容易實(shí)現(xiàn),在此不作介紹。柵極和源極信號主要通過FPGA來實(shí)現(xiàn)。本文中主要介紹實(shí)現(xiàn)要求的頻率和占空比,以及對灰度的控制。柵極信號的產(chǎn)生主要在FPGA中通過對給定的時(shí)鐘進(jìn)行分頻計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn),此信號作為外部模擬開關(guān)MAX4622的選通信號,對MAX4622的兩路輸入信號進(jìn)行選通。MAX4622的輸入信號的幅值可以調(diào)節(jié),分別在-5~0V和0~10V之間調(diào)節(jié),MAX4622的輸出信號經(jīng)電路放大后作為輸出,即可滿足柵極信號的要求[3]。柵極信號在FPGA中的形成過程如下:根據(jù)接收到的所要實(shí)現(xiàn)的頻率和占空比的數(shù)值,通過公式計(jì)算出輸入FPGA的數(shù)值,規(guī)定fclk為輸入時(shí)鐘頻率,要實(shí)現(xiàn)的頻率為freq,占空比為duty,則有：

N =fclk/(freq×duty)

FPGA根據(jù)N對時(shí)鐘脈沖分頻計(jì)數(shù),分為偶數(shù)和奇數(shù)的兩種情況,N為偶數(shù)時(shí)比較容易實(shí)現(xiàn),當(dāng)N為奇數(shù)時(shí),需要設(shè)置兩個(gè)分頻器,分別對時(shí)鐘脈沖的上升和下降沿計(jì)數(shù),再將這兩個(gè)結(jié)果作邏輯或處理,即可得到結(jié)果為(freq×duty)的方波脈沖,再對其進(jìn)行值為duty的不等分頻處理,所得到的就是頻率和占空比滿足要求的結(jié)果。圖3是仿真結(jié)果,其中m為所要實(shí)現(xiàn)的頻率freq,n為占空比, temp2為頻率為freq×duty的方波信號, clk_gate就是最終的柵極信號。其中時(shí)鐘clk為2MHz,m為10Hz,n為1/20。

圖3　柵極信號

源極信號是通過16路模擬開關(guān)AD7506和模擬開關(guān)MAX4622產(chǎn)生的。AD7506是16選1的模擬轉(zhuǎn)換開關(guān),通過4位地址輸入值選擇1路輸出。AD7506的16路輸入將+5V16等分,每路通過不同的電壓值代表不同的灰度等級。其選擇信號也是由FPGA產(chǎn)生的,實(shí)現(xiàn)16選1的輸出。該輸出經(jīng)過正向跟隨和反向放大電路作為另一個(gè)MAX4622的一組開關(guān)(COM₁和COM₃)的輸入,由FPGA產(chǎn)生的選通信號Sel1,控制正向電壓或反向電壓的輸出,此輸出和公共地又作為MAX4622另一組開關(guān)(COM₂和COM₄)的輸入,經(jīng)Sel₂選通,就可得到具有16個(gè)不同正負(fù)幅值和脈沖寬度均可調(diào)的信號,此信號經(jīng)過運(yùn)放電路的放大即為所要求的源極信號。其中具體的實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。

圖4　源極信號的產(chǎn)生電路圖

其中Sel1是柵極信號經(jīng)過D觸發(fā)器而形成的,所以具有一定的滯后。Sel2是柵極信號經(jīng)過FPGA內(nèi)部的一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而實(shí)現(xiàn)的, FPGA形成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由兩個(gè)D觸發(fā)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器組成,其中cp為上述的(freq×duty)方波,tr為柵極信號, Sel2即為輸出信號,其高電平的時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際需要在一定范圍內(nèi)隨意設(shè)定,如圖5所示。這樣,代表不同灰度等級的交變信號就可加在TFT的源極端