绕过Windows正版验证新方法？
佚名 -本站原创-
2006-3-27 —
Tech-recipes报道－－如果你的Windows安装出现问题，或者某些难以启齿的原因让你无法从Windows服务器获得更新，下面的小方法也许能够帮助你。首先进入微软Update网站，在选择“Express”（快速）/“Custom”（自定义）安装的时候，微软会对你的CDKey进行验证，如果没有通过，则会显示“Invalid CD Key”（非法CD key）类似的警告。不过，如果你还是想要进行Windows升级，就先在地址栏键入javascript:void(window.g_sDisableWGACheck='all')，然后按回车。这时你再选择“快速”/“自定义”，就不会有弹出警告窗口。另外，如果你不慎输入了错误的CD Key，并想要进行更改，可以按照如下程序操作：1.修改注册表路径：HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\wpaevents键名：OOBETimer双击，修改一两个字母，就可以反激活你的Windows2.进入开始－运行，键入%systemroot%\system32\oobe\msoobe.exe /a，回车点击：电话客户支持点击：下一步点击：更换产品KEY3.小心重新输入你的产品KEY，然后点击更新重启后你的新注册KEY就重新激活了。当然，如果你的CD KEY真实有效，以后进行Windows Update就不用之前那么麻烦了。另：鉴于笔者使用的是正版Windows，所以对第一步绕过验证无法进行验证，有兴趣的可以直接查询原文。http://www.tech-recipes.com/windows_tips1319.html
2007年11月28日 星期三
2007年11月11日 星期日
備份郵件規則
備份郵件規則如果要備份郵件規則的話，就要用到登錄編輯器（Regedit.exe），匯出相關的登錄值。
到「開始」>>「執行」，輸入：regedit 然後按確定。
OE4 或是 OE4.01，則請到以下位置：
HKEY_CURRENT_USER\Software\Microsoft\Outlook Express\Mail\Inbox Rules
然後選功能表上的「登錄」>>「匯出登錄檔」，然後存檔，這個 reg 檔案就是你備份的郵件規則。
OE5 或 Outlook Express 6，則請到以下位置（參考下圖）：
HKEY_CURRENT_USER\Identities\{Identity Number}\Software\Microsoft\Outlook Express\5.0\Rules\Mail
方法如同 OE4，選功能表上的「登錄」>>「匯出登錄檔」，把這個登錄檔存放在安全的地方，以後要匯入的時候，只要在這個 .reg 的檔案上 click兩下，reg 檔案中的資料就會自動匯入。
註一：
Identity Number 就是在 Identities 下的一個一串很長數值的資料夾 （由大括弧{}符號包圍起來），每台電腦的數值都不一樣，所以這裡沒法明確指出這數字。
因為有 Identity Number 的關係，所以你不能把電腦 A 的郵件規則直接複製到電腦 B 上面去，因為兩台電腦的 Identity Number 根本不一樣，你匯過去也沒有用，你只能回存到你原先匯出的那台電腦上。
郵件規則的還原
前一節介紹了如何備份郵件規則，不過，光是備份沒什麼用，要能還原回去才行。
但是，不知道你有沒有注意到，在前一節我有提到，這個匯出來的 .reg 檔案，只能用在匯出規則的那一台電腦上，如果我要把這個規則匯入到其他電腦，或是，我電腦重新 format、重新安裝了作業系統，那我要把以前備份出來的這個郵件規則匯入該怎麼辦？
這裡就是要告訴你如何把已經匯出的郵件規則，再匯入到新電腦的 Outlook Express 中，本節是以 Outlook Express 5 為範例。
要把備份出來的郵件規則還原到新的環境去，並不是一個步驟就可完成。
我們需要使用登錄編輯器（Regedit），並且，會需要修改 .reg 檔案，如果你是生手，不建議你自己動手做，找一個有經驗的朋友來協助你，任何的修改失敗，都可能會造成作業系統不正常，所以修改時，務必請小心。
以下是本例還原步驟的假設環境狀況：
我已經把舊電腦裡的 Outlook Express 5 郵件規則備份出來了。現在要把這個匯出的 .reg 檔，再還原到剛裝好的作業系統中的 Outlook Express 5。另外提醒你，在還原過程中，請不要開啟 Outlook Express 5。
開始還原：
在目的電腦上，開啟 regdeit，到：HKEY_CURRENT_USER\Identities\{GUID}
{GUID} 只是一個代名詞，你不要去找 GUID 這四個英文字母，這樣是找不到的。
它就是看起來很長一串的那個數字，每部PC上的 {GUID} 數值都不同，另外，也有可能同一台PC 上有好幾個 {GUID}，所以在這個步驟，是要找出你自己的 {GUID} 碼。（如果在 Identities 下有好幾個 {GUID} 的話）
點選這些 {GUID} ，注意右側窗格的 Username 欄，如果你的 Outlook Express 並沒有設定身份，那麼 Username 顯示為「主 ID」的那個 {GUID} 就是你的 {GUID}。
如果你的 Outlook Express 5 有設定不同身份，Username 就選擇你的 Username 出現的那個 {GUID} 碼。
把這個 {GUID} 碼記下來（或 Copy 到 記事本），好比你的 {GUID} 是：{A3175AF6-6658-432A-95A3-959F4343E2B2}，就 copy
A3175AF6-6658-432A-95A3-959F4343E2B2 到記事本上（用筆抄下來也可以）。
用「WordPad」打開你備份出來的郵件規則登錄檔 xxx.reg 檔案，別忘了開起檔案的時候，檔案類型要選擇「全部文件」，你才能看到 reg 檔。（你要用 UltraEDit 打開也無所謂）打開之後，可以看到在 Identities 之後所跟著的是你舊的 {GUID} 碼（都是來自舊電腦上的，或是重新安裝作業系統前的機碼），這些舊的 {GUID} 碼對我們都沒有用，我們要把全部的舊的 {GUID} 碼換成新的才行，抄下你的舊機碼。到WordPad 的「編輯」>>「取代」。尋找目標：輸入你的舊 GUID 碼。取代為：輸入你的新 GUID 碼，最前面我不是叫你 copy 到記事本上嗎？或是抄下來嗎？把之前找出的新機碼放在「取代為」這一欄。按全部取代。存檔。在你這個 reg 檔案上 click 兩下，reg 檔案內容就會匯入到 registry 裡。你原機器上的郵件規則已經完全匯入到新的機器上了。
補充：
當你匯入之後，你到「工具」>>「郵件規則」>>「郵件」，你可能會發現有許多的郵件規則前都會出現 X 符號，這是因為在你新的環境中，並沒有這個規則所要用的某個項目，你只要補建所缺少的項目即可。
例如，假設你的規則是：原本 Tony 寄來的信件都是放到 Tony 這個郵件匣，但是因為你新電腦上還沒有建立 Tony 這個郵件匣，所以在這個郵件規則前面就會出現一個大大的紅色「X」符號，你只要按下紅色的文字，去補建 Tony 這個郵件夾即可，依此類推。
到「開始」>>「執行」，輸入：regedit 然後按確定。
OE4 或是 OE4.01，則請到以下位置：
HKEY_CURRENT_USER\Software\Microsoft\Outlook Express\Mail\Inbox Rules
然後選功能表上的「登錄」>>「匯出登錄檔」，然後存檔，這個 reg 檔案就是你備份的郵件規則。
OE5 或 Outlook Express 6，則請到以下位置（參考下圖）：
HKEY_CURRENT_USER\Identities\{Identity Number}\Software\Microsoft\Outlook Express\5.0\Rules\Mail
方法如同 OE4，選功能表上的「登錄」>>「匯出登錄檔」，把這個登錄檔存放在安全的地方，以後要匯入的時候，只要在這個 .reg 的檔案上 click兩下，reg 檔案中的資料就會自動匯入。
註一：
Identity Number 就是在 Identities 下的一個一串很長數值的資料夾 （由大括弧{}符號包圍起來），每台電腦的數值都不一樣，所以這裡沒法明確指出這數字。
因為有 Identity Number 的關係，所以你不能把電腦 A 的郵件規則直接複製到電腦 B 上面去，因為兩台電腦的 Identity Number 根本不一樣，你匯過去也沒有用，你只能回存到你原先匯出的那台電腦上。
郵件規則的還原
前一節介紹了如何備份郵件規則，不過，光是備份沒什麼用，要能還原回去才行。
但是，不知道你有沒有注意到，在前一節我有提到，這個匯出來的 .reg 檔案，只能用在匯出規則的那一台電腦上，如果我要把這個規則匯入到其他電腦，或是，我電腦重新 format、重新安裝了作業系統，那我要把以前備份出來的這個郵件規則匯入該怎麼辦？
這裡就是要告訴你如何把已經匯出的郵件規則，再匯入到新電腦的 Outlook Express 中，本節是以 Outlook Express 5 為範例。
要把備份出來的郵件規則還原到新的環境去，並不是一個步驟就可完成。
我們需要使用登錄編輯器（Regedit），並且，會需要修改 .reg 檔案，如果你是生手，不建議你自己動手做，找一個有經驗的朋友來協助你，任何的修改失敗，都可能會造成作業系統不正常，所以修改時，務必請小心。
以下是本例還原步驟的假設環境狀況：
我已經把舊電腦裡的 Outlook Express 5 郵件規則備份出來了。現在要把這個匯出的 .reg 檔，再還原到剛裝好的作業系統中的 Outlook Express 5。另外提醒你，在還原過程中，請不要開啟 Outlook Express 5。
開始還原：
在目的電腦上，開啟 regdeit，到：HKEY_CURRENT_USER\Identities\{GUID}
{GUID} 只是一個代名詞，你不要去找 GUID 這四個英文字母，這樣是找不到的。
它就是看起來很長一串的那個數字，每部PC上的 {GUID} 數值都不同，另外，也有可能同一台PC 上有好幾個 {GUID}，所以在這個步驟，是要找出你自己的 {GUID} 碼。（如果在 Identities 下有好幾個 {GUID} 的話）
點選這些 {GUID} ，注意右側窗格的 Username 欄，如果你的 Outlook Express 並沒有設定身份，那麼 Username 顯示為「主 ID」的那個 {GUID} 就是你的 {GUID}。
如果你的 Outlook Express 5 有設定不同身份，Username 就選擇你的 Username 出現的那個 {GUID} 碼。
把這個 {GUID} 碼記下來（或 Copy 到 記事本），好比你的 {GUID} 是：{A3175AF6-6658-432A-95A3-959F4343E2B2}，就 copy
A3175AF6-6658-432A-95A3-959F4343E2B2 到記事本上（用筆抄下來也可以）。
用「WordPad」打開你備份出來的郵件規則登錄檔 xxx.reg 檔案，別忘了開起檔案的時候，檔案類型要選擇「全部文件」，你才能看到 reg 檔。（你要用 UltraEDit 打開也無所謂）打開之後，可以看到在 Identities 之後所跟著的是你舊的 {GUID} 碼（都是來自舊電腦上的，或是重新安裝作業系統前的機碼），這些舊的 {GUID} 碼對我們都沒有用，我們要把全部的舊的 {GUID} 碼換成新的才行，抄下你的舊機碼。到WordPad 的「編輯」>>「取代」。尋找目標：輸入你的舊 GUID 碼。取代為：輸入你的新 GUID 碼，最前面我不是叫你 copy 到記事本上嗎？或是抄下來嗎？把之前找出的新機碼放在「取代為」這一欄。按全部取代。存檔。在你這個 reg 檔案上 click 兩下，reg 檔案內容就會匯入到 registry 裡。你原機器上的郵件規則已經完全匯入到新的機器上了。
補充：
當你匯入之後，你到「工具」>>「郵件規則」>>「郵件」，你可能會發現有許多的郵件規則前都會出現 X 符號，這是因為在你新的環境中，並沒有這個規則所要用的某個項目，你只要補建所缺少的項目即可。
例如，假設你的規則是：原本 Tony 寄來的信件都是放到 Tony 這個郵件匣，但是因為你新電腦上還沒有建立 Tony 這個郵件匣，所以在這個郵件規則前面就會出現一個大大的紅色「X」符號，你只要按下紅色的文字，去補建 Tony 這個郵件夾即可，依此類推。
2007年11月8日 星期四
The Pencil Hardness Test 硬度測試
The Pencil Hardness TestBy Mac Simmons
This article appeared in Woodwork, April 2000, p76. and is used here by permission.
A set of graded pencils
After doing some testing on various coatings for their 'pencil hardness', I was surprised at the results I got. I thought I would share this information with those who may have their own opinions about what they consider to be hard and durable coatings. I would like you to know right from the beginning that the pencil hardness test is only one of many tests used to evaluate coatings. There is obviously more than the hardness of any coating to be considered, so do not judge a finish entirely on the basis of this test.
The test is very simple to do, will give uniform results, and is dependable because the pencils are graded. The grade of the pencil is determined by the amount of baked graphite and clay in its composition.
Grading pencils come in an assortment of both hard and soft, and can be found in most art or office supply stores. The set I have consists of twelve pencils, ranging in hardness from 4H to 6B. The 'H' stands for hardness, the 'B' stands for blackness, and HB is for hard and black pencils. The hardest is a 9H, followed by 8H, 7H, 6H, 5H, 4H, 3H, 2H, and H. F is the middle of the hardness scale; then comes HB, B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B, and 9B, which is the softest. Another grading method uses numbers; the equivalents would be #1=B, #2=HB, #2-1/2=F, #3=H, and #4=2H. The most commonly used writing pencil is the #2 (HB grade), which is fairly soft, contains more graphite, and leaves a dark mark.
To do your own pencil hardness testing, always start with a dry, clean, well-sanded piece of wood.
Type of coatings
Pencil Hardness
Catalyzed polyester
9H
Catalyzed polyurethane
9H
Catalyzed ModifiedAcrylic polyurethane
4H
Catalyzed Acrylicpolyurethane
2H
Water-based polyurethane
3H
Water-based urethane/Isocyanate Catalyst
2H
Conversion varnish
4H
Low VOC Catalyzedlaquer [24 hrs]
2H
Low VOC laquer
3H
Urethane/Nitrocelluloselaquer [24 hrs}
F
Water reducible laquer
2H
Tung oil/polyurethanewipe-on finish
2H
Water-based polyurethanewipe-on finish
HB-F
Aerosol precat
3B
Aerosol water clear acrylic
3B
Aerosol clear shellac
3B
Aerosol nitrocellulose/polyurethane
HB
Aerosol nitrocellulose
3B
Amber (orange) Shellac1 lb. cut
3B Usually the coating thickness being tested is 1.0-1.5 mils (a mil is one millionth of an inch) and has been allowed to dry for 7 days. In some cases, a different drying schedule is used, and the chart indicates those in brackets. The ambient temperature during the test can also be a factor in the drying times and can have an effect on the coating's hardness.
Select a pencil from your set and make a line about 1/2-inch long. If the pencil you start with scratches the surface of the coating, then go down the pencil grades until you come to the first pencil that doesn't scratch the coating. Redo the test, and if you get the same results, you have determined the 'Pencil Hardness' of the coating you are testing. It's that simple. There are some coatings so hard that the 9H pencil won't scratch them-all of these coatings get a 9H rating to designate their hardness.
Use this chart only as a guide. It is also important to understand that the degree of hardness of any generic coating may not always be the same; in other words, if one company has a polyurethane with a 3H hardness, do not assume that every other polyurethance will have a 3H hardness. They won't; they will vary from manufacturer to manufacturer, and from product to product.
As I mentioned previously, the pencil hardness test is only one of many tests that are done to evaluate a coating's performance. Other tests are abrasion, reverse impact resistance, direct impact resistance, cross-hatch adhesion, oxidation, gloss retention, UV resistance, yellowing, blistering, drying times, chemical/solvent resistance (using both the rubbing and spot/time tests), salt spray resistance, humidity resistance, acid and caustic resistance, the VOC and HAP contents, and so on.
All this information is helpful in choosing or evaluating a finish. But regardless of a finish's rating, the best advice is always: 'handle with care'.
Mac Simmons is a 40-year veteran of the furniture, refinishing, and restoration trades, and the author of the Refinishing Commandments. He lives in Massapequa, New York.
http://www.pencilpages.com/articles/simmons.htm
This article appeared in Woodwork, April 2000, p76. and is used here by permission.
A set of graded pencils
After doing some testing on various coatings for their 'pencil hardness', I was surprised at the results I got. I thought I would share this information with those who may have their own opinions about what they consider to be hard and durable coatings. I would like you to know right from the beginning that the pencil hardness test is only one of many tests used to evaluate coatings. There is obviously more than the hardness of any coating to be considered, so do not judge a finish entirely on the basis of this test.
The test is very simple to do, will give uniform results, and is dependable because the pencils are graded. The grade of the pencil is determined by the amount of baked graphite and clay in its composition.
Grading pencils come in an assortment of both hard and soft, and can be found in most art or office supply stores. The set I have consists of twelve pencils, ranging in hardness from 4H to 6B. The 'H' stands for hardness, the 'B' stands for blackness, and HB is for hard and black pencils. The hardest is a 9H, followed by 8H, 7H, 6H, 5H, 4H, 3H, 2H, and H. F is the middle of the hardness scale; then comes HB, B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B, and 9B, which is the softest. Another grading method uses numbers; the equivalents would be #1=B, #2=HB, #2-1/2=F, #3=H, and #4=2H. The most commonly used writing pencil is the #2 (HB grade), which is fairly soft, contains more graphite, and leaves a dark mark.
To do your own pencil hardness testing, always start with a dry, clean, well-sanded piece of wood.
Type of coatings
Pencil Hardness
Catalyzed polyester
9H
Catalyzed polyurethane
9H
Catalyzed ModifiedAcrylic polyurethane
4H
Catalyzed Acrylicpolyurethane
2H
Water-based polyurethane
3H
Water-based urethane/Isocyanate Catalyst
2H
Conversion varnish
4H
Low VOC Catalyzedlaquer [24 hrs]
2H
Low VOC laquer
3H
Urethane/Nitrocelluloselaquer [24 hrs}
F
Water reducible laquer
2H
Tung oil/polyurethanewipe-on finish
2H
Water-based polyurethanewipe-on finish
HB-F
Aerosol precat
3B
Aerosol water clear acrylic
3B
Aerosol clear shellac
3B
Aerosol nitrocellulose/polyurethane
HB
Aerosol nitrocellulose
3B
Amber (orange) Shellac1 lb. cut
3B Usually the coating thickness being tested is 1.0-1.5 mils (a mil is one millionth of an inch) and has been allowed to dry for 7 days. In some cases, a different drying schedule is used, and the chart indicates those in brackets. The ambient temperature during the test can also be a factor in the drying times and can have an effect on the coating's hardness.
Select a pencil from your set and make a line about 1/2-inch long. If the pencil you start with scratches the surface of the coating, then go down the pencil grades until you come to the first pencil that doesn't scratch the coating. Redo the test, and if you get the same results, you have determined the 'Pencil Hardness' of the coating you are testing. It's that simple. There are some coatings so hard that the 9H pencil won't scratch them-all of these coatings get a 9H rating to designate their hardness.
Use this chart only as a guide. It is also important to understand that the degree of hardness of any generic coating may not always be the same; in other words, if one company has a polyurethane with a 3H hardness, do not assume that every other polyurethance will have a 3H hardness. They won't; they will vary from manufacturer to manufacturer, and from product to product.
As I mentioned previously, the pencil hardness test is only one of many tests that are done to evaluate a coating's performance. Other tests are abrasion, reverse impact resistance, direct impact resistance, cross-hatch adhesion, oxidation, gloss retention, UV resistance, yellowing, blistering, drying times, chemical/solvent resistance (using both the rubbing and spot/time tests), salt spray resistance, humidity resistance, acid and caustic resistance, the VOC and HAP contents, and so on.
All this information is helpful in choosing or evaluating a finish. But regardless of a finish's rating, the best advice is always: 'handle with care'.
Mac Simmons is a 40-year veteran of the furniture, refinishing, and restoration trades, and the author of the Refinishing Commandments. He lives in Massapequa, New York.
http://www.pencilpages.com/articles/simmons.htm
2007年10月24日 星期三
LCD原理與構造概論
液晶顯示器原理與構造概論
液晶顯示器（Liquid Cyrstal Display；簡稱LCD）是屬於光電產品中平面顯示器的一種，擁有體積小、質量輕、厚度薄、耗電低、不閃爍、沒輻射等眾多優點，是目前顯示器領域中最被矚目的明星。
一、液晶的起源
提起「液晶」不禁讓人想到，「液」是液態的意思，「晶」是固體的意思，那麼「液晶」是固體還是液體呢？答案為都是。為什麼呢？因為一般來講物質有固態、液態和氣態共三態，但是液晶卻介於固態和液態之間，同時擁有固態晶體的光學特性和液體的流動特性，所以可以說液晶是具有中間相的物質。
液晶的起源是在1888年時，由奧地利植物學家萊尼茲發現了一種特殊的混合物質，此一物質在常態下是處於固態和液態之間，不僅如此，其還兼具固態物質和液態物質的雙重特性。在那個年代並沒有對於此物質的適當稱呼，因此就稱之為Liquid Crystal（顧名思義就是液態的晶體）。而液晶的組成物質是一種有機化合物，也就是以碳為中心所構成的化合物。
後來在1963年時，美國RCA公司的威廉發現了液晶會受到電器的影響而產生偏轉的現象，也發現光線射入到液晶中會產生折射。所以就在1968年，也就是威廉發現光會因液晶產生折射後的5年，RCA的Heil震盪器開發部門發表了全球首台利用液晶特性來顯示畫面的螢幕。所以到了1968年，萊尼茲發現液晶物質後整整80年後，「液晶」和「顯示器」兩個專有名詞才連結在一起，「液晶顯示器（LCD）」成為後來大家朗朗上口的專業名詞。
當然，1968年所發表的液晶顯示器就如同大多數新發明的科技一樣，新科技的首次發表並未象徵能立即量產出貨，距離實際應用在日常生活還有一段路要走。再經過5年的光陰，到了1973年時一位英國大學教授葛雷先生發現了可以利用聯苯來製作液晶，聯苯所製作的液晶顯示器十分安定，解決了以往所使用的液晶材料較不穩定的問題，因此造就了在1976年時有關於液晶顯示器的產品正式量產出貨，此產品為日本SHARP的以液晶做為螢幕的EL-8025電子計算機。從此以後，開啟了液晶多方面的應用，也逐漸促成LCD產業的興起。
二、液晶運用在顯示器上的原理
一般來講液晶運用在顯示器上，主要靠液晶的電光效應和偏光的特性。偏光的涵義是指光波只會在一個平面上震動，主要是靠偏光濾光器（濾光器是由兩塊互相成為90度的單一濾光鏡片構成）。而LCD是以兩塊玻璃片中填滿液晶材料所構成，由於液晶擁有黏性（viscosity）、彈性（elasticity）和極化性(polarizalility)的性質，因此當電極通過就會改變偏光的特性。為了使LCD能顯示影像，在LCD的兩塊玻璃片中間的頂部和底部排列互相成為90度的導體，每一個交叉點就是一個單元，透過訊號輸入至每一單位，因此就能控制影像的顯示。
三、液晶顯示器的分類
目前液晶顯示器可分成三大種類，分別是扭轉向列型（Twisted Nematic；簡稱TN）、超扭轉向列型（Super Twisted Nematic簡稱STN）和彩色薄膜型（Thin Film Transistors；簡稱TFT）。
（一）TN-LCD
TN是繼DSM型的液晶材料後，所發展的新液晶材料，TN-LCD的最大特點就如同其名稱「扭轉向列」一般，其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是呈90度的3D螺旋狀。TN-LCD的出現奠定了現今LCD發展的主要方式，但是由於TN-LCD具有兩個重大缺點，那就是無法呈現黑、白兩色以外色調，以及當液晶顯示器越做越大時其對比會越來越差，使得各種新的技術陸續出現。
（二）STN-LCD
STN-LCD的出現是為了改善TN-LCD對比不佳的問題，最大差別點在於液晶分子扭轉角度不同以及在玻璃基板的配合層有預傾角度，其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是180度至260度的3D螺旋狀。但是，STN-LCD雖然改善了TN-LCD的對比問題，其顏色的表現依然無法獲得較好的解決，STN-LCD的顏色除了黑、白兩個色調外，就只有橘色和黃綠色等少數顏色，對於色彩的表達仍然無法達到全彩的要求，因此仍然不是一個完善的解決方式。
（三）TFT-LCD
為了改善對於色彩的要求，又發明了TSTN（Triple Super Twisted Nematic）和FSTN（Film Super Twisted Nematic）兩種新技術。TSTN和FSTN的基本構造原理與STN相同，差別在於TSTN在兩片玻璃上加上兩片色補償用薄膜，而FSTN則是加上一片色補償用薄膜。TSTN和FSTN具有高解析度和全彩的優點，完全改善TN的比對問題和STN的色彩問題。但可惜的是，TSTN和FSTN卻有液晶分子的反應較慢的問題，在放映數量較大的資料時，會造成無法負荷的缺點，因此也不是完善的解決方式。
因此，為了解決此問題，接下來液晶顯示器的研發方向，焦點放在驅動方式的改良。從最早的靜態驅動方式、接下來的動態驅動方式、單純Matrix驅動方式到Active Matrix驅動方式，發展出許多驅動方式。而其中以Active Matrix驅動方式和目前液晶顯示器的發展關係最大，Active Matrix驅動方式的中文名稱為主動矩陣型驅動方式，這種驅動方式是在原本配置畫素的電極交叉處加上一個Active素子，產生了嶄新的點制御模式。
而主動矩陣型的驅動方式中又可分為兩種方式，一是MIM（Metal Insulator Metal）方式，利用兩邊金屬中間夾絕緣層做為簡單的Active素子；另一就是大家耳熟能詳的TFT（Thin Film Transistor）方式，TFT方式是在原本配置畫素的電極交叉處，再加上一個對向電極，並且在此三個電極的交叉處放置薄膜狀的Active素子。
從TN-LCD、STN-LCD到TFT-LCD，液晶顯示器在對比度、解析度和色彩等方面越做越好，產品也越來越普及。而在這三大類的液晶顯示器中，是以TFT-LCD的市場最大，原因是筆記型電腦的熱賣和TFT-LCD顯示器銷售量越來越好的帶動，不僅如此，TFT-LCD還有日漸取代傳統陰極射線管（Cathode Ray Tube；簡稱CRT）螢幕的趨勢，是最有可能登上顯示器霸主寶座的明日之星。
四、液晶顯示器的構造
液晶顯示器的構造，以TFT-LCD來講，關鍵零組件包括玻璃基板、彩色濾光片、偏光片、驅動IC、液晶材料、配向膜、背光模組、ITO導電薄膜，還有其他Cell製程要用到的材料及化學用品等。
而在主要構造的用途方面，接下來以主動矩陣驅動方式的液晶顯示器來說明，首先由背光源的光線照在偏光板上，光線在穿過偏光板後，會被偏極化（也就是偏極化後每一個光線的分子，在能量、相位、頻率和方向上的特性都會相同。），偏極化的光線會穿過液晶，因為液晶分子的排列方式被電極產生的電壓影響，因此液晶可以改變偏極化光線的偏光角度，不同的偏光角度造成出來的光線強度會不同，不同強度的光線再經由彩色濾光片的紅、藍、綠三個畫素，就會顯示出各種不同的亮度和不同顏色的畫素，最後再經由各個畫素就可以組成肉眼看得到的各種影像和圖形。
五、液晶顯示器的優點和缺點
和傳統的陰極射線管顯示器相比，液晶顯示器具有許多優點，首先在重量和體積方面，液晶顯示器不管是在重量、體積和厚度上，都比陰極射線管顯示器來得短小輕薄，因此在攜帶性和使用便利性上，液晶顯示器都較傳統陰極射線管顯示器優良許多。接下來是在耗電方面，由於陰極射線管顯示器是利用電子束打在塗滿磷化物 (phosphor) 的弧形玻璃上，後端使用陰極線圈放出負電壓，驅動電子槍將電子放射在弧形玻璃上發出光亮形成影像，所以比較起來液晶顯示器較為省電。
至於在螢幕本體的比較，液晶顯示器和陰極射線管顯示器的優劣參半，液晶顯示器在螢幕弧度和螢幕閃爍度方面都比陰極射線管顯示器來得好，但是在廣視角技術和尺寸大小方面，反而是陰極射線管顯示器比液晶顯示器好，因為在製作液晶顯示器時，超過30吋以上會因為玻璃基板材質的問題，造成玻璃重量使面板變形，因此目前無法做超過30吋以上的螢幕。除此之外，液晶顯示器也有其他缺點，如價格比陰極射線管顯示器高出許多，耐用度較陰極射線管顯示器差，以及使用溫度限於0至50度區間（超出此溫度區間會使液晶結構受到破壞）等。
others
TFT LCD液晶顯示器的 驅動原理謝崇凱前兩期針對液晶的特性與TFT LCD本身結構介紹了有關液晶顯示器操作的基本原理。這次將針對TFT LCD的整體系統面，也就是對其驅動原理來做介紹，而其驅動原理仍然因為一些架構上差異的關係而有所不同。首先將介紹由於Cs(storage capacitor)儲存電容架構不同，所形成不同驅動系統架構的原理。
Cs(storage capacitor)儲存電容的架構
一般最常見的儲存電容架構有兩種，分別是Cs on gate與Cs on common這兩種。顧名思義，兩者的主要差別在於儲存電容是利用gate走線或是common走線來完成。在上一期文章中曾提到，儲存電容主要是為了讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候之用，所以必須像在CMOS的製程之中，利用不同層的走線來形成平行板電容。而在TFT LCD的製程中，則是利用顯示電極與gate走線或common走線所形成的平行板電容，來製作出儲存電容Cs。
圖1就是這兩種儲存電容架構，圖中可以很明顯地知道，Cs on gate由於不必像Cs on common需要增加一條額外的common走線，所以其開口率(Aperture ratio)比較大。而開口率的大小是影響面板的亮度與設計的重要因素，所以現今面板的設計大多使用Cs on gate的方式。但是由於Cs on gate方式的儲存電容是由下一條的gate走線與顯示電極之間形成的(請見圖2中Cs on gate與Cs on common的等效電路)，而gate走線就是接到每一個TFT的gate端的走線，主要是作為gate driver送出信號來打開TFT，好讓TFT對顯示電極作充放電的動作。所以當下一條gate走線送出電壓要打開下一個TFT時，便會影響到儲存電容上儲存電壓的大小。不過由於下一條gate走線打開到關閉的時間很短(以1024 x 768解析度，60Hz更新頻率的面板來說。一條gate走線打開的時間約為20μs，而顯示畫面更新的時間約為16ms，所以相較下影響有限)，所以當下一條gate走線關閉，回復到原先的電壓，則Cs儲存電容的電壓，也會隨之恢復到正常。這也是為什麼大多數的儲存電容設計都是採用Cs on gate的方式的原因。
至於common走線，在這邊也需要順便介紹一下。從圖2中可以發現，不管採用怎樣的儲存電容架構，Clc的兩端都是分別接到顯示電極與common。既然液晶是充滿在上下兩片玻璃之間，而顯示電極與TFT都是位在同一片玻璃上，則common電極很明顯的就是位在另一片玻璃之上。如此一來，由液晶所形成的平行板電容Clc，便是由上下兩片玻璃的顯示電極與common電極所形成。而位於Cs儲存電容上的common電極則是另外利用位於與顯示電極同一片玻璃上的走線，這跟Clc上的common電極是不一樣的，只不過它們最後都是接到相同的電壓就是了。
整塊面板的電路架構
從圖3中可以看到整片面板的等效電路，其中每一個TFT與Clc跟Cs所並連的電容代表一個顯示的點。而一個基本的顯示單元pixel則需要三個這樣顯示的點，分別代表RGB三原色。以一個1024 x 768解析度的TFT LCD來說，共需要1024 x 768 x 3個這樣的點組合而成。整片面板的大致結構就是這樣，然後再藉由如圖3中gate driver所送出的波形，依序將每一行的TFT打開，好讓整排的source driver同時將一整行的顯示點充電到各自所需的電壓，以顯示不同的灰階。當這一行充好電時，gate driver便將電壓關閉，然後下一行的gate driver便將電壓打開，再由相同的一排source driver對下一行的顯示點進行充放電。如此依序下去，當充好了最後一行的顯示點，便又回過來從頭從第一行再開始充電。
以一個1024 x 768 SVGA解析度的液晶顯示器來說，總共會有768行的gate走線，而source走線則共需要1024 x 3=3072條。以一般的液晶顯示器多為60Hz的更新頻率來說，每一個畫面的顯示時間約為1/60=16.67ms。由於畫面的組成為768行的gate走線，所以分配給每一條gate走線的開關時間約為16.67ms/768=21.7μs。所以在圖3 gate driver送出的波形中，就可以看到這些波形為一個接著一個寬度為21.7μs的脈波，依序打開每一行的TFT。而source driver則在這21.7μs的時間內，經由source走線，將顯示電極充放電到所需的電壓，好顯示出相對應的灰階。
面板的各種極性變換方式
由於液晶分子還有一種特性，就是不能夠一直固定在某一個電壓不變，不然時間久了，即使將電壓取消掉，液晶分子會因為特性的破壞而無法再因應電場的變化來轉動，以形成不同的灰階。所以每隔一段時間，就必須將電壓恢復原狀，以避免液晶分子的特性遭到破壞。
但是如果畫面一直不動，也就是說畫面一直顯示同一個灰階的時候怎麼辦？所以液晶顯示器內的顯示電壓就分成了兩種極性，一個是正極性，而另一個是負極性。當顯示電極的電壓高於common電極電壓時，就稱之為正極性。而當顯示電極的電壓低於common電極的電壓時，就稱之為負極性。不管是正極性或是負極性，都會有一組相同亮度的灰階。所以當上下兩層玻璃的壓差絕對值是固定時，不管是顯示電極的電壓高，或是common電極的電壓高，所表現出來的灰階是一模一樣的。不過這兩種情況下，液晶分子的轉向卻是完全相反，也就可以避免掉上述當液晶分子轉向一直固定在一個方向時，所造成的特性破壞。也就是說，當顯示畫面一直不動時，我們仍然可以藉由正負極性不停的交替，達到顯示畫面不動，同時液晶分子不被破壞掉特性的結果。所以當您所看到的液晶顯示器畫面雖然靜止不動，其實裡面的電壓正在不停的作更換，而其中的液晶分子正不停的一次往這邊轉，另一次往反方向轉呢！
圖4就是面板各種不同極性的變換方式，雖然有這麼多種的轉換方式，它們有一個共通點，都是在下一次更換畫面資料的時候來改變極性。以60Hz的更新頻率來說，亦即每16ms更改一次畫面的極性。也就是說，對於同一點而言，它的極性是不停的變換的。而相鄰的點是否擁有相同的極性，那可就依照不同的極性轉換方式來決定了。首先是frame inversion，其整個畫面所有相鄰的點，都是擁有相同的極性；而row inversion與column inversion則各自在相鄰的行與列上擁有相同的極性；另外在dot inversion上，則是每個點與自己相鄰的上下左右四個點，是不一樣的極性；最後是delta inversion，由於它的排列比較不一樣，所以它是以RGB三個點所形成的pixel作為一個基本單位，當以pixel為單位時，它就與dot inversion很相似了，也就是每個pixel與自己上下左右相鄰的pixel，是使用不同的極性來顯示的。
Common電極的驅動方式
圖5及圖6為兩種不同的Common電極的電壓驅動方式，圖5中Common電極的電壓是一直固定不動的，而顯示電極的電壓卻是依照其灰階的不同，不停的上下變動。圖5中是256灰階的顯示電極波形變化，以V0這個灰階而言，如果您要在面板上一直顯示V0這個灰階的話，則顯示電極的電壓就必須一次很高，但是另一次卻很低的這種方式來變化。為什麼要這麼複雜呢？如同前面所提到的原因一樣，這是為了讓液晶分子不會一直保持在同一個轉向，而導致物理特性的永久破壞。因此在不同的frame中，以V0這個灰階來說，其顯示電極與common電極的壓差絕對值是固定的，所以它的灰階也一直不曾更動。只不過位在Clc兩端的電壓，一次是正的，稱之為正極性，而另一次是負的，稱之為負極性。
為了達到極性不停變換這個目的，也可以讓common電壓不停地變動，同樣也可以達到讓Clc兩端的壓差絕對值固定不變，而灰階也不會變化的效果，而這種方法，就是圖6所顯示的波形變化。這個方法只是將common電壓一次很大、一次很小的變化。當然啦，它一定要比灰階中最大的電壓還大，而電壓小的時候則要比灰階中最小的電壓還要小才行。而各灰階的電壓與圖5中的一樣，仍然要一次大一次小的變化。
這兩種不同的Common驅動方式影響最大的就是source driver的使用。以圖7中的不同Common電壓驅動方式的穿透率來說，當common電極的電壓是固定不變的時候，顯示電極的最高電壓需要到達common電極電壓的兩倍以上。而顯示電極電壓的提供，則是來自於source driver。以圖7中common電極電壓若是固定於5伏特的話，則source driver所能提供的工作電壓範圍就要到10伏特以上。但是如果common電極的電壓是變動的話，假使common電極電壓最大為5伏特，則source driver的最大工作電壓也只要為5伏特就可以了。就source driver的設計製造來說，需要越高電壓的工作範圍，製程與電路的複雜度相對會提高，成本也會因此而加高。
面板極性變換與common電極驅動方式的選用
並不是所有的面板極性轉換方式都可以搭配上述兩種common電極的驅動方式。當common電極電壓固定不變時，可以使用所有的面板極性轉換。但如果common電壓是變動的話，則面板極性轉換就只能選用frame inversion與row inversion。(請見表1)也就是說，如果想使用column inversion或是dot inversion的話，就只能選用common電極電壓固定不動的驅動方式。為什麼呢？
之前曾經提到common電極是位於跟顯示電極不同的玻璃上，在實際的製作上時，其實這一整片玻璃都是common電極。也就是說，在面板上所有顯示點的common電壓是全部接在一起的。其次由於gate driver的操作方式是將同一行的所有TFT打開，好讓source driver去充電，而這一行的所有顯示點，它的common電極都是接在一起的，所以如果選用common電極電壓是可變動的方式，是無法在一行TFT上同時做到顯示正極性與負極性的。而column inversion與dot inversion的極性變換方式，在一行的顯示點上要求每個相鄰的點擁有不同的正負極性。這也就是為什麼common電極電壓變動的方式僅能適用於frame inversion與row inversion的緣故。而common電極電壓固定的方式就沒有這些限制，因為其common電壓一直固定，只要source driver能將電壓充到比common大就可以得到正極性，比common電壓小就可以得到負極性，所以common電極電壓固定的方式，可以適用於各種面板極性的變換方式。
各種面板極性變換的比較
現在常見使用在個人電腦上的液晶顯示器，所使用的面板極性變換方式大部分都是dot inversion。為什麼呢？原因無它，因為dot inversion的顯示品質相對於其他的面板極性變換方式好太多了。表2是各種面板極性變換方式的比較表。
所謂Flicker的現象，就是當你看液晶顯示器的畫面上時，畫面會有閃爍的感覺。它並不是故意讓顯示畫面一亮一滅來做出閃爍的視覺效果，而是因為顯示的畫面灰階在每次更新畫面時，會有些微的變動，讓人眼感受到畫面在閃爍。這種情況最容易發生在使用frame inversion的極性變換方式，因為frame inversion整個畫面都是同一極性，當這次畫面是正極性時，下次整個畫面就都變成了是負極性。假若使用common電壓固定的方式來驅動，而common電壓又有了一點誤差(請見圖8)，這時候正負極性的同一灰階電壓便會有差別，當然灰階的感覺也就不一樣。在不停切換畫面的情況下，由於正負極性畫面交替出現，就會感覺到Flicker的存在。而其它面板的極性變換方式雖然也會有此flicker的現象，但由於不像frame inversion是同時整個畫面一齊變換極性，只有一行或是一列，甚至是一個點變化極性而已，以人眼的感覺來說，比較不明顯。至於crosstalk的現象，就是相鄰的點之間要顯示的資料會影響到對方，以致於顯示的畫面會有不正確的狀況。雖然crosstalk的現象成因有很多種，只要相鄰點的極性不一樣，便可以減低此一現象的發生。綜合這些特性可知，為何大多數人都使用dot inversion了。
面板極性變換方式，對於耗電也有不同的影響。不過它在耗電上需要考量其搭配的common電極驅動方式。一般來說，common電極電壓若是固定，其驅動common電極的耗電會比較小。但是由於搭配common電壓固定方式的source driver其所需的電壓比較高，反而在source driver的耗電會比較大。但如果使用相同的common電極驅動方式，source driver的耗電就要考量其輸出電壓的變動頻率與變動電壓大小。在此種情形下，source driver的耗電會有dot inversion＞row inversion＞column inversion＞frame inversion的狀況。不過現今由於dot inversion的source driver多是使用PN型的OP，而不是像row inversion是使用rail to rail OP，在source driver中OP的耗電就會比較小。也就是說由於source driver在結構及電路上的改進，雖然先天上它的輸出電壓變動頻率最高也最大(變動電壓最大接近10伏特，而row inversion面板由於多是使用common電極電壓變動的方式，其source driver的變動電壓最大只有5伏特，耗電上會比較小)，但dot inversion面板的整體耗電已經減低很多了。這也就是為什麼大多數的液晶顯示器都是使用dot inversion的方式。
另外此網址亦有詳細說明的：http://intra.yuanta.com.tw/PagesA2/hot_issue/9205TFT%20LCD.html
液晶顯示器（Liquid Cyrstal Display；簡稱LCD）是屬於光電產品中平面顯示器的一種，擁有體積小、質量輕、厚度薄、耗電低、不閃爍、沒輻射等眾多優點，是目前顯示器領域中最被矚目的明星。
一、液晶的起源
提起「液晶」不禁讓人想到，「液」是液態的意思，「晶」是固體的意思，那麼「液晶」是固體還是液體呢？答案為都是。為什麼呢？因為一般來講物質有固態、液態和氣態共三態，但是液晶卻介於固態和液態之間，同時擁有固態晶體的光學特性和液體的流動特性，所以可以說液晶是具有中間相的物質。
液晶的起源是在1888年時，由奧地利植物學家萊尼茲發現了一種特殊的混合物質，此一物質在常態下是處於固態和液態之間，不僅如此，其還兼具固態物質和液態物質的雙重特性。在那個年代並沒有對於此物質的適當稱呼，因此就稱之為Liquid Crystal（顧名思義就是液態的晶體）。而液晶的組成物質是一種有機化合物，也就是以碳為中心所構成的化合物。
後來在1963年時，美國RCA公司的威廉發現了液晶會受到電器的影響而產生偏轉的現象，也發現光線射入到液晶中會產生折射。所以就在1968年，也就是威廉發現光會因液晶產生折射後的5年，RCA的Heil震盪器開發部門發表了全球首台利用液晶特性來顯示畫面的螢幕。所以到了1968年，萊尼茲發現液晶物質後整整80年後，「液晶」和「顯示器」兩個專有名詞才連結在一起，「液晶顯示器（LCD）」成為後來大家朗朗上口的專業名詞。
當然，1968年所發表的液晶顯示器就如同大多數新發明的科技一樣，新科技的首次發表並未象徵能立即量產出貨，距離實際應用在日常生活還有一段路要走。再經過5年的光陰，到了1973年時一位英國大學教授葛雷先生發現了可以利用聯苯來製作液晶，聯苯所製作的液晶顯示器十分安定，解決了以往所使用的液晶材料較不穩定的問題，因此造就了在1976年時有關於液晶顯示器的產品正式量產出貨，此產品為日本SHARP的以液晶做為螢幕的EL-8025電子計算機。從此以後，開啟了液晶多方面的應用，也逐漸促成LCD產業的興起。
二、液晶運用在顯示器上的原理
一般來講液晶運用在顯示器上，主要靠液晶的電光效應和偏光的特性。偏光的涵義是指光波只會在一個平面上震動，主要是靠偏光濾光器（濾光器是由兩塊互相成為90度的單一濾光鏡片構成）。而LCD是以兩塊玻璃片中填滿液晶材料所構成，由於液晶擁有黏性（viscosity）、彈性（elasticity）和極化性(polarizalility)的性質，因此當電極通過就會改變偏光的特性。為了使LCD能顯示影像，在LCD的兩塊玻璃片中間的頂部和底部排列互相成為90度的導體，每一個交叉點就是一個單元，透過訊號輸入至每一單位，因此就能控制影像的顯示。
三、液晶顯示器的分類
目前液晶顯示器可分成三大種類，分別是扭轉向列型（Twisted Nematic；簡稱TN）、超扭轉向列型（Super Twisted Nematic簡稱STN）和彩色薄膜型（Thin Film Transistors；簡稱TFT）。
（一）TN-LCD
TN是繼DSM型的液晶材料後，所發展的新液晶材料，TN-LCD的最大特點就如同其名稱「扭轉向列」一般，其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是呈90度的3D螺旋狀。TN-LCD的出現奠定了現今LCD發展的主要方式，但是由於TN-LCD具有兩個重大缺點，那就是無法呈現黑、白兩色以外色調，以及當液晶顯示器越做越大時其對比會越來越差，使得各種新的技術陸續出現。
（二）STN-LCD
STN-LCD的出現是為了改善TN-LCD對比不佳的問題，最大差別點在於液晶分子扭轉角度不同以及在玻璃基板的配合層有預傾角度，其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是180度至260度的3D螺旋狀。但是，STN-LCD雖然改善了TN-LCD的對比問題，其顏色的表現依然無法獲得較好的解決，STN-LCD的顏色除了黑、白兩個色調外，就只有橘色和黃綠色等少數顏色，對於色彩的表達仍然無法達到全彩的要求，因此仍然不是一個完善的解決方式。
（三）TFT-LCD
為了改善對於色彩的要求，又發明了TSTN（Triple Super Twisted Nematic）和FSTN（Film Super Twisted Nematic）兩種新技術。TSTN和FSTN的基本構造原理與STN相同，差別在於TSTN在兩片玻璃上加上兩片色補償用薄膜，而FSTN則是加上一片色補償用薄膜。TSTN和FSTN具有高解析度和全彩的優點，完全改善TN的比對問題和STN的色彩問題。但可惜的是，TSTN和FSTN卻有液晶分子的反應較慢的問題，在放映數量較大的資料時，會造成無法負荷的缺點，因此也不是完善的解決方式。
因此，為了解決此問題，接下來液晶顯示器的研發方向，焦點放在驅動方式的改良。從最早的靜態驅動方式、接下來的動態驅動方式、單純Matrix驅動方式到Active Matrix驅動方式，發展出許多驅動方式。而其中以Active Matrix驅動方式和目前液晶顯示器的發展關係最大，Active Matrix驅動方式的中文名稱為主動矩陣型驅動方式，這種驅動方式是在原本配置畫素的電極交叉處加上一個Active素子，產生了嶄新的點制御模式。
而主動矩陣型的驅動方式中又可分為兩種方式，一是MIM（Metal Insulator Metal）方式，利用兩邊金屬中間夾絕緣層做為簡單的Active素子；另一就是大家耳熟能詳的TFT（Thin Film Transistor）方式，TFT方式是在原本配置畫素的電極交叉處，再加上一個對向電極，並且在此三個電極的交叉處放置薄膜狀的Active素子。
從TN-LCD、STN-LCD到TFT-LCD，液晶顯示器在對比度、解析度和色彩等方面越做越好，產品也越來越普及。而在這三大類的液晶顯示器中，是以TFT-LCD的市場最大，原因是筆記型電腦的熱賣和TFT-LCD顯示器銷售量越來越好的帶動，不僅如此，TFT-LCD還有日漸取代傳統陰極射線管（Cathode Ray Tube；簡稱CRT）螢幕的趨勢，是最有可能登上顯示器霸主寶座的明日之星。
四、液晶顯示器的構造
液晶顯示器的構造，以TFT-LCD來講，關鍵零組件包括玻璃基板、彩色濾光片、偏光片、驅動IC、液晶材料、配向膜、背光模組、ITO導電薄膜，還有其他Cell製程要用到的材料及化學用品等。
而在主要構造的用途方面，接下來以主動矩陣驅動方式的液晶顯示器來說明，首先由背光源的光線照在偏光板上，光線在穿過偏光板後，會被偏極化（也就是偏極化後每一個光線的分子，在能量、相位、頻率和方向上的特性都會相同。），偏極化的光線會穿過液晶，因為液晶分子的排列方式被電極產生的電壓影響，因此液晶可以改變偏極化光線的偏光角度，不同的偏光角度造成出來的光線強度會不同，不同強度的光線再經由彩色濾光片的紅、藍、綠三個畫素，就會顯示出各種不同的亮度和不同顏色的畫素，最後再經由各個畫素就可以組成肉眼看得到的各種影像和圖形。
五、液晶顯示器的優點和缺點
和傳統的陰極射線管顯示器相比，液晶顯示器具有許多優點，首先在重量和體積方面，液晶顯示器不管是在重量、體積和厚度上，都比陰極射線管顯示器來得短小輕薄，因此在攜帶性和使用便利性上，液晶顯示器都較傳統陰極射線管顯示器優良許多。接下來是在耗電方面，由於陰極射線管顯示器是利用電子束打在塗滿磷化物 (phosphor) 的弧形玻璃上，後端使用陰極線圈放出負電壓，驅動電子槍將電子放射在弧形玻璃上發出光亮形成影像，所以比較起來液晶顯示器較為省電。
至於在螢幕本體的比較，液晶顯示器和陰極射線管顯示器的優劣參半，液晶顯示器在螢幕弧度和螢幕閃爍度方面都比陰極射線管顯示器來得好，但是在廣視角技術和尺寸大小方面，反而是陰極射線管顯示器比液晶顯示器好，因為在製作液晶顯示器時，超過30吋以上會因為玻璃基板材質的問題，造成玻璃重量使面板變形，因此目前無法做超過30吋以上的螢幕。除此之外，液晶顯示器也有其他缺點，如價格比陰極射線管顯示器高出許多，耐用度較陰極射線管顯示器差，以及使用溫度限於0至50度區間（超出此溫度區間會使液晶結構受到破壞）等。
others
TFT LCD液晶顯示器的 驅動原理謝崇凱前兩期針對液晶的特性與TFT LCD本身結構介紹了有關液晶顯示器操作的基本原理。這次將針對TFT LCD的整體系統面，也就是對其驅動原理來做介紹，而其驅動原理仍然因為一些架構上差異的關係而有所不同。首先將介紹由於Cs(storage capacitor)儲存電容架構不同，所形成不同驅動系統架構的原理。
Cs(storage capacitor)儲存電容的架構
一般最常見的儲存電容架構有兩種，分別是Cs on gate與Cs on common這兩種。顧名思義，兩者的主要差別在於儲存電容是利用gate走線或是common走線來完成。在上一期文章中曾提到，儲存電容主要是為了讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候之用，所以必須像在CMOS的製程之中，利用不同層的走線來形成平行板電容。而在TFT LCD的製程中，則是利用顯示電極與gate走線或common走線所形成的平行板電容，來製作出儲存電容Cs。
圖1就是這兩種儲存電容架構，圖中可以很明顯地知道，Cs on gate由於不必像Cs on common需要增加一條額外的common走線，所以其開口率(Aperture ratio)比較大。而開口率的大小是影響面板的亮度與設計的重要因素，所以現今面板的設計大多使用Cs on gate的方式。但是由於Cs on gate方式的儲存電容是由下一條的gate走線與顯示電極之間形成的(請見圖2中Cs on gate與Cs on common的等效電路)，而gate走線就是接到每一個TFT的gate端的走線，主要是作為gate driver送出信號來打開TFT，好讓TFT對顯示電極作充放電的動作。所以當下一條gate走線送出電壓要打開下一個TFT時，便會影響到儲存電容上儲存電壓的大小。不過由於下一條gate走線打開到關閉的時間很短(以1024 x 768解析度，60Hz更新頻率的面板來說。一條gate走線打開的時間約為20μs，而顯示畫面更新的時間約為16ms，所以相較下影響有限)，所以當下一條gate走線關閉，回復到原先的電壓，則Cs儲存電容的電壓，也會隨之恢復到正常。這也是為什麼大多數的儲存電容設計都是採用Cs on gate的方式的原因。
至於common走線，在這邊也需要順便介紹一下。從圖2中可以發現，不管採用怎樣的儲存電容架構，Clc的兩端都是分別接到顯示電極與common。既然液晶是充滿在上下兩片玻璃之間，而顯示電極與TFT都是位在同一片玻璃上，則common電極很明顯的就是位在另一片玻璃之上。如此一來，由液晶所形成的平行板電容Clc，便是由上下兩片玻璃的顯示電極與common電極所形成。而位於Cs儲存電容上的common電極則是另外利用位於與顯示電極同一片玻璃上的走線，這跟Clc上的common電極是不一樣的，只不過它們最後都是接到相同的電壓就是了。
整塊面板的電路架構
從圖3中可以看到整片面板的等效電路，其中每一個TFT與Clc跟Cs所並連的電容代表一個顯示的點。而一個基本的顯示單元pixel則需要三個這樣顯示的點，分別代表RGB三原色。以一個1024 x 768解析度的TFT LCD來說，共需要1024 x 768 x 3個這樣的點組合而成。整片面板的大致結構就是這樣，然後再藉由如圖3中gate driver所送出的波形，依序將每一行的TFT打開，好讓整排的source driver同時將一整行的顯示點充電到各自所需的電壓，以顯示不同的灰階。當這一行充好電時，gate driver便將電壓關閉，然後下一行的gate driver便將電壓打開，再由相同的一排source driver對下一行的顯示點進行充放電。如此依序下去，當充好了最後一行的顯示點，便又回過來從頭從第一行再開始充電。
以一個1024 x 768 SVGA解析度的液晶顯示器來說，總共會有768行的gate走線，而source走線則共需要1024 x 3=3072條。以一般的液晶顯示器多為60Hz的更新頻率來說，每一個畫面的顯示時間約為1/60=16.67ms。由於畫面的組成為768行的gate走線，所以分配給每一條gate走線的開關時間約為16.67ms/768=21.7μs。所以在圖3 gate driver送出的波形中，就可以看到這些波形為一個接著一個寬度為21.7μs的脈波，依序打開每一行的TFT。而source driver則在這21.7μs的時間內，經由source走線，將顯示電極充放電到所需的電壓，好顯示出相對應的灰階。
面板的各種極性變換方式
由於液晶分子還有一種特性，就是不能夠一直固定在某一個電壓不變，不然時間久了，即使將電壓取消掉，液晶分子會因為特性的破壞而無法再因應電場的變化來轉動，以形成不同的灰階。所以每隔一段時間，就必須將電壓恢復原狀，以避免液晶分子的特性遭到破壞。
但是如果畫面一直不動，也就是說畫面一直顯示同一個灰階的時候怎麼辦？所以液晶顯示器內的顯示電壓就分成了兩種極性，一個是正極性，而另一個是負極性。當顯示電極的電壓高於common電極電壓時，就稱之為正極性。而當顯示電極的電壓低於common電極的電壓時，就稱之為負極性。不管是正極性或是負極性，都會有一組相同亮度的灰階。所以當上下兩層玻璃的壓差絕對值是固定時，不管是顯示電極的電壓高，或是common電極的電壓高，所表現出來的灰階是一模一樣的。不過這兩種情況下，液晶分子的轉向卻是完全相反，也就可以避免掉上述當液晶分子轉向一直固定在一個方向時，所造成的特性破壞。也就是說，當顯示畫面一直不動時，我們仍然可以藉由正負極性不停的交替，達到顯示畫面不動，同時液晶分子不被破壞掉特性的結果。所以當您所看到的液晶顯示器畫面雖然靜止不動，其實裡面的電壓正在不停的作更換，而其中的液晶分子正不停的一次往這邊轉，另一次往反方向轉呢！
圖4就是面板各種不同極性的變換方式，雖然有這麼多種的轉換方式，它們有一個共通點，都是在下一次更換畫面資料的時候來改變極性。以60Hz的更新頻率來說，亦即每16ms更改一次畫面的極性。也就是說，對於同一點而言，它的極性是不停的變換的。而相鄰的點是否擁有相同的極性，那可就依照不同的極性轉換方式來決定了。首先是frame inversion，其整個畫面所有相鄰的點，都是擁有相同的極性；而row inversion與column inversion則各自在相鄰的行與列上擁有相同的極性；另外在dot inversion上，則是每個點與自己相鄰的上下左右四個點，是不一樣的極性；最後是delta inversion，由於它的排列比較不一樣，所以它是以RGB三個點所形成的pixel作為一個基本單位，當以pixel為單位時，它就與dot inversion很相似了，也就是每個pixel與自己上下左右相鄰的pixel，是使用不同的極性來顯示的。
Common電極的驅動方式
圖5及圖6為兩種不同的Common電極的電壓驅動方式，圖5中Common電極的電壓是一直固定不動的，而顯示電極的電壓卻是依照其灰階的不同，不停的上下變動。圖5中是256灰階的顯示電極波形變化，以V0這個灰階而言，如果您要在面板上一直顯示V0這個灰階的話，則顯示電極的電壓就必須一次很高，但是另一次卻很低的這種方式來變化。為什麼要這麼複雜呢？如同前面所提到的原因一樣，這是為了讓液晶分子不會一直保持在同一個轉向，而導致物理特性的永久破壞。因此在不同的frame中，以V0這個灰階來說，其顯示電極與common電極的壓差絕對值是固定的，所以它的灰階也一直不曾更動。只不過位在Clc兩端的電壓，一次是正的，稱之為正極性，而另一次是負的，稱之為負極性。
為了達到極性不停變換這個目的，也可以讓common電壓不停地變動，同樣也可以達到讓Clc兩端的壓差絕對值固定不變，而灰階也不會變化的效果，而這種方法，就是圖6所顯示的波形變化。這個方法只是將common電壓一次很大、一次很小的變化。當然啦，它一定要比灰階中最大的電壓還大，而電壓小的時候則要比灰階中最小的電壓還要小才行。而各灰階的電壓與圖5中的一樣，仍然要一次大一次小的變化。
這兩種不同的Common驅動方式影響最大的就是source driver的使用。以圖7中的不同Common電壓驅動方式的穿透率來說，當common電極的電壓是固定不變的時候，顯示電極的最高電壓需要到達common電極電壓的兩倍以上。而顯示電極電壓的提供，則是來自於source driver。以圖7中common電極電壓若是固定於5伏特的話，則source driver所能提供的工作電壓範圍就要到10伏特以上。但是如果common電極的電壓是變動的話，假使common電極電壓最大為5伏特，則source driver的最大工作電壓也只要為5伏特就可以了。就source driver的設計製造來說，需要越高電壓的工作範圍，製程與電路的複雜度相對會提高，成本也會因此而加高。
面板極性變換與common電極驅動方式的選用
並不是所有的面板極性轉換方式都可以搭配上述兩種common電極的驅動方式。當common電極電壓固定不變時，可以使用所有的面板極性轉換。但如果common電壓是變動的話，則面板極性轉換就只能選用frame inversion與row inversion。(請見表1)也就是說，如果想使用column inversion或是dot inversion的話，就只能選用common電極電壓固定不動的驅動方式。為什麼呢？
之前曾經提到common電極是位於跟顯示電極不同的玻璃上，在實際的製作上時，其實這一整片玻璃都是common電極。也就是說，在面板上所有顯示點的common電壓是全部接在一起的。其次由於gate driver的操作方式是將同一行的所有TFT打開，好讓source driver去充電，而這一行的所有顯示點，它的common電極都是接在一起的，所以如果選用common電極電壓是可變動的方式，是無法在一行TFT上同時做到顯示正極性與負極性的。而column inversion與dot inversion的極性變換方式，在一行的顯示點上要求每個相鄰的點擁有不同的正負極性。這也就是為什麼common電極電壓變動的方式僅能適用於frame inversion與row inversion的緣故。而common電極電壓固定的方式就沒有這些限制，因為其common電壓一直固定，只要source driver能將電壓充到比common大就可以得到正極性，比common電壓小就可以得到負極性，所以common電極電壓固定的方式，可以適用於各種面板極性的變換方式。
各種面板極性變換的比較
現在常見使用在個人電腦上的液晶顯示器，所使用的面板極性變換方式大部分都是dot inversion。為什麼呢？原因無它，因為dot inversion的顯示品質相對於其他的面板極性變換方式好太多了。表2是各種面板極性變換方式的比較表。
所謂Flicker的現象，就是當你看液晶顯示器的畫面上時，畫面會有閃爍的感覺。它並不是故意讓顯示畫面一亮一滅來做出閃爍的視覺效果，而是因為顯示的畫面灰階在每次更新畫面時，會有些微的變動，讓人眼感受到畫面在閃爍。這種情況最容易發生在使用frame inversion的極性變換方式，因為frame inversion整個畫面都是同一極性，當這次畫面是正極性時，下次整個畫面就都變成了是負極性。假若使用common電壓固定的方式來驅動，而common電壓又有了一點誤差(請見圖8)，這時候正負極性的同一灰階電壓便會有差別，當然灰階的感覺也就不一樣。在不停切換畫面的情況下，由於正負極性畫面交替出現，就會感覺到Flicker的存在。而其它面板的極性變換方式雖然也會有此flicker的現象，但由於不像frame inversion是同時整個畫面一齊變換極性，只有一行或是一列，甚至是一個點變化極性而已，以人眼的感覺來說，比較不明顯。至於crosstalk的現象，就是相鄰的點之間要顯示的資料會影響到對方，以致於顯示的畫面會有不正確的狀況。雖然crosstalk的現象成因有很多種，只要相鄰點的極性不一樣，便可以減低此一現象的發生。綜合這些特性可知，為何大多數人都使用dot inversion了。
面板極性變換方式，對於耗電也有不同的影響。不過它在耗電上需要考量其搭配的common電極驅動方式。一般來說，common電極電壓若是固定，其驅動common電極的耗電會比較小。但是由於搭配common電壓固定方式的source driver其所需的電壓比較高，反而在source driver的耗電會比較大。但如果使用相同的common電極驅動方式，source driver的耗電就要考量其輸出電壓的變動頻率與變動電壓大小。在此種情形下，source driver的耗電會有dot inversion＞row inversion＞column inversion＞frame inversion的狀況。不過現今由於dot inversion的source driver多是使用PN型的OP，而不是像row inversion是使用rail to rail OP，在source driver中OP的耗電就會比較小。也就是說由於source driver在結構及電路上的改進，雖然先天上它的輸出電壓變動頻率最高也最大(變動電壓最大接近10伏特，而row inversion面板由於多是使用common電極電壓變動的方式，其source driver的變動電壓最大只有5伏特，耗電上會比較小)，但dot inversion面板的整體耗電已經減低很多了。這也就是為什麼大多數的液晶顯示器都是使用dot inversion的方式。
另外此網址亦有詳細說明的：http://intra.yuanta.com.tw/PagesA2/hot_issue/9205TFT%20LCD.html
新型式的降壓轉換設計並且實現PWM升壓轉換器
新型式的降壓轉換設計並且實現PWM升壓轉換器作者：Christian Schimpfle / Jörg Kirchner, Texas Instruments
本文刊登於半導體科技 2004年11月號
摘要本文針對升壓轉換器介紹一種新型式的輸出穩壓技術，它不但節省電路板面積，就算輸入電壓高於輸出電壓，它也能提供良好的穩壓效果。這種新技術不用低壓降之線性穩壓器就能完成降壓轉換，它也不像是SEPIC或其它非反相升-降壓 (buck-boost) 轉換器需要額外的電感或電容。這種概念是以PMOS同步整流器的後-閘極 (back-gate) 控制為基礎，它能避免電路在降壓模式工作時，基底二極體 (substrate diode) 出現順向偏壓。這顆轉換器採用10隻接腳的MSOP封裝，它只需要一顆外接電感和電容，就能提供1.8 V至5.5 V的穩壓輸出，輸出電流最高200 mA。連續升壓模式的轉換效率超過85%，最高甚至達到95%，降壓模式的效率則通常在55%和75%之間。新型式的轉換器還提供可選用的省電模式，來達成在輕載情況下更高的轉換效率。I. 介紹為了延長電池壽命同時減少高度整合之系統的散熱問題，今日的電池供電型式之可攜式電子產品需要高效率的電源供應解決方案；除此之外，這類電源還必須在一顆或多顆電池所供應的寬廣輸入電壓範圍內，提供穩定不變的輸出電壓。舉例來說，對於使用兩顆鹼性電池、鎳鎘電池或鎳氫電池的系統，可以假設其所需的供應電壓為2.8 V。新的鹼性電池通常能提供1.6 V至1.65 V的電壓，在將兩顆電池串聯的雙電池應用中，這表示總電壓可達3.3 V。圖1是升壓轉換電路在未接負載和大約33 Ω電阻性負載條件下，串聯至輸入端的兩顆鹼性電池的放電情形，從圖中可看出至少在90%的電池供電時間內，電池電壓會低於2.8 V。升壓轉換器是此區域內的最佳選擇，但由於新電池的供應電壓最高達到3.3 V，因此若採用標準升壓轉換器，將無法在此條件下產生正確的輸出電壓。圖1：兩顆鹼性電池串聯至升壓轉換器輸入端所得到的放電曲線想要產生應用所需的2.8 V輸出電壓，可能方法之一是使用SEPIC或是Cuk之類的升-降壓 (buck-boost) 轉換器，它們會先提供降壓轉換，等到每顆電池的電壓都低於1.5 V額定電壓，就改用升壓轉換，直到電池輸出電壓小於轉換器所能接受的最低輸入電壓，這種電路的主要缺點是它們至少需要兩個電感和一個額外電容。升-降壓 (buck-boost) 轉換器的輸出功率為：其中IL, peak是電感的峰值電流，Vpeak = Vout + Vin，D是負載週期，當D = 0.5和Vout = Vin時，即可得到最大輸出功率Pout = Pout, max。對於升壓轉換器，輸出功率等於：當D = 1時，Pout = Pout, max，Vout = Vin。從公式 (1) 和 (2) 可得知升壓轉換器的Pout, max = IL, peakVpeak，升-降壓轉換器則為Pout, max = 0.25IL, peakVpeak。這表示對於同樣的限制因素IL, peak以及Vpeak，升-降壓壓轉換器所能提供的最大輸出功率只有升壓轉換器的四分之一。 另一種方法是使用低壓降之線性穩壓器 (LDO)，並在其前端增加升壓轉換電路，由它提供適當的輸入電壓給LDO，該輸入電壓在整個電池供電時間內至少應等於LDO的輸出電壓 (此處為2.8 V) 再加上LDO正常操作所需的最小電壓降 (dropout voltage)。等到電池的電壓減少至2.8 V以下，就改用簡單的升壓轉換器，此時它變成是較有效率的解決方案。 本文介紹一種新型式的的升壓轉換器，它就算輸入電壓高於輸出電壓，也能透過同步整流器和負載週期的控制來提供額定的穩壓輸出，不必另外增加電感或電容，也不需要使用低壓降之線性穩壓器。 本文內容如下：第二段是電路架構和不同工作模式的說明，第三段介紹控制方式，第四段提供晶片實作的量測結果，第五段則是最後的總結評論。 II. 電路架構 這種升壓轉換器的電路架構如圖2所示，虛線方塊是整合至晶片的部份，它是這種升壓轉換器的標準架構，其中有同步整流器、後-閘極 (back-gate)控制以及MOS開關的電壓模式控制單元。 我們在同步整流器中使用了低耗損的PMOS功率晶體，它的後-閘極能在Vout和SW電路接點之間切換。在電源剛啟動的Vin ≧ Vout階段，後閘極會連接至SW接點，PMOS則像電流源，用來將Cout充電至Vin左右。假設Vout, nom為額定輸出電壓，若Vin < il =" L"> Vd時進入順向偏壓狀態，其中Vd是二極體的順向電壓，其值約為0.7 V。後-閘極控制電路現在將PMOS後-閘極和Vout的連接切斷，確保後-閘極二極體不會進入順向偏壓狀態。當NMOS開關在降壓模式下導通時，PMOS的後-閘極會經由另一顆小型PMOS元件 (M3) 連接至Vout。圖6是後-閘極控制電路中，開關元件的可能實作方式之一，它是由兩顆做為開關的功率晶體組成，功率晶體M1會在Vout < Vin的最初階段中將BG連接至SW，此時功率晶體就像是對輸出電容充電的電流源。進入升壓模式後，功率晶體M2會將BG連接至Vout，其中訊號DM = “0” 顯示降壓模式已被關閉。把M2的後-閘極連接至BG接點，即可確保在降壓模式下，M2的後-閘極二極體不會進入順向偏壓狀態，也不會有電流通過後-閘極。因此相較於大型的NMOS和PMOS開關，M1、M2和M3可以使用較小的功率晶體。 圖6：後-閘極控制開關 在連續升壓模式下，SW上的電壓會在0 V和Vout之間改變。在降壓模式下，PMOS電晶體不會在NMOS截止時進入導通狀態，因此SW電壓會在0 V和Vin + VT,p之間切換。降壓模式啟動後，轉換器就能在連續模式和省電模式下工作，省電模式的條件和 (7) 所描述的相同。圖7是電路從升壓模式轉換至降壓模式時，示波器上所看到的SW電壓波形，轉換器在這種兩模式下都會連續進行切換。升壓和降壓模式之間的中斷部份是由控制電路所產生，因為NMOS在Vin ? Vout的導通時間非常小，使得部份的脈衝訊號 (NMOS切換作業) 被跳過。 圖7：從升壓模式轉換至降壓模式時的SW訊號 III. 電壓模式控制機制 本文介紹的轉換器是利用定頻電壓模式控制來提供穩壓輸出，其中升壓模式的負載週期控制演算法是由公式 (3) 決定，這個能夠自動控制NMOS的截止時間toff，進而控制負載週期的演算法是由兩個部份組成：電流產生器和計時器單元。在升壓模式下，電流產生器電路會產生一個等比於Vout的電流，同時提供參考電壓給RC振盪器，由它產生時間週期為T = RC的時脈脈衝。計時器內另一個電容值為C的電容每隔時間T就會充電至Vin，然後由電流產生器的電流將其放電。為了得到更高的精確度，此設計會利用一個誤差放大器來調整放電電流，電容的電壓會與某個固定電壓值比較 (對於理想的MOS開關元件，這是指地電位)，等到電容放電至此電壓值，比較器就會產生一個脈衝，代表NMOS截止時間已經結束，這個NMOS開關也會進入導通狀態，等到振盪器產生下一個脈衝時再進入截止狀態。 接著，我們將詳細說明降壓模式的控制演算法。在降壓模式下，我們也能根據圖5利用伏特-秒相等的原理來算出所需的負載週期。忽略NMOS和PMOS開關的電阻性損耗，那麼在NMOS的導通和截止期間內，電感兩端的電壓為： 應用伏特-秒相等的原理即可得到： 對於固定頻率f = 1/T，可將NMOS的截止時間設為： 就能從公式 (10) 得到所要求的負載週期。 圖8是降壓模式下，截止時間控制器的工作原理。電流產生器方塊會提供等比於Vin + VT,p的電流，計時器的電容C則會在T = RC 的時間內充電至Vin，然後利用電流產生器所產生的電流I = (Vin + VT,p) / R進行放電，一個簡單的比較器接著會在toff時間內產生多個脈衝。很明顯的，振盪器的R和C必須相等於電流產生器內的R以及計時器的C。為了得到所要求的精確度，誤差放大器會根據正比於│Vout - Vnom│的誤差訊號來提供電流Ierr，其中Vnom是所要求的額定輸出電壓。必須注意的是，只有電流產生器在升壓和降壓模式下的工作方式不同，控制器的所有其它部份在這兩種模式下的功能都完全相同。 圖8：降壓模式的控制機制 IV. 實驗結果 我們利用一顆晶片來實作本文所介紹的轉換器，它能支援1至3顆鹼性電池、鎳鎘或鎳氫電池應用，例如網路音樂播放機或PDA。這個轉換器的輸入電壓從0.9 V至5.5 V，輸出電壓則能在1.8 V至5.5 V之間調整。 理論上，Vin可以超過Vout任何值，但實際上卻須將PMOS開關在降壓作業模式的較大功耗列入考慮。在降壓模式下，PMOS電晶體兩端的電壓降等於Vin + VT,p – Vout，其功耗則能由下式計算： 隨著晶片環境的熱阻抗不同，我們可以針對特定的Vout和Iout來計算所能接受的Vin最大值，這在實際應用中必須列入考慮。在本文所介紹的量測過程中，我們限制Vin最多不能比Vout高出1.5 V。 效率是轉換器最重要的參數之一。本文在進行量測時會將輸出電壓固定，然後改變輸入電壓和負載電流，藉以判斷此轉換器在眾多可能操作點和所有不同模式下的轉換效率。所有量測值都是在25℃下的量測結果。 圖9a是將省電模式關掉後，轉換器工作效率的3D圖，其中輸出電壓是3.3 V，從圖中可明顯看出升壓和降壓模式的分界。在升壓模式下，只要負載電流大於20 mA左右，轉換效率就會超過90%。 圖9：將省電模式關掉後，Vout = 3.3 V時的轉換效率圖 負載較小時，轉換效率會持續下降，這是因為電感電流在某些時間會變成負值，並且從輸出端回流至輸入端。注意此轉換器並沒有不連續模式，所謂不連續模式是指IL會停在零的位置，而不是變成負值。降壓模式的轉換效率顯然與升壓模式有一段差距，這是由PMOS通道的電阻性損耗所造成。在降壓模式下，轉換器總是能進入省電模式，因此若在負載很小時將省電模式關掉，就會使得升壓模式具有效高的轉換效率。 如果啟動省電模式，轉換效率的分佈就會變得非常均勻。圖10是3.3 V輸出電壓時的轉換效率3D圖，當負載較小時，轉換器會暫時進入閒置狀態，其中絕大多數的內部電路方塊都不再連接至電源供應，NMOS和PMOS電晶體也會停止導通。圖10是在各種負載下的效率曲線，其中最大的負載電流為250 mA，從圖中可發現在Vin = Vout時，轉換效率會出現很大的變化，然而降壓模式的效率卻仍在55%和72%的範圍內。 圖10：啟動省電模式後，Vout = 5.5 V時的轉轉效率 圖11是轉換器在不同輸入電壓下的負載穩壓效果。在圖中所示的條件下，3.3 V額定輸出電壓的誤差範圍會在-0.6%和1.1%之間。控制迴路的設計是讓Vout精確度達到±1.6%，若將零件的不匹配原因列入考慮，那麼整體精確度仍可確保在±3%以內。 圖11：負載穩壓 V. 結論本文發表一種新架構的低功率直流轉換器設計方式，它包含可供選用的降壓轉換功能，不必增加任何電感或電容，也不需要低壓降之線性穩壓器。這種設計最適合所需供應電壓略低於電池滿電荷時的應用，只要電池放電至所要求的額定供應電壓以下，此轉換器就變成標準的升壓轉換器。在新型式的降壓轉換模式中後-閘極 (back-gate)，功率晶體PMOS開關的動作就像是同步整流器，轉換器則需為此功率晶體PMOS的後-閘極(back-gate)提供特殊控制方式；一旦Vin超過Vout，這顆功率晶體PMOS的閘極就會被連接至地電位，使它不再進入導通狀態，這能確保功率晶體NMOS開關處於截止狀態時，電感兩端的電壓會變成負值，而同時符合伏特-秒平衡的原理。在此模式下，PMOS通道的電阻性損耗會高於標準升壓模式，所以效率就變得較差；此外，Vin所能超過Vout的最大範圍不僅受到製程技術的電壓能力限制，也會受到PMOS元件週圍環境的熱阻抗影響。 我們利用一顆晶片來實作本文介紹的設計，它採用MSOP-10封裝技術包括底部有散熱裸銅，使其就算在最惡劣條件下，Vin也會比Vout高出1.5 V。量測結果顯示升壓模式的轉換效率通常都高過90%，最高甚至達到95%，降壓轉換模式的效率則在55%和75%之間。由於提供降壓轉換能力，本文介紹的轉換器能為種類廣泛的電池供電型應用帶來一套節省電路板面積、成本和功耗的解決方案。
本文刊登於半導體科技 2004年11月號
摘要本文針對升壓轉換器介紹一種新型式的輸出穩壓技術，它不但節省電路板面積，就算輸入電壓高於輸出電壓，它也能提供良好的穩壓效果。這種新技術不用低壓降之線性穩壓器就能完成降壓轉換，它也不像是SEPIC或其它非反相升-降壓 (buck-boost) 轉換器需要額外的電感或電容。這種概念是以PMOS同步整流器的後-閘極 (back-gate) 控制為基礎，它能避免電路在降壓模式工作時，基底二極體 (substrate diode) 出現順向偏壓。這顆轉換器採用10隻接腳的MSOP封裝，它只需要一顆外接電感和電容，就能提供1.8 V至5.5 V的穩壓輸出，輸出電流最高200 mA。連續升壓模式的轉換效率超過85%，最高甚至達到95%，降壓模式的效率則通常在55%和75%之間。新型式的轉換器還提供可選用的省電模式，來達成在輕載情況下更高的轉換效率。I. 介紹為了延長電池壽命同時減少高度整合之系統的散熱問題，今日的電池供電型式之可攜式電子產品需要高效率的電源供應解決方案；除此之外，這類電源還必須在一顆或多顆電池所供應的寬廣輸入電壓範圍內，提供穩定不變的輸出電壓。舉例來說，對於使用兩顆鹼性電池、鎳鎘電池或鎳氫電池的系統，可以假設其所需的供應電壓為2.8 V。新的鹼性電池通常能提供1.6 V至1.65 V的電壓，在將兩顆電池串聯的雙電池應用中，這表示總電壓可達3.3 V。圖1是升壓轉換電路在未接負載和大約33 Ω電阻性負載條件下，串聯至輸入端的兩顆鹼性電池的放電情形，從圖中可看出至少在90%的電池供電時間內，電池電壓會低於2.8 V。升壓轉換器是此區域內的最佳選擇，但由於新電池的供應電壓最高達到3.3 V，因此若採用標準升壓轉換器，將無法在此條件下產生正確的輸出電壓。圖1：兩顆鹼性電池串聯至升壓轉換器輸入端所得到的放電曲線想要產生應用所需的2.8 V輸出電壓，可能方法之一是使用SEPIC或是Cuk之類的升-降壓 (buck-boost) 轉換器，它們會先提供降壓轉換，等到每顆電池的電壓都低於1.5 V額定電壓，就改用升壓轉換，直到電池輸出電壓小於轉換器所能接受的最低輸入電壓，這種電路的主要缺點是它們至少需要兩個電感和一個額外電容。升-降壓 (buck-boost) 轉換器的輸出功率為：其中IL, peak是電感的峰值電流，Vpeak = Vout + Vin，D是負載週期，當D = 0.5和Vout = Vin時，即可得到最大輸出功率Pout = Pout, max。對於升壓轉換器，輸出功率等於：當D = 1時，Pout = Pout, max，Vout = Vin。從公式 (1) 和 (2) 可得知升壓轉換器的Pout, max = IL, peakVpeak，升-降壓轉換器則為Pout, max = 0.25IL, peakVpeak。這表示對於同樣的限制因素IL, peak以及Vpeak，升-降壓壓轉換器所能提供的最大輸出功率只有升壓轉換器的四分之一。 另一種方法是使用低壓降之線性穩壓器 (LDO)，並在其前端增加升壓轉換電路，由它提供適當的輸入電壓給LDO，該輸入電壓在整個電池供電時間內至少應等於LDO的輸出電壓 (此處為2.8 V) 再加上LDO正常操作所需的最小電壓降 (dropout voltage)。等到電池的電壓減少至2.8 V以下，就改用簡單的升壓轉換器，此時它變成是較有效率的解決方案。 本文介紹一種新型式的的升壓轉換器，它就算輸入電壓高於輸出電壓，也能透過同步整流器和負載週期的控制來提供額定的穩壓輸出，不必另外增加電感或電容，也不需要使用低壓降之線性穩壓器。 本文內容如下：第二段是電路架構和不同工作模式的說明，第三段介紹控制方式，第四段提供晶片實作的量測結果，第五段則是最後的總結評論。 II. 電路架構 這種升壓轉換器的電路架構如圖2所示，虛線方塊是整合至晶片的部份，它是這種升壓轉換器的標準架構，其中有同步整流器、後-閘極 (back-gate)控制以及MOS開關的電壓模式控制單元。 我們在同步整流器中使用了低耗損的PMOS功率晶體，它的後-閘極能在Vout和SW電路接點之間切換。在電源剛啟動的Vin ≧ Vout階段，後閘極會連接至SW接點，PMOS則像電流源，用來將Cout充電至Vin左右。假設Vout, nom為額定輸出電壓，若Vin < il =" L"> Vd時進入順向偏壓狀態，其中Vd是二極體的順向電壓，其值約為0.7 V。後-閘極控制電路現在將PMOS後-閘極和Vout的連接切斷，確保後-閘極二極體不會進入順向偏壓狀態。當NMOS開關在降壓模式下導通時，PMOS的後-閘極會經由另一顆小型PMOS元件 (M3) 連接至Vout。圖6是後-閘極控制電路中，開關元件的可能實作方式之一，它是由兩顆做為開關的功率晶體組成，功率晶體M1會在Vout < Vin的最初階段中將BG連接至SW，此時功率晶體就像是對輸出電容充電的電流源。進入升壓模式後，功率晶體M2會將BG連接至Vout，其中訊號DM = “0” 顯示降壓模式已被關閉。把M2的後-閘極連接至BG接點，即可確保在降壓模式下，M2的後-閘極二極體不會進入順向偏壓狀態，也不會有電流通過後-閘極。因此相較於大型的NMOS和PMOS開關，M1、M2和M3可以使用較小的功率晶體。 圖6：後-閘極控制開關 在連續升壓模式下，SW上的電壓會在0 V和Vout之間改變。在降壓模式下，PMOS電晶體不會在NMOS截止時進入導通狀態，因此SW電壓會在0 V和Vin + VT,p之間切換。降壓模式啟動後，轉換器就能在連續模式和省電模式下工作，省電模式的條件和 (7) 所描述的相同。圖7是電路從升壓模式轉換至降壓模式時，示波器上所看到的SW電壓波形，轉換器在這種兩模式下都會連續進行切換。升壓和降壓模式之間的中斷部份是由控制電路所產生，因為NMOS在Vin ? Vout的導通時間非常小，使得部份的脈衝訊號 (NMOS切換作業) 被跳過。 圖7：從升壓模式轉換至降壓模式時的SW訊號 III. 電壓模式控制機制 本文介紹的轉換器是利用定頻電壓模式控制來提供穩壓輸出，其中升壓模式的負載週期控制演算法是由公式 (3) 決定，這個能夠自動控制NMOS的截止時間toff，進而控制負載週期的演算法是由兩個部份組成：電流產生器和計時器單元。在升壓模式下，電流產生器電路會產生一個等比於Vout的電流，同時提供參考電壓給RC振盪器，由它產生時間週期為T = RC的時脈脈衝。計時器內另一個電容值為C的電容每隔時間T就會充電至Vin，然後由電流產生器的電流將其放電。為了得到更高的精確度，此設計會利用一個誤差放大器來調整放電電流，電容的電壓會與某個固定電壓值比較 (對於理想的MOS開關元件，這是指地電位)，等到電容放電至此電壓值，比較器就會產生一個脈衝，代表NMOS截止時間已經結束，這個NMOS開關也會進入導通狀態，等到振盪器產生下一個脈衝時再進入截止狀態。 接著，我們將詳細說明降壓模式的控制演算法。在降壓模式下，我們也能根據圖5利用伏特-秒相等的原理來算出所需的負載週期。忽略NMOS和PMOS開關的電阻性損耗，那麼在NMOS的導通和截止期間內，電感兩端的電壓為： 應用伏特-秒相等的原理即可得到： 對於固定頻率f = 1/T，可將NMOS的截止時間設為： 就能從公式 (10) 得到所要求的負載週期。 圖8是降壓模式下，截止時間控制器的工作原理。電流產生器方塊會提供等比於Vin + VT,p的電流，計時器的電容C則會在T = RC 的時間內充電至Vin，然後利用電流產生器所產生的電流I = (Vin + VT,p) / R進行放電，一個簡單的比較器接著會在toff時間內產生多個脈衝。很明顯的，振盪器的R和C必須相等於電流產生器內的R以及計時器的C。為了得到所要求的精確度，誤差放大器會根據正比於│Vout - Vnom│的誤差訊號來提供電流Ierr，其中Vnom是所要求的額定輸出電壓。必須注意的是，只有電流產生器在升壓和降壓模式下的工作方式不同，控制器的所有其它部份在這兩種模式下的功能都完全相同。 圖8：降壓模式的控制機制 IV. 實驗結果 我們利用一顆晶片來實作本文所介紹的轉換器，它能支援1至3顆鹼性電池、鎳鎘或鎳氫電池應用，例如網路音樂播放機或PDA。這個轉換器的輸入電壓從0.9 V至5.5 V，輸出電壓則能在1.8 V至5.5 V之間調整。 理論上，Vin可以超過Vout任何值，但實際上卻須將PMOS開關在降壓作業模式的較大功耗列入考慮。在降壓模式下，PMOS電晶體兩端的電壓降等於Vin + VT,p – Vout，其功耗則能由下式計算： 隨著晶片環境的熱阻抗不同，我們可以針對特定的Vout和Iout來計算所能接受的Vin最大值，這在實際應用中必須列入考慮。在本文所介紹的量測過程中，我們限制Vin最多不能比Vout高出1.5 V。 效率是轉換器最重要的參數之一。本文在進行量測時會將輸出電壓固定，然後改變輸入電壓和負載電流，藉以判斷此轉換器在眾多可能操作點和所有不同模式下的轉換效率。所有量測值都是在25℃下的量測結果。 圖9a是將省電模式關掉後，轉換器工作效率的3D圖，其中輸出電壓是3.3 V，從圖中可明顯看出升壓和降壓模式的分界。在升壓模式下，只要負載電流大於20 mA左右，轉換效率就會超過90%。 圖9：將省電模式關掉後，Vout = 3.3 V時的轉換效率圖 負載較小時，轉換效率會持續下降，這是因為電感電流在某些時間會變成負值，並且從輸出端回流至輸入端。注意此轉換器並沒有不連續模式，所謂不連續模式是指IL會停在零的位置，而不是變成負值。降壓模式的轉換效率顯然與升壓模式有一段差距，這是由PMOS通道的電阻性損耗所造成。在降壓模式下，轉換器總是能進入省電模式，因此若在負載很小時將省電模式關掉，就會使得升壓模式具有效高的轉換效率。 如果啟動省電模式，轉換效率的分佈就會變得非常均勻。圖10是3.3 V輸出電壓時的轉換效率3D圖，當負載較小時，轉換器會暫時進入閒置狀態，其中絕大多數的內部電路方塊都不再連接至電源供應，NMOS和PMOS電晶體也會停止導通。圖10是在各種負載下的效率曲線，其中最大的負載電流為250 mA，從圖中可發現在Vin = Vout時，轉換效率會出現很大的變化，然而降壓模式的效率卻仍在55%和72%的範圍內。 圖10：啟動省電模式後，Vout = 5.5 V時的轉轉效率 圖11是轉換器在不同輸入電壓下的負載穩壓效果。在圖中所示的條件下，3.3 V額定輸出電壓的誤差範圍會在-0.6%和1.1%之間。控制迴路的設計是讓Vout精確度達到±1.6%，若將零件的不匹配原因列入考慮，那麼整體精確度仍可確保在±3%以內。 圖11：負載穩壓 V. 結論本文發表一種新架構的低功率直流轉換器設計方式，它包含可供選用的降壓轉換功能，不必增加任何電感或電容，也不需要低壓降之線性穩壓器。這種設計最適合所需供應電壓略低於電池滿電荷時的應用，只要電池放電至所要求的額定供應電壓以下，此轉換器就變成標準的升壓轉換器。在新型式的降壓轉換模式中後-閘極 (back-gate)，功率晶體PMOS開關的動作就像是同步整流器，轉換器則需為此功率晶體PMOS的後-閘極(back-gate)提供特殊控制方式；一旦Vin超過Vout，這顆功率晶體PMOS的閘極就會被連接至地電位，使它不再進入導通狀態，這能確保功率晶體NMOS開關處於截止狀態時，電感兩端的電壓會變成負值，而同時符合伏特-秒平衡的原理。在此模式下，PMOS通道的電阻性損耗會高於標準升壓模式，所以效率就變得較差；此外，Vin所能超過Vout的最大範圍不僅受到製程技術的電壓能力限制，也會受到PMOS元件週圍環境的熱阻抗影響。 我們利用一顆晶片來實作本文介紹的設計，它採用MSOP-10封裝技術包括底部有散熱裸銅，使其就算在最惡劣條件下，Vin也會比Vout高出1.5 V。量測結果顯示升壓模式的轉換效率通常都高過90%，最高甚至達到95%，降壓轉換模式的效率則在55%和75%之間。由於提供降壓轉換能力，本文介紹的轉換器能為種類廣泛的電池供電型應用帶來一套節省電路板面積、成本和功耗的解決方案。
運用更有效率方式為電阻式觸控螢幕供電
越來越多的工程師在其可攜式設備內採用觸控式螢幕設計。雖然電池技術正變得越來越高效，但盡可能降低系統功耗仍然很重要，因為觸控式螢幕週邊電路的複雜性正大幅增加。另外，最終用戶也希望電池每次充電的間隔時間能夠更長。
如果更低的功耗是主要追求目標，那麼就必須特別關注類比功率降低策略、巧妙地設計類比數位轉換器(ADC)、處理器數位介面，以及最佳化觸控式螢幕控制演算法，將協助你更快獲得成功。
本文將介紹電阻觸控式螢幕面板的構造，並討論典型的四線電阻螢幕的內部工作原理，提供包括面板、觸控式螢幕控制器和微處理器在內的觸控式螢幕系統結構圖。而後將介紹硬體的低功率策略。在第一級的功耗評估後，我們將深入研究更多硬體與相關軟體策略。最後，我們將從低功率角度評估數位介面。
觸控式螢幕運作原理
消費產品設計師可以從眾多的觸控式螢幕技術中選擇他們想要的面板。目前多數面板技術均使用電阻、電容、表面聲波(SAW)或紅外線(IR)技術。市場上最流行的觸控式螢幕是電阻觸控式螢幕，因為它具有品質穩定、價格適中的特點。
電阻觸控式螢幕分四線、五線、七線或八線幾種形式。最常見的電阻觸控式螢幕採用四線架構。四線電阻觸控式螢幕面板的層次結構從上到下依次是可撓性矩形頂層；透明的導體覆蓋層(導體覆蓋材料通常由氧化銦錫，即ITO組成)；空氣間隙和隔離層；另一個透明的ITO層；最後是一個穩定層。在圖2a中，黃色代表的是四線觸控式螢幕面板中上方的ITO層，綠色代表的是第二個ITO層，藍色代表底部的穩定層。
面板的可撓性頂層(圖2a並未顯示)是一個覆蓋層，對ITO層提供了一定程度的保護。該層的可撓性非常大，當按壓時能讓兩個導電層接觸。除非施加壓力，否則幾乎看不見的隔離層將使兩個ITO導電層保持分離狀態。
當你用觸控筆或手指接觸柔軟的頂層時，你就能確定觸控式螢幕面板的X-Y座標。觸控筆的壓力使兩個ITO層連接起來。當面板被觸碰，設備就會對兩個ITO層中的一層施加電壓，電壓來自位於該層兩個對端的液態銀導電條。當為其中一個ITO層供電時，如上部黃色區域，另一個ITO層(綠色區域)就可以用來檢測觸控筆的位置。然後使用高阻抗ADC，就能將透過觸控筆碰觸未加電層所獲得的電壓轉換成數位值。
例如，如果你用2.5V電壓從X+到X-(黃色區域)為X層供電，且觸控筆的觸點位置大約在兩個X軸導電條之間的中間位置，那麼Y+和Y-端點(綠色區域)電壓將等於1.25V。這個電壓正比於在X+和X-之間施加的電壓，這是面板電阻電壓分壓的結果(圖2b)。該技術可以檢測到觸控筆的X位置。同樣，當為Y層的相對導體條供電時，就可以檢測到Y位置。你可以使用X+和X-端點檢測觸控筆的Y位置，還能檢測觸控筆或手指的壓力。壓力測量得到的座標為Z1和Z2。
圖1：許多電池供電的消費設備均採用電阻觸控式螢幕。
圖2：四線觸控式螢幕面板使用電阻觸控式螢幕的兩個主動區域檢測X和Y壓力點(a)。等效電路是簡單的電壓分壓器(b)。
電阻觸控式螢幕系統
電阻觸控式螢幕系統由觸控面板、觸控式螢幕控制器和主處理器組成(圖3)。觸控式螢幕或觸控面板是系統的‘電阻感測器’。
圖3：由觸控式螢幕面板、觸控式螢幕控制器和微處理器組成的電阻觸控式螢幕系統。
觸控式螢幕控制器包含一個面板驅動器、一個多工器和一個ADC。觸控式螢幕控制器的驅動器分別為觸控板的兩個座標獨立供電，以控制開啟或關斷。流經觸控板的電流值幾乎等於供電電壓除以觸控板電阻的值。觸控式螢幕內部的ADC用於測量接觸位置和壓力，並將從觸控式螢幕測得的類比電壓轉換成數位程式碼。典型的ADC採用連續近似暫存器(SAR)，解析度有8位元、10位元或12位元等。
觸控式螢幕系統具有兩個介面(圖3)，一個是面板和觸控式螢幕控制器之間的類比介面，一個是觸控式螢幕控制器和主處理器之間的數位介面。
觸控式螢幕控制器在觸控板和觸控式螢幕控制器之間使用四線類比介面為面板供電，並測量座標。在某個X或Y座標測量過程中，觸控式螢幕控制器透過類比介面的兩根線(X+和X-)向面板的其中一個ITO層供電，並利用第二個ITO層和另外兩根線(Y+和Y-)檢測觸控筆的座標位置。
處理器和觸控式螢幕控制器之間的數位通訊包括一個中斷訊號和一條串列數位匯流排(SPI或I2C)。如果沒有觸控事件，處理器可以忽略觸控式螢幕控制器而專注於執行其他任務。一旦面板有觸壓，源自觸控式螢幕控制器的中斷(圖3)就會通知處理器，處理器緊接著透過串列匯流排讀取觸控式螢幕控制器發送的觸控式螢幕資料。
觸控式螢幕的類比介面
影響觸控板和類比介面功耗的主要因素包括系統供電電壓(VDD)、面板電阻以及面板開關的時間比例。觸控式螢幕控制器的驅動器和ADC拓撲結構決定了系統類比介面電源的極限。面板開關的時間比例主要取決於觸控訊號的設立時間和系統雜訊。
觸控式螢幕和CMOS 12位元SAR ADC的供電電壓範圍是1.2V到5.5V。觸控式螢幕控制器驅動器的供電電壓基本上也在這個範圍內。在不同的電阻觸控式螢幕面板中，每個ITO層的電阻可能是不一樣的，範圍從100Ω到幾kΩ(圖2b)，圖2還提供了四線電阻觸控式螢幕面板的等效電路。當面板受到按壓時，面板所需功耗從302.5mW(電源=5.5V，面板電阻=100Ω)到720μW(電源=1.2V，面板電阻=2kΩ)不等。如同這些計算所顯示，功率降低策略包括了降低面板和觸控式螢幕控制器的供電電壓、選擇更高電阻的面板或雙管齊下。
由於在面板啟動(ON)期間功耗較大，因此，我們的主要目標是盡可能使觸控板處於關閉(OFF)狀態。結果，為電阻式面板ITO層供電的驅動電路會開始工作。設立時間錯誤通常是由於面板通電的上升時間或環境雜訊引起的，如觸控式螢幕的機械振動、顯示器照明干擾、系統瞬變、靜電放電(ESD)和/或電磁脈衝(EMP)。
如果這類雜訊環境存在，就必須在觸控面板和觸控式螢幕控制器之間的訊號路徑中增加雜訊抑制元件。圖3中的電容網路就是一種雜訊抑制電路。需注意的是，在輸入線上增加任何電容都會增加觸控式螢幕控制器的輸入設立時間(圖4)。面板設立時間的增加會降低觸控式螢幕控制器的採樣率，並延長面板驅動器的通電工作(power-ON)時間。
圖4：該圖顯示了具有不同線路電容之觸控板的Y線電壓上升時間(根據圖3的CEX)。4號線沒有插入CEX。3號線的CEX等於0.1μF。2號線的CEX等於1μF。
圖4說明了觸控板電阻與輸入電路濾波電容(圖3的CEX)之間隨時間變化的關係。來自面板的觸控式螢幕控制器訊號上升時間常數等於τ或R*CEX，其中R代表觸控板上從觸點到地的電阻。Y線上電壓的上升時間等於：VY-(t)=VY-(FINAL)(1-e-t/τ)，其中VTOUCH(FINAL)是觸點位置的終止電壓。
當目標是減少數據採集期間的觸控板功耗時，有幾大因素將影響設計決策。如果使用電容網路降低雜訊，那麼可透過增加面板關閉時間相對於面板打開時間的比例來實現更低的系統功耗。雖然更低電阻的面板在啟動期間確實會消耗更多電流，但更低電阻的面板所需的設立時間也較短。
在典型的觸控式螢幕應用中，用戶需要精確的X、Y和Z座標資料。精確的座標資料需要每秒100到200個資料組。不過觸控式螢幕控制器通常執行更高的採樣率。例如，若觸控式螢幕控制器的採樣率是100ksps，那麼觸控式螢幕控制器最多每秒可採樣5萬個X/Y座標組。
觸控系統的數位介面
觸控式螢幕控制器到主處理器的介面由一條串列數位匯流排(SPI或I2C)和一根中斷訊號線組成。主處理器的週邊配置通常決定了串列介面協議。如果主處理器具有I2C介面，系統具有多個I2C設備，那麼你也可以選擇I2C協議實現與觸控式螢幕控制器的通訊。I2C使用的匯流排線數比較少，當有多個I2C設備共用主機I2C介面時，將具有更高的靈活性。
另一種串列介面是SPI。SPI協議的資料讀寫速度通常較I2C介面快。你的系統可能有未使用的SPI埠和頻寬受限的I2C埠。在這種情況下，介面協議的最佳選擇是SPI。
圖5顯示了在不同I2C介面速度下的功耗。從圖5來看，大家可能會猜測降低數位介面速度意味著降低整體功耗。然而，更長的介面傳輸時間會讓匯流排增加額外的裝載時間。用400kHz匯流排速度發送資料所需的時間是100kHz匯流排速度的25%，用3.4MHz匯流排速度發送資料的時間僅是100kHz時的2.94%。因此，觸控式螢幕系統的匯流排時脈越高，平均功耗就越小。
">圖5：該圖顯示了在不同供電電壓和I2C匯流排速度下提供電流的三個觸控式螢幕控制器。
透過觸控式螢幕控制器和主處理器之間的簡單介面，可以立即將座標資料發送給主處理器。觸控式螢幕控制器利用這類介面檢測面板中發生的事件，並向主處理器發送中斷。在收到中斷後，主處理器向觸控式螢幕控制器發送通電命令，然後採樣觸壓位置，將訊號轉換為數位訊號，然後立即發送資料給主處理器。主處理器對這一過程進行控制。在這種環境中，主處理器可能需要多個採樣值，以便用數位處理技術減少面板資料中的雜訊。
觸控式螢幕控制器還提供簡單的數位濾波功能，可有效減少通過觸控式螢幕控制器/主介面的轉換資料封包數量。採用這種策略的觸控式螢幕控制器將檢測面板上的壓力，採集每個座標的多個樣值，預處理座標資料，然後將一組最終的座標方案發給主處理器。這種方案顯著減輕了主處理器原本需要執行的任務。
在資料發送之前，觸控式螢幕控制器和主處理器之間很少通訊。雖然電阻/觸控式螢幕網路的上升時間會引起類比系統穩定性的延遲，但其他雜訊源對轉換精密度有更大的影響。為了減少這些雜訊源，可能需要對多個樣值進行平衡處理。
圖6所示的結構圖(正在申請專利)針對觸控板資料組使用了三種簡單但有效的濾波演算法。
">圖6：你可以從一組觸控式螢幕資料值中獲得中間值(b)或平均值(a)。如果整合這兩種運算，你可以捨棄資料組中的高值和低值(c)，然後對中間資料進行平均。
在所有情況下，你首先必須將來自面板的資料降冪排列。第二個可行的策略是根據資料組計算出中間值(圖6b)，並捨棄多餘資料。可以對資料組稍微再做些處理，對資料組取平均值，並將結果發送給處理器(圖6a)。另外一種方法是捨棄資料組中的大值和小值，然後對餘下的值取平均值(圖6c)。其他去彈跳演算法還包括投票演算法(voting)，以及採用處理器實現的FIR濾波器。
預先過濾觸控式螢幕資料
若想透過濾波減少ADC資料中的雜訊，可以用主處理器軟體達到這一目的。另一種方案是使用觸控式螢幕控制器進行資料濾波。如果將濾波功能從主處理器移到觸控式螢幕控制器上，將可大幅減少資料匯流排上的流量。這種改變可以降低數位介面的功率。
例如，一個I2C介面的寫入週期需要18個I2C時脈週期，一個讀取週期則需要27個I2C時脈週期。在例A中(表1)，如果觸控式螢幕控制器採集了7個12位元樣值，並把這些樣值送給處理器，那麼觸控式螢幕控制器便需要7次讀寫。
表1：對兩個範例系統中I2C時脈總數和發送時間的比較。
這個介面傳輸所需的總時脈週期數等於7*(18+27)=315個I2C時脈週期。
在例B中，觸控式螢幕控制器採集並預先處理了同樣7個12位元樣值。觸控式螢幕控制器的讀取仍然需要18個I2C時脈週期，寫入則需要27個I2C時脈週期，但現在整體I2C週期數等於1*(18+27)=45個I2C時脈週期(表1)。這將使I2C時脈週期數減少7倍。
觸控式螢幕控制器可檢測觸控筆的觸碰、採集多個座標資料組、對資料進行預處理以減少系統雜訊，然後將最終結果發送給微處理器，這種方案具有很大的優勢。工作在400kHz時脈速率的一個I2C時脈週期等於2.5μs。在這些條件下，例A中的觸控式螢幕系統需要787.5μs時間發送面板資料。而在例B中，同樣條件下總介面傳輸時間可以縮短到112.5μs。
對數位SPI介面來說，也會產生同樣的流量減少情況。在採用SPI介面時，發送一個讀取週期需要24個時脈週期。發送7個未濾波讀取週期需要168個時脈週期。具有內建濾波功能的觸控式螢幕控制器可透過SPI匯流排，僅傳送一組座標資料，因此匯流排流量可以減少86%。
人機介面可能會潛在地造成某種程度的不確定性。當觸控筆彈跳或只是無意地劃過觸控式螢幕時，都可能發生這種現象。如果觸控式螢幕系統立即回應，而沒有加以驗證，那麼觸控式螢幕控制器就會在假警告狀態下為面板加電。透過在合法性判斷之前擷取來自面板的多個中斷，就能減少對假警告回應的概率。例如，觸控式螢幕控制器可以實現預設的閾值來檢查資料的有效性。這樣可以避免錯誤的資料發送到主處理器，進一步減少數位介面匯流排的流量。
系統總功耗
在觸控式螢幕控制器系統中，消耗功率的三個主要元件分別是類比介面、觸控式螢幕控制器(靜態電流和ADC)以及數位介面。在表2所描述的系統中，類比和數位電源等於1.8V，觸控式螢幕控制器的靜態電流是360μA。
在表2所示的系統中，只要主處理器執行數位濾波功能，數位介面的功耗就幾乎等於類比介面和觸控式螢幕控制器的功耗之和。如果觸控式螢幕控制器在為主處理器發送最終座標點之前就預先對資料濾波，數位介面的功耗就能大幅降低。
表2：類比介面功耗是觸控式螢幕系統總功耗的主要部份，除非主處理器執行資料濾波功能。
觸控式螢幕系統電路
圖7為觸控式螢幕系統的工作電路結構圖。觸控式螢幕控制器TSC2005的功能可以強化類比和數位介面性能。
圖7：採用TI公司TSC2005的觸控式螢幕系統。
類比介面性能增強包括多種延遲功能、比例測試功能以及ESD/EOS保護。可利用TSC2005內的某種延遲功能延遲採集的啟動，旁路初始化觸控面板時的‘彈跳’情況，或面板的RC上升時間。這些驅動電路採用比例式技術(美國專利號6,246,394)提高了ADC的動態範圍。TSC2005提供的另一項類比功能是高度的觸控面板ESD和EOS保護。
TSC2005的數位介面增強功能包括濾波或平均模組。TSC2005內建的濾波演算法可以減少數位介面流量，進一步減少主處理器的工作時間和所需記憶體。
本文小結
消費性產品設計師在選擇面板時，有多種觸控式螢幕技術可選擇。市場上最流行的觸控面板是四線制電阻面板。電阻觸控式螢幕系統由電阻觸控面板、觸控式螢幕控制器和主處理器組成。透過使用觸控式螢幕，你可以確定觸控筆或手指的X、Y和Z座標。
觸控面板和觸控式螢幕控制器之間的類比介面對觸控式螢幕系統功耗的影響最大。影響這種類比介面的主要因素有系統電源(VDD)、面板電阻和面板開關時間比。如果沒有設立時間問題，降低面板和類比介面功耗的最佳方針是降低系統電源電壓、使用更高阻抗的觸控面板以及減少設備的開關時間比。如果電路中增加了降噪電容網路，更低的電阻觸控面板將會消耗更低的整體功率。
影響觸控式螢幕控制器和主處理器數位介面的主要功率因素是高數位流量引起的串列匯流排功耗。平均數位轉換可以使觸控式螢幕控制器減少主處理器的影響並降低數位介面功耗。如果觸控式螢幕控制器對座標資料濾波後再發送給主處理器，那麼最主要的功耗就不在觸控式螢幕控制器和主處理器之間的數位介面了。當面板啟動時，觸控式螢幕的類比介面將消耗相當大的功率。
作者：Bonnie C. Baker
Wendy Fang
資深應用工程師
德州儀器
如果更低的功耗是主要追求目標，那麼就必須特別關注類比功率降低策略、巧妙地設計類比數位轉換器(ADC)、處理器數位介面，以及最佳化觸控式螢幕控制演算法，將協助你更快獲得成功。
本文將介紹電阻觸控式螢幕面板的構造，並討論典型的四線電阻螢幕的內部工作原理，提供包括面板、觸控式螢幕控制器和微處理器在內的觸控式螢幕系統結構圖。而後將介紹硬體的低功率策略。在第一級的功耗評估後，我們將深入研究更多硬體與相關軟體策略。最後，我們將從低功率角度評估數位介面。
觸控式螢幕運作原理
消費產品設計師可以從眾多的觸控式螢幕技術中選擇他們想要的面板。目前多數面板技術均使用電阻、電容、表面聲波(SAW)或紅外線(IR)技術。市場上最流行的觸控式螢幕是電阻觸控式螢幕，因為它具有品質穩定、價格適中的特點。
電阻觸控式螢幕分四線、五線、七線或八線幾種形式。最常見的電阻觸控式螢幕採用四線架構。四線電阻觸控式螢幕面板的層次結構從上到下依次是可撓性矩形頂層；透明的導體覆蓋層(導體覆蓋材料通常由氧化銦錫，即ITO組成)；空氣間隙和隔離層；另一個透明的ITO層；最後是一個穩定層。在圖2a中，黃色代表的是四線觸控式螢幕面板中上方的ITO層，綠色代表的是第二個ITO層，藍色代表底部的穩定層。
面板的可撓性頂層(圖2a並未顯示)是一個覆蓋層，對ITO層提供了一定程度的保護。該層的可撓性非常大，當按壓時能讓兩個導電層接觸。除非施加壓力，否則幾乎看不見的隔離層將使兩個ITO導電層保持分離狀態。
當你用觸控筆或手指接觸柔軟的頂層時，你就能確定觸控式螢幕面板的X-Y座標。觸控筆的壓力使兩個ITO層連接起來。當面板被觸碰，設備就會對兩個ITO層中的一層施加電壓，電壓來自位於該層兩個對端的液態銀導電條。當為其中一個ITO層供電時，如上部黃色區域，另一個ITO層(綠色區域)就可以用來檢測觸控筆的位置。然後使用高阻抗ADC，就能將透過觸控筆碰觸未加電層所獲得的電壓轉換成數位值。
例如，如果你用2.5V電壓從X+到X-(黃色區域)為X層供電，且觸控筆的觸點位置大約在兩個X軸導電條之間的中間位置，那麼Y+和Y-端點(綠色區域)電壓將等於1.25V。這個電壓正比於在X+和X-之間施加的電壓，這是面板電阻電壓分壓的結果(圖2b)。該技術可以檢測到觸控筆的X位置。同樣，當為Y層的相對導體條供電時，就可以檢測到Y位置。你可以使用X+和X-端點檢測觸控筆的Y位置，還能檢測觸控筆或手指的壓力。壓力測量得到的座標為Z1和Z2。
圖1：許多電池供電的消費設備均採用電阻觸控式螢幕。
圖2：四線觸控式螢幕面板使用電阻觸控式螢幕的兩個主動區域檢測X和Y壓力點(a)。等效電路是簡單的電壓分壓器(b)。
電阻觸控式螢幕系統
電阻觸控式螢幕系統由觸控面板、觸控式螢幕控制器和主處理器組成(圖3)。觸控式螢幕或觸控面板是系統的‘電阻感測器’。
圖3：由觸控式螢幕面板、觸控式螢幕控制器和微處理器組成的電阻觸控式螢幕系統。
觸控式螢幕控制器包含一個面板驅動器、一個多工器和一個ADC。觸控式螢幕控制器的驅動器分別為觸控板的兩個座標獨立供電，以控制開啟或關斷。流經觸控板的電流值幾乎等於供電電壓除以觸控板電阻的值。觸控式螢幕內部的ADC用於測量接觸位置和壓力，並將從觸控式螢幕測得的類比電壓轉換成數位程式碼。典型的ADC採用連續近似暫存器(SAR)，解析度有8位元、10位元或12位元等。
觸控式螢幕系統具有兩個介面(圖3)，一個是面板和觸控式螢幕控制器之間的類比介面，一個是觸控式螢幕控制器和主處理器之間的數位介面。
觸控式螢幕控制器在觸控板和觸控式螢幕控制器之間使用四線類比介面為面板供電，並測量座標。在某個X或Y座標測量過程中，觸控式螢幕控制器透過類比介面的兩根線(X+和X-)向面板的其中一個ITO層供電，並利用第二個ITO層和另外兩根線(Y+和Y-)檢測觸控筆的座標位置。
處理器和觸控式螢幕控制器之間的數位通訊包括一個中斷訊號和一條串列數位匯流排(SPI或I2C)。如果沒有觸控事件，處理器可以忽略觸控式螢幕控制器而專注於執行其他任務。一旦面板有觸壓，源自觸控式螢幕控制器的中斷(圖3)就會通知處理器，處理器緊接著透過串列匯流排讀取觸控式螢幕控制器發送的觸控式螢幕資料。
觸控式螢幕的類比介面
影響觸控板和類比介面功耗的主要因素包括系統供電電壓(VDD)、面板電阻以及面板開關的時間比例。觸控式螢幕控制器的驅動器和ADC拓撲結構決定了系統類比介面電源的極限。面板開關的時間比例主要取決於觸控訊號的設立時間和系統雜訊。
觸控式螢幕和CMOS 12位元SAR ADC的供電電壓範圍是1.2V到5.5V。觸控式螢幕控制器驅動器的供電電壓基本上也在這個範圍內。在不同的電阻觸控式螢幕面板中，每個ITO層的電阻可能是不一樣的，範圍從100Ω到幾kΩ(圖2b)，圖2還提供了四線電阻觸控式螢幕面板的等效電路。當面板受到按壓時，面板所需功耗從302.5mW(電源=5.5V，面板電阻=100Ω)到720μW(電源=1.2V，面板電阻=2kΩ)不等。如同這些計算所顯示，功率降低策略包括了降低面板和觸控式螢幕控制器的供電電壓、選擇更高電阻的面板或雙管齊下。
由於在面板啟動(ON)期間功耗較大，因此，我們的主要目標是盡可能使觸控板處於關閉(OFF)狀態。結果，為電阻式面板ITO層供電的驅動電路會開始工作。設立時間錯誤通常是由於面板通電的上升時間或環境雜訊引起的，如觸控式螢幕的機械振動、顯示器照明干擾、系統瞬變、靜電放電(ESD)和/或電磁脈衝(EMP)。
如果這類雜訊環境存在，就必須在觸控面板和觸控式螢幕控制器之間的訊號路徑中增加雜訊抑制元件。圖3中的電容網路就是一種雜訊抑制電路。需注意的是，在輸入線上增加任何電容都會增加觸控式螢幕控制器的輸入設立時間(圖4)。面板設立時間的增加會降低觸控式螢幕控制器的採樣率，並延長面板驅動器的通電工作(power-ON)時間。
圖4：該圖顯示了具有不同線路電容之觸控板的Y線電壓上升時間(根據圖3的CEX)。4號線沒有插入CEX。3號線的CEX等於0.1μF。2號線的CEX等於1μF。
圖4說明了觸控板電阻與輸入電路濾波電容(圖3的CEX)之間隨時間變化的關係。來自面板的觸控式螢幕控制器訊號上升時間常數等於τ或R*CEX，其中R代表觸控板上從觸點到地的電阻。Y線上電壓的上升時間等於：VY-(t)=VY-(FINAL)(1-e-t/τ)，其中VTOUCH(FINAL)是觸點位置的終止電壓。
當目標是減少數據採集期間的觸控板功耗時，有幾大因素將影響設計決策。如果使用電容網路降低雜訊，那麼可透過增加面板關閉時間相對於面板打開時間的比例來實現更低的系統功耗。雖然更低電阻的面板在啟動期間確實會消耗更多電流，但更低電阻的面板所需的設立時間也較短。
在典型的觸控式螢幕應用中，用戶需要精確的X、Y和Z座標資料。精確的座標資料需要每秒100到200個資料組。不過觸控式螢幕控制器通常執行更高的採樣率。例如，若觸控式螢幕控制器的採樣率是100ksps，那麼觸控式螢幕控制器最多每秒可採樣5萬個X/Y座標組。
觸控系統的數位介面
觸控式螢幕控制器到主處理器的介面由一條串列數位匯流排(SPI或I2C)和一根中斷訊號線組成。主處理器的週邊配置通常決定了串列介面協議。如果主處理器具有I2C介面，系統具有多個I2C設備，那麼你也可以選擇I2C協議實現與觸控式螢幕控制器的通訊。I2C使用的匯流排線數比較少，當有多個I2C設備共用主機I2C介面時，將具有更高的靈活性。
另一種串列介面是SPI。SPI協議的資料讀寫速度通常較I2C介面快。你的系統可能有未使用的SPI埠和頻寬受限的I2C埠。在這種情況下，介面協議的最佳選擇是SPI。
圖5顯示了在不同I2C介面速度下的功耗。從圖5來看，大家可能會猜測降低數位介面速度意味著降低整體功耗。然而，更長的介面傳輸時間會讓匯流排增加額外的裝載時間。用400kHz匯流排速度發送資料所需的時間是100kHz匯流排速度的25%，用3.4MHz匯流排速度發送資料的時間僅是100kHz時的2.94%。因此，觸控式螢幕系統的匯流排時脈越高，平均功耗就越小。
">圖5：該圖顯示了在不同供電電壓和I2C匯流排速度下提供電流的三個觸控式螢幕控制器。
透過觸控式螢幕控制器和主處理器之間的簡單介面，可以立即將座標資料發送給主處理器。觸控式螢幕控制器利用這類介面檢測面板中發生的事件，並向主處理器發送中斷。在收到中斷後，主處理器向觸控式螢幕控制器發送通電命令，然後採樣觸壓位置，將訊號轉換為數位訊號，然後立即發送資料給主處理器。主處理器對這一過程進行控制。在這種環境中，主處理器可能需要多個採樣值，以便用數位處理技術減少面板資料中的雜訊。
觸控式螢幕控制器還提供簡單的數位濾波功能，可有效減少通過觸控式螢幕控制器/主介面的轉換資料封包數量。採用這種策略的觸控式螢幕控制器將檢測面板上的壓力，採集每個座標的多個樣值，預處理座標資料，然後將一組最終的座標方案發給主處理器。這種方案顯著減輕了主處理器原本需要執行的任務。
在資料發送之前，觸控式螢幕控制器和主處理器之間很少通訊。雖然電阻/觸控式螢幕網路的上升時間會引起類比系統穩定性的延遲，但其他雜訊源對轉換精密度有更大的影響。為了減少這些雜訊源，可能需要對多個樣值進行平衡處理。
圖6所示的結構圖(正在申請專利)針對觸控板資料組使用了三種簡單但有效的濾波演算法。
">圖6：你可以從一組觸控式螢幕資料值中獲得中間值(b)或平均值(a)。如果整合這兩種運算，你可以捨棄資料組中的高值和低值(c)，然後對中間資料進行平均。
在所有情況下，你首先必須將來自面板的資料降冪排列。第二個可行的策略是根據資料組計算出中間值(圖6b)，並捨棄多餘資料。可以對資料組稍微再做些處理，對資料組取平均值，並將結果發送給處理器(圖6a)。另外一種方法是捨棄資料組中的大值和小值，然後對餘下的值取平均值(圖6c)。其他去彈跳演算法還包括投票演算法(voting)，以及採用處理器實現的FIR濾波器。
預先過濾觸控式螢幕資料
若想透過濾波減少ADC資料中的雜訊，可以用主處理器軟體達到這一目的。另一種方案是使用觸控式螢幕控制器進行資料濾波。如果將濾波功能從主處理器移到觸控式螢幕控制器上，將可大幅減少資料匯流排上的流量。這種改變可以降低數位介面的功率。
例如，一個I2C介面的寫入週期需要18個I2C時脈週期，一個讀取週期則需要27個I2C時脈週期。在例A中(表1)，如果觸控式螢幕控制器採集了7個12位元樣值，並把這些樣值送給處理器，那麼觸控式螢幕控制器便需要7次讀寫。
表1：對兩個範例系統中I2C時脈總數和發送時間的比較。
這個介面傳輸所需的總時脈週期數等於7*(18+27)=315個I2C時脈週期。
在例B中，觸控式螢幕控制器採集並預先處理了同樣7個12位元樣值。觸控式螢幕控制器的讀取仍然需要18個I2C時脈週期，寫入則需要27個I2C時脈週期，但現在整體I2C週期數等於1*(18+27)=45個I2C時脈週期(表1)。這將使I2C時脈週期數減少7倍。
觸控式螢幕控制器可檢測觸控筆的觸碰、採集多個座標資料組、對資料進行預處理以減少系統雜訊，然後將最終結果發送給微處理器，這種方案具有很大的優勢。工作在400kHz時脈速率的一個I2C時脈週期等於2.5μs。在這些條件下，例A中的觸控式螢幕系統需要787.5μs時間發送面板資料。而在例B中，同樣條件下總介面傳輸時間可以縮短到112.5μs。
對數位SPI介面來說，也會產生同樣的流量減少情況。在採用SPI介面時，發送一個讀取週期需要24個時脈週期。發送7個未濾波讀取週期需要168個時脈週期。具有內建濾波功能的觸控式螢幕控制器可透過SPI匯流排，僅傳送一組座標資料，因此匯流排流量可以減少86%。
人機介面可能會潛在地造成某種程度的不確定性。當觸控筆彈跳或只是無意地劃過觸控式螢幕時，都可能發生這種現象。如果觸控式螢幕系統立即回應，而沒有加以驗證，那麼觸控式螢幕控制器就會在假警告狀態下為面板加電。透過在合法性判斷之前擷取來自面板的多個中斷，就能減少對假警告回應的概率。例如，觸控式螢幕控制器可以實現預設的閾值來檢查資料的有效性。這樣可以避免錯誤的資料發送到主處理器，進一步減少數位介面匯流排的流量。
系統總功耗
在觸控式螢幕控制器系統中，消耗功率的三個主要元件分別是類比介面、觸控式螢幕控制器(靜態電流和ADC)以及數位介面。在表2所描述的系統中，類比和數位電源等於1.8V，觸控式螢幕控制器的靜態電流是360μA。
在表2所示的系統中，只要主處理器執行數位濾波功能，數位介面的功耗就幾乎等於類比介面和觸控式螢幕控制器的功耗之和。如果觸控式螢幕控制器在為主處理器發送最終座標點之前就預先對資料濾波，數位介面的功耗就能大幅降低。
表2：類比介面功耗是觸控式螢幕系統總功耗的主要部份，除非主處理器執行資料濾波功能。
觸控式螢幕系統電路
圖7為觸控式螢幕系統的工作電路結構圖。觸控式螢幕控制器TSC2005的功能可以強化類比和數位介面性能。
圖7：採用TI公司TSC2005的觸控式螢幕系統。
類比介面性能增強包括多種延遲功能、比例測試功能以及ESD/EOS保護。可利用TSC2005內的某種延遲功能延遲採集的啟動，旁路初始化觸控面板時的‘彈跳’情況，或面板的RC上升時間。這些驅動電路採用比例式技術(美國專利號6,246,394)提高了ADC的動態範圍。TSC2005提供的另一項類比功能是高度的觸控面板ESD和EOS保護。
TSC2005的數位介面增強功能包括濾波或平均模組。TSC2005內建的濾波演算法可以減少數位介面流量，進一步減少主處理器的工作時間和所需記憶體。
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