中 華 大 學
碩 士 論 文
CMOS電流模式之S型校正曲線產生器 CMOS Current-Mode Design of an S-Shape
Correction Curve Generator
系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：M09801047 蘇信誠 指導教授：林國珍 博士
中華民國 100 年 7 月
i
目錄
表目錄... iii
圖目錄... iii
中文摘要... vi
Abstract... vii
誌謝... viii
第一章 緒論... 1
1.1 研究背景與動機 ... 1
1.2 論文架構 ... 4
第二章 LCD 工作原理 ... 5
2.1 液晶的光電效應 ... 5
2.2 LCD 種類之比較 ... 8
2.2.1 TN-LCD ... 8
2.2.2 STN-LCD ... 8
2.2.3 DSTN-LCD ... 9
2.2.4 TFT-LCD ... 9
2.3 TFT-LCD 架構 ... 10
2.4 TFT-LCD 驅動系統 ... 11
2.5 Gamma 曲線簡介 ... 12
第三章 電路原理和架構... 16
ii
3.1 平方電路簡介 ... 16
3.2 平方電路公式推導 ... 17
3.3 一次項電路公式推導 ... 19
3.4 S 型校正曲線之擬合方法 ... 20
第四章 電路設計和模擬... 22
4.1 簡介 ... 22
4.1.1 量測考量 ... 22
4.2 S 型校正曲線產生器電路設計與模擬 ... 23
4.2.1 基本電路介紹 ... 23
4.2.1.1 A 部分電路與模擬 ... 24
4.2.1.2 B 部分電路與模擬 ... 25
4.2.1.3 C 部分電路與模擬 ... 26
4.3 可調式 S 型校正曲線產生器電路設計 ... 28
4.3.1 定電流電路架構設計 ... 28
4.3.2 可調式 S 型校正曲線產生器電路 ... 29
4.3.2.1 可調式 S 型校正曲線產生器操作與模擬... 30
第五章 電路佈局... 36
5.1 可切換 S 型校正曲線產生器電路 ... 36
5.2 可切換 S 型校正曲線產生器電路晶片模擬 ... 38
5.2.1 Post-simulation 模擬 ... 38
5.2.2 TT、FF、FS、SF、SS 模擬 ... 38
5.2.3 電壓變動模擬 ... 39
iii
5.2.4 Bandwidth 頻寬結果圖 ... 40
第六章 結論... 42
參考資料：... 43
表目錄
表 2-1 典型 LCD 顯示原理分類表[1]... 6表 4-1 各顆電晶體之長寬比... 30
表 4-2 模擬 S 型曲線之多項式 ... 34
表 6-1 文獻比較表 ... 42
圖目錄
圖 1-1 非線性函數 DAC 之 Gamma 校正 ... 2圖 1-2 線性函數 DAC 之 Gamma 校正 ... 2
圖 1-3 分壓電路內部之構造 ... 3
圖 1-4 6 位元驅動器輸出電路內部之構造... 3
圖 2-1 TN 型 LCD 顯示原理示意圖... 7
圖 2-2 TN Light Transmission Ratio Curve ... 7
圖 2-3 TFT 液晶面板構造[1] ... 11
圖 2-4 TFT-LCD 系統方塊圖 ... 12
圖 2-5 GAMMA 校正說明圖[10] ... 13
圖 2-6 不同 Gamma 值之灰階分佈圖... 14
圖 2-7 液晶應用電壓與輸出透光率之轉換曲線 ... 14
圖 2-8 應用電壓與輸出流明度之轉換關係 ... 15
iv
圖 2-9 轉換過程的組合 ... 15
圖 3-1 平方電路基本架構 ... 17
圖 3-2 一次項電路 ... 19
圖 3-3 (a)不同製造廠商所呈現出不同的光電特性(b)不同廠商的 S 型校正曲線 ... 20
圖 3-4：在不同曲率下的三個部分 ... 21
圖 4-1：CMOS 電流模式之 S 型校正曲線產生器的基本表示電路... 23
圖 4-2 A 部分電路... 24
圖 4-3 A 部分 Ma3 在不同的寬度下所表現出不同的曲率... 25
圖 4-4 B 部分電路... 25
圖 4-5 B 部分 Mb3 在不同的寬度下所表現出不同的曲率... 26
圖 4-6 C 部分電路... 26
圖 4-7 C 部分 Mc2 在不同的寬度下所表現出不同的斜率... 27
圖 4-8 A 部分，B 部分和 C 部分電路組裝起來的電流模擬圖 ... 27
圖 4-9 定電流源電路設計 ... 28
圖 4-10 可調式 S 型校正曲線產生器之電路圖... 29
圖 4-11：電路目前的圖形和想要實現的圖形 ... 31
圖 4-12：電路目前的圖形和想要實現的圖形 ... 32
圖 4-13：電路目前的圖形和想要實現的圖形 ... 32
圖 4-14 某一未知廠牌顯示器的 S 型特性曲線 ... 33
圖 4-15 校正曲線。其中藍線(實線)為顯示器特性曲線紅線(虛線)則代表論文所 提電路擬合出來的圖形... 33
圖 4-16 由左至右分別是未校正的圖形和直方圖，校正後的圖形和直方圖，原本 資料來源的圖形和其直方圖... 35
圖 5.1 可切換 S 型校正曲線產生器電路核心佈局圖 ... 36
圖 5-2 掛上 PAD 後的晶片設計圖 ... 37
圖 5-3 pre-simulation 與 post-simulation 輸出電流比較圖... 38
v
圖 5-4 TT、FF、FS、SF、SS 狀況模擬結果圖... 39
圖 5-5：VDD=2.97V 的模擬結果... 40
圖 5-6：VDD=3.63 的模擬結果... 40
圖 5-7：pre-sim 的頻寬(88.12MHz)... 41
圖 5-8：post-sim 的頻寬(79.96MHz)... 41
vi
中文摘要
由於可攜式電子產品的普及與LCD面板的應用越來越廣泛。消費者在影像呈 現的要求也越來越嚴苛。所以，在影像的處理上也變得越來越重要。而Gamma 校 正便是其中一項校正的方法。不像CRT面板，LCD面板中光電傳遞函數不再只是簡 單的Gamma曲線而是一種S型的曲線。所以，在做校正處理時所遇到的困難也越大。
本論文目的在簡化LCD面板校正曲線的難度，提供改變曲線各種數值的方 法。我們將校正曲線拆成三個部分來討論，不但可以避免使用複雜的數學式子來 描述校正曲線，也可以讓我們的電路擁有更多的選擇，因應不同的校正曲線。
在實驗的模擬中可以發現，透過改變MOS間的W/L比即可調整圖形的曲率及整 體斜率甚至於圖形間的間距亦可調整。因此，可以應用在不同S型曲線，使得研 究更有實用性。
本論文設計的可調式S型校正曲線產生器是使用TSMC 0.35μm CMOS製程技 術，經佈局後之晶片面積約為0.44 mmx 0.32 mm，電流輸入範圍為0μA 至 220μA，模擬所得的頻寬約為88.12MHz。
關鍵字: LCD面板、Gamma 校正、S型校正曲線
vii
Abstract
As the popularity of portable electronic products and LCD display applications become more widespread. Image showing consumers are increasingly demanding requirements. Therefore, the image processing is also becoming increasingly important. Gamma correction is one of the correction method. Unlike CRT display, LCD display, optical transfer function is not just a simple Gamma curve but rather a S-shaped curve. So, when do the image correction processing more difficult.
The objective of this paper is to simplify the difficulty of the LCD display correction curve, and to provide a variety of numerical methods to change the curve.
Correction curve will be split into three segments to discuss not only avoid the use of complex mathematical formulas to describe the correction curve, but also allows the circuit to have more choice, in response to different correction curve.
Can be found in the simulation, by changing between MOS W / L ratio to adjust the overall curvature and slope. Even spacing between the graphics can be adjusted.
Therefore, it can be used in different S-shaped curve, making the research more applied.
In this paper the design of adjustable S-shape correction curve generator using TSMC 0.35μm CMOS process technology, the layout of the chip area of about 0.44 mm × 0.32 mm, current input range 0μA to 220μA, the bandwidth of about
88.12MHz.
Keywords: LCD display、Gamma correction、S-shape correction curve
viii
誌謝
在碩士班求學的過程中，最先要感謝的是我的指導教授 林國珍博士，在這 兩年中，總是不斷的給予鞭策與指導。在平時上課或 meeting 時，他採用幽默的 灰諧的方式灌輸我們知識，但私底下，對研究的要求卻比任何人都還要嚴謹。不 僅在學術研究上，也在做人處事的態度和面對問題該有的解決態度。我由衷的感 謝他耐心包容與細心指導，對他的感謝真的不是用三言兩語能形容的。
在此，也要感謝畢業論文口詴委員；辛清華大學電子工程研究所 徐永珍教授、
中央大學電機工程學系 邱煥凱教授以及中華大學微電子工程學系 宋志雲教授 在百忙中撥空給予論文上建議以及諸多的指導，在此向各位老師致上十二萬分的 敬意與謝意。
還要感謝學長姐、同窗和學弟妹的幫忙與指教，特別要感謝的是使我碩士生 活不無聊的劉政佐、在學術上百問不膩的地下指導教授鄭智仁學長和課後助教黃 俊豪學長、不斷激發我生活意識更成熟化的曾于峯、宵夜不孤單的方思維、沒有 他我活一團亂的張哲銘、總是在我電腦做奇怪事的吳培綸以及一直被我使喚但還 是開心的學弟何紹恒。另外像我碩士班立一個媽的微電子系助理林美惠小姐，謝 謝你們讓我在研究所的生涯過得如此多采多姿，充滿了無限的回憶。
最後要感謝我的爸爸、媽媽與姐姐，一路上默默的支持與鼓勵我，並給予我 充分的生活幫助，讓我可以專心著手於論文方面的研究。僅此論文獻給所有關心 我、照顧我的人，並祝大家事事順心、身體健康。並特別將此獻給來不及看到我 取得碩士學位的爺爺，想念你的信誠。
蘇信誠 謹致於中華大學 電機工程學系碩士班 中華民國 100 年 7 月
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第一章 緒論
1.1 研究背景與動機
1897 年Braun 發明陰極射線管顯示器(Cathode Ray Tube，CRT)，迄今已 達一百多年的歷史。由於CRT的高顯示品質與低成本優勢，使得其在許多顯示器 市場中被廣大應用。但是CRT 仍有許多的缺點，例如尺寸的受限、體積大不易縮 小、耗電量高甚至高輻射，在過去以電腦與電視為主的顯示裝置市場中，因為使 用多屬於固定的場合，因此上述缺點多被其高顯示品質所掩蓋。但隨著科技的日 新月異，家庭娛樂因素致使人們所注重的電子產品要求，人們開始希冀顯示器有 高畫質與攜帶方便的優點，然而CRT顯示器的先天限制，讓其變成可攜式的理想 受到阻礙。這使得開發新一代的顯示器技術便的更有其必要，因此液晶顯示器 (Liquid Crystal Display，LCD)逐漸發展為現今主流[1]-[3]。
伴隨著數位影音及多媒體育樂的環境成熟如PDA、GPS、智慧型手機及掌上型 電玩主機等，使LCD 顯示器廣泛的應用在可攜式顯示器市場上，這意味著輕、薄、
短、小和低功率消耗的可攜性變得越來越重要。這也使原本應用在靜態畫面的LCD 面板，快速朝高精細化、廣視角、高速響應、高畫質開發[4]。因此，為了使顯 示器影像達到高畫質之要求，改善畫面解析度品質補償技術乃成為液晶面板產業 相當重視與積極研發的關鍵技術之一。但是LCD顯示器在傳統行驅動電路中數位 類比轉換器(DAC)的電阻串聯硬體限制架構下，面對晶片面積成本的需求使得利 用少量的硬體去實現高解析度畫質就變的很有價值。
在[5][6]中，伽瑪校正是使用非線性的DAC架構(圖1-1)，必頇使用非常多且 不同阻值的電阻來完成，這樣將會佔據龐大的晶片面積。除此之外，非線性DAC 使用區段線性的方式來模擬伽瑪曲線，精確度較差。在[7]中，作者使用線性DAC 的架構(圖1-2)，能有效的減低電阻的使用。然而，不論是線性或非線性DAC的應
2
用，在類比端都是使用電阻的方式來製作伽瑪校正電路。這樣並無法真正脫離電 阻在Layout上佔據過大面積的影響以及無法有效製作SOC的應用。在[8]中，作者 使用最小二乘法來分段模擬伽瑪曲線，取代DAC的使用，其誤差值在兩個位元內，
但是面積還是一樣很大。
圖1-1 非線性函數DAC之Gamma校正
圖1-2 線性函數DAC之Gamma校正
因此，本文中提出利用三個簡單的電路來實現複雜的曲線擬合，如此不僅可以降 低面積的消耗並且在此架構中可以降低多項式的階層數以減少其複雜度。但在不 同的顯示器製造商也擁有不同的S曲線[9]，一般來說，為了保留驅動系統之彈 性，以配合使用各種液晶的LCD 面板，大部分皆會採用電組分壓型的DAC 設計 [10][11][12]，其架構如下圖1-3 與圖1-4 所示，如此一來，在使用不同液晶模 式時，不需要改變資料驅動IC，只要設定外部參考電壓源，分壓電阻便會配合外 部參考電壓源進行分壓，分壓成2n 個電壓以供應給各單位驅動電路，其中n 代 表此電路為n 位元驅動器。但畫素電壓與穿透度的關係，會隨著液晶的不同而改 變，因此畫素電壓與視訊資料的對應關係，便必頇隨著所使用的液晶而調變。但 是畫素的解析度需求越高，資料驅動IC 所需的電阻陣列就越龐大，因而造成驅
3
動IC 面積加大，這是其缺點。在此本論文中採用可切換控制的類比電路，取代 以往數位控制的數位電路，減低了對數位部份的依賴因而大大減少面積及其複雜 度。
圖1-3 分壓電路內部之構造
圖1-4 6位元驅動器輸出電路內部之構造
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1.2 論文架構
本論文依內容概要可分為六個章節，依序如下：
第一章 緒論
介紹本論文研究之背景與發展現況，並說明本論文研究之動機和目的。
第二章 LCD工作原理
介紹TFT LCD 顯示器的技術及發展，其技術包含顯示器製程與工作 原理。也簡單說明Gamma曲線的原理與用途。
第三章 電路架構與原理
如何設計本篇論文，先由最基本的電路向上發展成我所需
第四章 電路設計與模擬
利用第三章所介紹的電路架構與原理，做電路的實現與模擬，模擬是使用 HSPICE軟體，所使用的電路元件模型則是由國家晶片系統設計中心(CIC)所提供 的台積電(TSMC) 0.35μm的製程技術來進行模擬，並使用MATLAB的HSPICE ToolBox工具，將HSPICE電路的模擬結果萃取出來，並拿到MATLAB上做繪圖與比 較。
第五章 電路佈局
介紹電路的佈局、電路佈局前模擬(Pre-layout simulation)和電路佈局後 模擬(Post-layout simulation)。
第六章 結論
說明本篇論文的結果與未來之發展，並且與其他文獻與本論文比較其電路之 優缺點。
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第二章 LCD 工作原理
由於液晶本身具有光電磁異方性，並同時具備有分子配向和流動性，故當其 受到光、熱、電場、磁場等外界刺激時，分子的排列情形會出現變化，因此，藉 由操作上述條件可使得液晶顯示明暗對比的變化或顯現出其它的特殊光電效 果。相對於傳統的顯示器，大都是以輻射電子射線管線投射顯示在電場產生色 彩，因為電子槍需要長度也因此對於傳統顯示器有著體積龐大的缺陷，但是因為 成本低所以市場龐大；現今由於液晶的應用成本大量降低，TFT-LCD 也開始取代 傳統顯示器的地位。應用液晶做成顯示器，將會有質量輕、容易攜帶、體積小不 佔空間、消耗電能小等優勢。本章將會介紹各類型的液晶與其動作原理以及液晶 顯示器的系統架構，包含驅動晶片(Drive IC)與Gamma 的呈現方式[1]。
2.1 液晶的光電效應
液晶運用在顯示器上時，主要是靠液晶的光電效應 (Electro-Optic Effect) 和旋光 (Optical Rotation) 的特性。而所謂光電效應為：該液晶分子 之排列狀態，由於外加電場的影響，可使得液晶分子排列狀態轉變成其它種型 態，並造成液晶薄膜的光學性質發生變化，此種因外加電場而產生之光調變現象 謂之為液晶的光電效應。也即是在兩片附加有經過配向處理的透明電極的玻璃板 中間，以三明治形態挾入液晶，隨著電場變化，也隨之改變了液晶的配向狀態，
利用此一變化可以為顯示之用。並且基本上不需要利用電流顯示，因此可以利用 小容量的電容驅動[1][2][3]。目前，藉由液晶的光電效應所發展出來的LCD，可 依照液晶分子的扭轉角度將動作模式分為二種。
1. 扭轉向列型 ( Twist Nematic , TN type )
2. 超轉曲向列型 ( Super Twist Nematic , STN type )
6
表2-1 典型LCD 顯示原理分類表[1]
LCD就所用液晶之配向角度將動作模式分類，如表2-1 所示為TN型LCD 與STN 型LCD 兩者的動作模式、動作原理、配向角度與使用液晶材料。其中TN 型與STN 型兩者最大的差異性是在於STN 型的配向角度為TN 型的2～3 倍，並且是以利用 複折射性造成旋光性的光學性質作為色變化的顯示方式。
而 TN 型液晶顯示元件為目前應用最廣泛，並且為最具代表性的電場效果型 液晶顯示元件，是以電場控制旋光作為基本原理，也就是說，隨著所加入的電場 變化進而改變液晶分子配向的方式。
TN 型液晶顯示元件受到電場而產生變化的情形及其動作基本原理如圖2-1 所示。為了使LCD 能顯示影像，在兩片附加有經過配向處理的透明電極的玻璃板 中間，厚度以僅數個mm 的隙縫中注入Nematic 液晶，關於液晶分子的長軸方向，
在兩玻璃基板間是呈現連續90o 扭轉的排列狀態。並且在LCD 的兩塊玻璃片中間 的頂部及底部排列成互相垂直的透明電極，每一個交差點就是ㄧ個畫素，藉由透 過影像訊號輸入至每一個畫素，就能控制影像的顯示輸出。
圖 2-1(a)表示液晶分子會隨著兩基板表面的配向方向扭曲配向，又利用二片偏 光板 (偏光的涵義是指光波會只在一個平面上震動，主要是靠偏光濾光器，而濾 光器是由兩塊互相垂直的單一濾光鏡片構成)以直交狀態夾在液晶層上面，通過 上部偏光板的光線，由於液晶分子的光學異方性Δn 的效果，會沿著液晶分子扭 曲 (或稱為扭轉、旋光) 通過下方的偏光板，最後被視為亮的狀態，此動作的液 晶稱之為正常白 ( Normally White )。
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圖 2-1(b)表示，當將外加電場加諸於液晶層上時，液晶分子的扭曲配向會 被解除，便不再會有使偏波面扭轉的效果，使得入射光會受到下部偏光板的遮蔽 成為暗的狀態。如此液晶元件利用垂直配置的偏光片，以及電壓控制液晶分子的 配向變化，使光線能否通過檢光板致使畫面呈現亮或暗，此為液晶顯示之基本原 理。
圖 2-1 TN 型LCD 顯示原理示意圖
(a) ITO 未加入電場，呈現亮畫面 (b) ITO 加入電場，造成暗畫面
圖 2-2 TN Light Transmission Ratio Curve
外加電場與穿透率的關係如圖 2-2 所示，以Normally White 型的LCD 而
8
言，當所施加之外加電壓漸漸大於臨界電壓 (Vth )，對於液晶分子而言，長軸 方向的液晶分子會開始傾向電場方向，而在外加電壓接近飽和電壓 (Vsat ) 時，此時幾乎所有的液晶分子都是與電場平行配列，因此90o 的旋光性便會消失 殆盡，故行進光的方向與液晶分子長軸垂直，作用後光被吸收或散射。而沒與液 晶分子長軸作用之行進光穿透過液晶層，由於行進光與配向膜垂直，故行進光會 被配向膜遮蔽[1]。
2.2 LCD 種類之比較
利用液晶製程之顯示器稱為液晶顯示器，英文稱 LCD ( Liquid Crystal Display ) 。目前常見的液晶顯示裝置有TN ( Twist Nematic )、STN ( Super Twist Nematic ) 、DSTN ( Double-layered STN )、TFT(Thin Film Transistor ) 四 種，其中TN、STN、DSTN 三種基本原理是相同的。至於TFT 則是截然不同之顯示 方式。而以下為此四種顯示裝置之比較[2]。
2.2.1 TN-LCD
TN-LCD 的最大特點就如其名稱扭轉向列一般，其液晶分子從最上層至最下層的 排列方向恰好是呈現90o 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，其一為無法呈現黑、白兩色以 外色調。另一為當液晶顯示器越做越大時，其對比會越來越差[2]。
2.2.2 STN-LCD
TN 與STN 兩者都是使用兩枚偏光片的電場效果型顯示元件，而STN 的扭轉角度 約為TN 的2～３倍，是利用複折射性造成旋光性的光學性質作為色變化的顯示方 式。STN-LCD 的出現是為了改善TN-LCD 對比不佳、顯示角度不足的問題。其最
9
大之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之預傾斜角，
其液晶分子從最下層至最上層之排列方向恰好是呈現180o～260o 的3D 螺旋狀。
STN-LCD 的出現雖然改善了改善TN-LCD 對比問題，但其在顏色的表現上依然無 法獲得較好的效果。STN-LCD 的顏色除了黑、白兩色調外，就只有橘色和黃綠色 等少數顏色，在這情況下，是無法在色彩表達上達到全彩的要求。且由於STN 在 反應速度上的表現仍無法滿足即時動態視訊之要求，因此當詴以更高速驅動電路 來提升STN-LCD 的反應速度時，基於材料性能限制，將會致使出現閃爍的現象與 灰階表現受限之問題產生，以致不易製造出全彩之畫質的缺點。故STN-LCD 仍然 不是ㄧ個完善的解決方式[1][2]。
2.2.3 DSTN-LCD
S
TN 型方式適用於大型矩陣顯示，具有尖銳的Vth。但是，其最大缺點為無 法到TN 型所能得到之黑白顯示效果。使用DSTN 方式，可以對於元件的亮度不會 有損害，並且得到幾乎全黑白的顯示，對比也很高，急峻度也與一般的STN 元件 相等。但是由於所使用之第一層液晶材料是STN 型，因此對於STN 型材料性能之 限制，DSTN型也有與STN 型一樣的在反應速度上無法滿足即時動態視訊之要求。因此DSTN-LCD 也不是ㄧ個完善的解決方式[2]。
2.2.4 TFT-LCD
由於 STN 無法達到全彩的要求、液晶分子反應速度慢及Cross Talk 效應 等。使得TN/STN 在往較高性能LCD產品發展時，受到很大的限制。TFT-LCD的工 作原理是建立在TN 原理基礎上的，兩者基本之架構亦相同，是採用兩夾層間填 充液晶分子，呈現三明治形式之設計。但是TFT-LCD 將TN 上部夾層的電極改為 FET 晶體管，而下層改為共同電極，因此兩者在工作原理上還是有一定的差別
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在。在光源設計上，TFT 的顯示是採用“背透視＂照射模式，即假想的光源路徑 不是像TN 型液晶那樣從上而下，而是從下而上，其具體作法是在液晶的背部設 置類似日光燈的光管。光源照射時，行進光線透過下部偏光板向上透出，由於上 下夾層的電極改為FET 電極和共通電極，因此它也是藉由電場效應改變液晶分子 扭轉來致使旋光變化以改變傳導光線。在FET 電極導通時，液晶分子的排列狀態 如TN 液晶一樣也會發生改變，也就是其方式也是透過遮光和透光來達到顯示之 目的。所不同的是，由於FET 晶體管具有電容效應，故能保持電位狀態，因此先 前透光的液晶分子會一直保持先前狀態，直到FET 電極下一次再改變外加電壓以 改變其排列模式。相對而言，TN 就無此種特性，其液晶分子一旦沒施與外加電 壓，立刻就會返回原始狀態，這就是TFT-LCD 與TN-LCD 最大不同之處，亦即是 TFT 液晶顯示器的優越之處[1][2]。
2.3 TFT-LCD 架構
TFT 液晶面板基本構造如圖2-3 所示，TFT 所使用之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，且在此三個電極的交叉處放置薄膜式電晶體 ( TFT ) 的主動元件。於TFT 下方基板上配置矩陣狀之掃描線 ( Gate Bus Line ) 與資料線 ( Data Bus Line )，TFT之source 端連接資料線，drain 端連接至畫 素電極。為了改善保持動作，以達到高畫質，在液晶電容上再並聯一保持電容。
保持電容之構成方法，可以將透明導電膜設置在各畫素電極下方，也可以在資料 的掃描線上重疊畫素電極，或利用專用的容量線與掃描線或資料線平行配置 [1]-[3]。
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圖 2-3 TFT 液晶面板構造[1]
主動式矩陣式 LCD 之特徵為記憶保持動作，如圖2-3 之右圖所示為TFT-LCD 等 效電路圖。TFT-LCD 的電擊構成是與被動式矩陣驅動法的STN-LCD 相同為矩陣式 構成，其原理是在原本配置畫素之X 軸與Y 軸之交差點植入TFT，此TFT 主動元 件是當開關使用。在某一短時間內，此開關為ON 時，將影像資料信號寫入至一 晶電容中；其餘時間開關為OFF 期間，由於必頇防止在液晶電容中之影像信號洩 漏，因此此時液晶電容 ( Clc ) 當做動態記憶體使用。
2.4 TFT-LCD 驅動系統
圖 2-4 所示為TFT-LCD 系統方塊圖，其中包含面板 ( LCD Panel )、資料 驅動器 ( Data Driver )、閘極驅動器 ( Gata Driver )、控制器 ( Application Specific IC , ASIC )及Gamma 電壓產生器。液晶顯示面板是由資料驅動器和閘 極驅動器驅動，而控制器主要是產生時序控制訊號，是用來控制資料驅動器和閘 極驅動器之動作時序，另外，由於資料驅動器需要很多組灰階參考電壓，因此需 要藉由Gamma 電壓產生器供予多組參考電壓源給資料驅動器。
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圖2-4 TFT-LCD 系統方塊圖
2.5 Gamma 曲線簡介
一般而言，人對於亮度的區分會直覺的以等級距來劃分，如圖2-5(a)所示，
但是，由於人眼在比較黑暗的環境下，對於亮度變化的敏感度，會比在光亮的環 境下要高出許多。經過現代的有關視覺的一些實驗中，可得知人眼的感覺與亮度 之間的關係公式，如圖2-5(b)所示，大腦感覺可近似於與亮度的(1/r)次方成正 比。以數學公式表示大腦的感覺(X)與亮度(Y)之間的關係：
Y = AX
γ(2-1)
所以習慣上把這個關係稱為『Gamma 曲線』[10]，其中A 只是一個用以代表成正 比的常數。但公式(2-1)只是近似公式，大腦的γ值其實並非定值，約為2.2 ~ 2.5 左右。公式(2-1)，以簡單數學轉換，可以寫成：
X = (Y/A)
1/γ(2-2)
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圖2-5 GAMMA 校正說明圖[10]
其中(1/r)約為0.4~0.45 左右。公式(2-2)所代表之意義是，要讓大腦的感覺( X ) 線性的增加的話，則需使亮度( Y )以其( 1/r )次方乘冪做變化。以r = 2.2 為 例，欲使大腦感覺的強度加倍，需使亮度變成原來的2 2.2 = 4.595 倍；相對的若 使亮度加倍，則大腦只會感覺到強度變成原來的2(1/2.2) = 1.37 倍。而視訊資料 所要傳達的，其實是大腦的感覺，而不是亮度，所以需要依據亮度與大腦感覺的 迦瑪曲線作校正，使得視訊資料與大腦的感覺成正比，如圖2-5(c) 所示。在此 情況之下，視訊資料與亮度的關係也會是表示成一條Gamma曲線，如圖2-5(d)所 示。圖2-6顯示出不同Gamma值之灰度分佈。
14
圖2-6 不同Gamma 值之灰階分佈圖
故人眼對光線亮度的感受程度並非是線性，但這非線性的關係與液晶模型本 身的轉換比例曲線彼此並不相符。由於液晶模型本身的特性所致，其透光率與供 應電壓的特性曲線呈現非線性特徵，如圖2-7 所示，造成所呈現之亮度關係也非 人眼所感覺之亮度，但由於人眼所感覺舒適之亮度曲線為Gamma = 2.2～2.5，因 此必頇將液晶模型本身特性所致之傳送轉換比例曲線校正為人類所預期之亮度 曲線為Gamma=2.2~2.5 如圖2-8，也就是TFT-LCD 呈現出來的亮度必頇是預期的 Gamma 曲線特性，其轉換過程如圖2-9 所示[10]。
圖2-7 液晶應用電壓與輸出透光率之轉換曲線
15
圖2-8 應用電壓與輸出流明度之轉換關係
圖2-9 轉換過程的組合
16
第三章 電路原理和架構
3.1 平方電路簡介
我們是採用電流模式的二次多項式電路，在電路上會需要有平方特性的電流 輸出，由於MOS電晶體工作在飽和區的時候有平方的特性，因此可以用來實現二 次多項式電路之平方電路，此電路為重要之核心電路，我們在設計上可使用如圖 3-1[13]所示之平方電路，用來實現電流模式的平方原理，並以此架構來延伸所 要的設計出完整的二次多項式電路，達到我們所預期的功能電路架構。
為何要採用電流模式來設計電路呢? 從已往的歷史來看，類比電路設計是以 電壓為支配信號處理的方式，稱為電壓模式。近年來，電流模式類比電路已經在 類比功能的應用中出現。透過電壓模式信號處理與電流模式的信號處理的結合，
可以很明顯地獲得系統性能的提升優勢[14]。現今電流模式的類比信號處理愈來 愈 成 熟 ， 有 多 種 應 用 系 統 使 用 此 技 術 如 [14]-[24] 。 由 於 很 多 潛 在 的 優 點 [20]-[22],電流模式電路已獲得相當多的注意。
與電壓模式電路相比較，電流模式電路擁有以下的潛在的優點︰
1. 更高的頻寬能力︰雙極電晶體(BJT)和金氧半場效電晶體(MOS)兩個都是電流 輸出裝置，以電晶體做為促成均一增益頻寬(fT)之電流放大器。電流模式的關鍵 性特徵是在更高的頻率下，雜散電容可以有效地當成增益的元件[23],而電壓模 式電路則被限制。
2. 高操作速度︰積體電路技術的尺寸縮小導致寄生電容成為電路快慢的因素。
因此電流模式電路能在電路內部的節點取得低阻抗和低電壓振幅達到高操作速 度。
3. 算術計算的低電路複雜性︰在電流模式下，加法和減法的計算可以直接透過 在一個結點的連接來執行。再使用電流模式的電流鏡架構可以輕易地處理信號的 反向、總和及比例大小等基本功能，而這些基本功能電壓模式就難以處理。很清
17
楚電流模式擁有低的電路複雜性和低的功耗。
4. 更大的操作動態範圍︰當IC製程技術愈來愈縮小，為了保證元件可靠性，電 源的電壓必頇降低。降低的電源電壓導致降低了電壓模式的動態範圍。解決這個 問題顯然從電壓模式改變為電流模式即可，不再直接受電源電壓的限制[24]。
Mi2 I
inV
CMi1 I
m1I
m2VDD
圖3-1 平方電路基本架構
3.2 平方電路公式推導
假設圖3-1中M1、M2皆工作在飽和區且K值完全匹配，即K=Kn=Kp，
1 1
2 , 2
p p ox n n ox
W W
K c K c
L L
[25]，當輸入電流Iin之流向為往外流出時，Iin 會切分Im1與Im2兩電流，Im1與可Im2分別表示為[26]:
2 2
1 ( ) ( )
m GS tp DD C tp
I K V V K V V V (3-1)
2 2
2 ( ) ( )
m GS tn C tn
I K V V K V V (3-2) 之後我們在依據克希荷夫電流定律(KCL)可知Im2=Im1+Iin，再將(3-1)與(3-2) 代入可以得到下式:
2 2
( C tn) ( DD C tp) in
K V V K V V V I (3-3)
18
整理(3-3)，以Iin為表示式:
2 2 2
( 2 ) [ ( )]
in C C tn tn DD C tp
I K V V V V K V V V
2 2 2 2
( 2 ) [ 2 ( ) ( ) ]
K VC V VC tn Vtn K VDD VDD VCVtp VC Vtp
2 2 2
( 2 2 2 2 )
K VDD Vtp V VDD C VDDVtp V VC tp V VC tnVtn
2 2
2 ( ) [( ) ]
K VDDVtp V Vtn CK VDDVtp Vtn (3-4) 由(3-4)式中，VC可表示成:
( )( )
2 ( ) 2( )
DD tp tn DD tp tn
in C
DD tp tn DD tp tn
V V V V V V
V I
K V V V V V V
( )
2 2 ( )
DD tp tn in
DD tp tn
V V V I
K V V V (3-5) 將(3-5)代入(3-1)與(3-2)式，I1及I2可表示成:
2 1
( )
[ ]
2 2 ( )
DD tp tn in
m
DD tp tn
V V V I
I K
K V V V (3-6)
2 2
( )
[ ]
2 2 ( )
DD tp tn in
m
DD tp tn
V V V I
I K
K V V V (3-7)
在(3-6)式與(3-7)式中，我們假設
2
DD tp tn
O
V V V
V
即可將方程式改寫成:
2 2
1 (1 2)
4 in
m O
O
I KV I
KV (3-8)
2 2
2 (1 2)
4 in
m O
O
I KV I
KV (3-9) 同理可得，若輸入電流Iin電流流向為往外流出(-Iin)時，則我們也可以經由上述 的推導過程導出Im1與Im2電流為:
2 2
1 (1 2)
4 in
m O
O
I KV I
KV (3-10)
19
2 2
2 (1 2)
4 in
m O
O
I KV I
KV (3-11)
在本論文中所提出的S型校正曲線產生器電路，就是以此平方電路為基礎電
路，透過(3-8)、(3-9)、(3-10)及(3-11)使用電流鏡像(Mirror)比例不同關係，
所衍生推導出的電路。
3.3 一次項電路公式推導
Mi2 Iin
Mi1 Im1
Im2
VDD
Mi6
Im6-Im5
Mi5 Im5
Im6
圖3-2 一次項電路
若將二次項電路做延伸，如圖3-2，我們將會獲得一流向相反且為r倍IX大小的電 流，在本篇論文我們稱做一次項電路。其推導公式如下：
2 2
5 (1 2)
4 in
m O
O
I rKV I
KV
2 2
2 2
[( ) 1]
4 2
O in in
O O
I I
rKV KV KV (3-12)
2 2
6 (1 2)
4 in
m O
O
I rKV I
KV
2 2
2 2
[( ) 1]
4 2
O X in
O O
I rKV I
KV KV (3-13)
20
2 2 2 2
6 5 (1 2) (1 2)
4 4
in in
m m O O
O O
I I
I I rKV rKV
KV KV
2 2 2 2
2 2 2 2
[( ) 1] [( ) 1]
4 2 4 2
O in in O in in
O O O O
I I I I
rKV rKV
KV KV KV KV
2 2 2 2 2 2 2 2
2 2 2 2
( ) ( )
4 2 4 2
O in O in O O in O in O
O O O O
I I I I
rKV rKV rKV rKV rKV rKV
KV KV KV KV
2
2 2
O 2 in
O
rKV I KV
rI (3-14) in
3.4 S型校正曲線之擬合方法
如第二章所述，不同的製造廠商所做出來的LCD顯示器就會有不相同的光電 傳遞函數(electro-optical transfer function)，如圖3-3(a)所示。圖3-3(b)是其相對的 校正函數曲線，如圖所顯示，發現如果要使用多項式近似的方法來描述該曲線，
是件非常困難的事。我們觀察到高電壓和低電壓的部分曲線變化速度非常快但是 在中間值卻是緩慢的變化。於是我們將一個S型校正曲線拆成A、B、C個部分。
使得曲線變化快的部分(高電壓和低電壓區)和曲線較平緩的部分可以透過簡單 的電路達到我們的需求。
Input voltage
Brightness
Input voltage
Brightness
(a) (b)
B
A C A
B B
C
C
圖3-3 (a)不同製造廠商所呈現出不同的光電特性(b)不同廠商的S型校正曲 線
21
如果將其分為三等份，就便可以使用簡單的電路來實現校正 S 型曲線，這也 是本論文的核心所在。幸運地，分成三部分也可以讓電路上的操作更有彈性去擬 合各式不同的 S 型曲線。因為電路的設計是需要將三個部份的電路做組合，我們 在組合的過程中 Iout越單純越好，不希望有別的電流來干擾。所以，我們會利用 MOS 電晶體中的截止區。透過本章節一開始所提出的平方電路當作基本架構，
若串連兩個基本電路就可以獲得更高階的多項式方程，由此高階方程式我們只需 要改變其係數就可以改變圖形的變化。如圖 3-3，若要改變 A(B)部分(Segment A(B))膝部的圖型只需要更改操控 A(B)部分(Segment A(B))圖形之電路，若要整 體斜率我們只頇更改控制 C 部分(Segment C)的電路。
I
inI
outI
seg1I
seg2Segment A Segment B
Segment C
0
圖3-4：在不同曲率下的三個部分
22
第四章 電路設計和模擬
4.1 簡介
在前面一個章節已經有介紹電路的基本架構，也介紹了為何使用此方法來模 擬S型校正曲線。在現在這個章節中我們就要將其實體化並且模擬是否可行。因 此我們將透過國家晶片中心(CIC)所提供的資源，來模擬電路並且將電路實現於 晶片上。
本章一開始先從簡單的電路開始介紹，然後再透過圖形的相輔相成，來使讀 者更明白此電路的構造及其操作方法。最後，我們將會把一電路實現在晶片設計 上，並且將其模擬結果呈獻給讀者。
本篇論文的電路設計與模擬是使用HSPICE，所使用的電路元件模型則是由 國家晶片系統設計中心(CIC)所提供的台積電(TSMC) 0.35μm的製程技術來進行 模擬，並使用MATLAB的HSPICE ToolBox工具，將HSPICE電路的模擬結果萃取出 來，在MATLAB上做繪圖與比較。
4.1.1 量測考量
此電路主要有輸入電流(Ix)與輸出電流(IOUT)，而輸入電流的範圍為0μA ~220 μA，其電流範圍的電壓值VC(圖三)在1.04V~1.786V間，我們量測上主要使用電 壓方式去量測結果。所使用設備有電源供應器與數位式示波器，其中電源供應 器提供1.04V~1.786V的輸入電壓，而數位式示波器用來量測輸出值。因輸出電 流IOUT與輸出電壓VOUT成正比，可由HSPICE模擬結果所得之輸出電流推算輸出端電 壓，與晶片的輸出端電壓比較之後即可判斷正確與否。
23
4.2 S 型校正曲線產生器電路設計與模擬
4.2.1 基本電路介紹
Mi1
Mi2
Mi3
Mi6 Mi5
Mb2 Mb1
Mb3
Ma1
Ma2
Ma3
MpL
MnL
Mc1 Mc2
Mi4
Idc Ia
Ib Iin Im1
Im2
Im5
Im6
Ima
Ir1 Ir2
Isa
Imb
Ir1 Ir2
Isb
Isc Imc
Iout
VC
圖4-1：CMOS電流模式之S型校正曲線產生器的基本表示電路
圖4-1為一簡單的S型校正曲線產生器的基本表示電路，我們將在接下來的幾 個小節裡，我們將會把此電路細拆成3個部分，並對該電路做介紹。在Mi系列 (Mi1、Mi2、Mi3、Mi4)表示控制輸入電流的部分。在Ma系列(Ma1、Ma2、Ma3)控 制如圖3-4的右半邊曲線。在Mb系列(Mb1、Mb2、Mb3)控制如圖3-4的左半邊曲線。
在Mc系列(Mc1、Mc2)控制圖形斜率的變化。MpL和MnL是所謂的負載。
24
4.2.1.1 A部分電路與模擬
Mi1
Mi2
Ma1
Ma2
Ma3 Mi4 Ia
Iin
Im1
Im2
Ir1
Ir2
Isa
Ima
圖4-2 A部分電路
如圖 4-2 使用基本電路來產生 Im1然後再使用 Mi1-Mi4 的電流鏡來生成 Ima=SIm1。之後我們串聯另一個基本電路 Ma1 和 Ma2 藉由另一個電流鏡 Ma1-Ma3 來生成 Isa。這種串聯的結構可以製造出一個類似指數圖型的電流值。若我們改 變了 Ma3 的寬度，我們就能放大或縮小其電流，便可以調整 A 部分的曲率。藉 由 Iin=Im2-Im1及 Ima=SIm1，我們可以了解當 Iin是較小值時 Ima擁有較大的值。又因 為 Ima+Ia=Ir2-Ir1，使得大的 Ima+Ia值導致 Ir1變小，強迫 Ma1 操作在截止區。偏壓 電流源 Ia是用來控制截止區和飽和區的分界點。所以當 Iin增加，Ima將會減少而 Ir1和 Isa則會增加，如圖 4-3 中所表現的 Isa。因此我們只需改變 Ma3 的寬度，就 可以操控如圖 3-4 中的 A 部分。因此 A 部分的電路，我們可藉由 Mi1, Mi2, Mi4, Ma1, Ma2, Ma3 和 Ia來完成。圖 4-3 為模擬的結果，W 越大其曲率越大。
25
圖4-3 A部分Ma3在不同的寬度下所表現出不同的曲率
4.2.1.2 B部分電路與模擬
Mi1
Mi2
Mi3
Mb2 Mb1
Ib Mb3 Iin Im1
Im2
Imb
If1 If2
Isb
圖4-4 B部分電路
26
和 A 部分原理相同，當 Iin很小時，Imb是較大的。因為 Imb-Ib=If2-If1，則 If2 會變大，這也使得大多數的 Imb-Ib 驅使 Mb2 操作於飽和區。當 Iin增加，Imb將會 減少 If2和 Isb也會跟著減少。Iin如果夠大時那麼 Mb2 將會操作於截止區。如圖 4-4 所示的 Isb。因此我們只需改變 Mb3 的寬度，就可以操控如圖二中的 B 部分。
所以，我們可藉由 Mi1, Mi2, Mi3, Mb1, Mb2, Mb3 和 Ib 來完成 B 部分的電路。
圖 4-5 為模擬的結果，W 越大其曲率越大。
圖4-5 B部分Mb3在不同的寬度下所表現出不同的曲率
4.2.1.3 C部分電路與模擬
Mi1
Mi2 Mi6
Mi5
Mc1 Mc2
Iin Im1 Im2
Im5
Im6 Isc
Imc
圖4-6 C部分電路
27
因為Imc=Im6-Im5=Iin，所以Isc=ScIin，其中Sc為Mc1-Mc2電流鏡的倍數。所以我 們將藉由Mi1, Mi2, Mi5, Mi6, Mc1和 Mc2來完成C部分的電路。圖4-7為模擬的結 果，W值越大斜率越大。
圖4-7 C部分Mc2在不同的寬度下所表現出不同的斜率
因此藉由Iout=Isa -Isb +Isc的關係，將A部分，B部分和C部分電路組裝起來。我們將 會得到Iout，如圖4-8所示的S型校正曲線
。
圖4-8 A部分，B部分和C部分電路組裝起來的電流模擬圖
28
4.3 可調式S型校正曲線產生器電路設計
4.3.1 定電流電路架構設計
在先前的基本電路中，我們已經介紹了如何用 3 個簡單的電路來模擬一 S 型校正曲線，在圖 4-1 電路架構中，電流源 Ia、Ib、Idc的部分，我們使用三顆 MOS 來設計出定電流的架構如圖 4-9 所示，圖 4-9(a)為當電流為 Ia、Idc電流流 向時的設計架構，圖 4-9(b)則是電流為 Ib時而設計的電路架構，我們將此架構 套用在可調式 S 型校正曲線產生器電路設計的架構上。
Mab1
Mab2
Ia
Mab1
Mab2
Mab4
Ib
(a)Ia電流源 (b)Ib電流源 圖4-9 定電流源電路設計
29
4.3.2 可調式 S 型校正曲線產生器電路
Mi1
Mi2
Mi4 Mi3
Mi6 Mi5
MpL
MnL
Mc1 Mc2
Mb2 Mb1
Mb3 Mab3 Mab5
Mab1
Mab2 Mab4
Ma1
Ma2
Ma3 Ma4
Mb4
Mc3 Mc4
Mdc1
Mdc2 Mdc3 Mdc4
A
B C
D
E F
圖4-10可調式S型校正曲線產生器之電路圖
由第三章所知如果想要改變一個圖形的曲率則必頇改變其 MOS 的長寬比，但 已經設計好的晶片是不能允許改變其值。所以，我們在電路上設計六個開關 (A,B,C,D,E,F)再加上如圖 4-9 的電流源電路，就成為本論文設計的晶片電路，
如圖 4-10 所示。
30
以下列表為可調式 S 型校正曲線產生器電路各 MOS 的長寬比：
表4-1各顆電晶體之長寬比
4.3.2.1 可調式S型校正曲線產生器操作與模擬
如上文所提，若我們要改變圖形的曲率或斜率則需要改變該部分 MOS 的寬 度。以下將詳細說明之：
圖 4-10 為我們所設計的電路，其中 Mp11, Mp33, Mpa11, Mn22, Mnw1 是為了改 變圖形用，而為了改變 MOS 的寬度我們設計一些 MOS(Mp1c, Mp3c, Mp3c1, Mpa1c, Mn2c, Mnw1)與之並聯以增加其寬度。
腳位 A~F 為開關，用來控制 MOS 是否在飽和區還是在截止區。當在飽和區時，表 示該部分 MOS 寬度變寬，便可以改變圖形的曲率。例如：
MOS 長寬比
PMOS W L NMOS W L
Mi1 3.8 1 Mi2 1.6 1
Mi4 20 1 Mi6 0.8 1
Mi3 0.5 1 Ma2 1 1.4
Mi5 1.9 1 Mb2 0.5 10
Ma1 1.4 1.4 Mb3 10 10
Ma3 10 1.4 Mb4 40 10
Ma4 40 1.4 Mab2 0.5 0.5
Mb1 0.5 10 Mab4 1 3.2
Mc1 3.8 1 Mdc2 0.5 1
Mc2 0.9 1 Mdc3 0.5 1.9
Mc3 8.1 1 Mdc4 1 1.9
Mc4 10 1
Mab1 0.5 0.5 Mab3 0.9 1.3 Mab5 0.5 1.3 Mdc1 0.5 1
MpL 10 1 MnL 10 1
31
在圖 4-11，藍線(有*的曲線)為我們實際的值，紅線(實線)為理想的值。在圖 4-11 中，可以明顯的看出藍線(有*的曲線)和紅線(實線)有很大的出入。首先觀察到 圖形好像有點上移的感覺，所以我們將 Mpa1c 的開關打開(腳位 D 接 VDD)，就產 生到如圖 4-12 的圖形。依觀察發現右上角圖形的曲率不足，所以我們再將 Mp1c 的開關打開(腳位 A 接 VDD)。最後如圖 4-13 所示，就會得到和理想值一樣的圖 形了。這就是有關調整曲線各項規則參數的方法。
圖4-11：電路目前的圖形和想要實現的圖形
32
圖4-12：電路目前的圖形和想要實現的圖形
圖4-13：電路目前的圖形和想要實現的圖形
33
下面就舉一個例子來說明此電路的用法。假設現在有一某品牌製造商的液晶 顯示器，其光電傳遞函數曲線(S 型曲線)如圖 4-14，首先找出該曲線的函數值。
接著找出此函數的對稱軸。最後，便可以做出其反函數的對稱圖形，如圖 4-15 所示。
圖4-14 某一未知廠牌顯示器的S型特性曲線
圖4-15 校正曲線。其中藍線(實線)為顯示器特性曲線紅線(虛線)則代表論 文所提電路擬合出來的圖形
第一步，我們先利用 MATLAB 中 ToolBox 裡的 curve fitting 來找出該曲線的函
34
數(使用 9 階多項式來擬合，如表 4-1 所示)。
表 4-2 模擬S型曲線之多項式 擬合
方程 式
9 8 7 6 5 4 3 2
y ax bx cx dx ex fx gx hx ix j
各係
數值 9.445 10-17 a
-9.427 10-14 b
3.879 10-11 c
-9
d=
-8.471 10 -6 e=
1.056 10
-5
f=
-7.584 10 0.003069 g
-0.06309 h
0.8939 i
-1.522 j
第二步，對圖形兩端點值做連線並求出其直線方程式。第三步，使用對稱軸公式 如(4-1)和(4-2)式，找到其對稱圖形。
2 2
2A(Ax+By-C) x'=x-
A B
(4-1)2 2
2B(Ax+By-C) y'=y-
A B
(4-2)最後，在由上文 4.3.2.1 節所述的方法來做調整。調整 ABCDEF 開關來改變圖形 的曲率及整體斜率，甚至於圖形間的間距。
由於影像品質的判斷會因不同的觀察者而有所差異，換言之影像品質的判斷 較為主觀，所以影像上的誤差並不是這麼的容易判斷。以我們的 TFT-LCD 伽瑪校 正電路而言，如依曲線的相對誤差來判斷校正的成效並不是一個好的測詴方法。
以下我們將伽瑪校正電路的 HSPICE 模擬結果萃取出來，並使用 MATLAB 的 HSPICE ToolBox 工具把電路的模擬結果套用在實際的圖檔與一假設的液晶特性曲線，做 實際的校正和比較。如圖 4-16 所示，由右至左分別是為校正的圖形、校正後的 圖形及原來的圖形。在圖 4-16 下排所顯示的圖形為該圖形的直方圖。橫軸為亮
35
度，縱軸為該亮度的畫素在圖中有多少點。在圖 4-16 中，我們可以發現為校正 的圖形其直方圖在亮度為 1(右方)的部分有許多點，所以顯示出來的圖形比較 亮。而經過校正後的圖形發現和原圖的直方圖較為相近，所以顯示出來的圖形比 較接近原圖。
圖4-16 由左至右分別是未校正的圖形和直方圖，校正後的圖形和直方圖，
原本資料來源的圖形和其直方圖
36
第五章 電路佈局
5.1 可切換 S 型校正曲線產生器電路
本設計有參與國家晶片系統設計中心(CIC)的 TSMC 0.35um Mixed Signal Polycide Process 前瞻性晶片製成，我們下線所使用的電路是經過修正之後的 可切換控制伽瑪校正電路，圖 5.1 為伽瑪校正核心電路佈局圖。
圖5.1 可切換S型校正曲線產生器電路核心佈局圖
37
我們的 TFT-LCD 伽瑪校正電路需要用到七個輸入及一個輸出，總共至少需要 十個 PAD，也考量過空區域所佔位置稍多，曾嘗詴過讓 PAD 有不同的排列方式，
以減少沒有利用之面積比例，但是卻會違反 Design Rule 中的 POLY 面積必頇佔 全部區域之 14%，在不違反 Design Rule 的前提下，幾經計算與測詴，以類似下 圖的正方形的排列方式，可達到最小面積又可符合 Design Rule。如圖 5-2，而 此晶片 PAD 的部分我們採用自行設計的方式。
圖5-2 掛上PAD後的晶片設計圖
38
5.2 可切換 S 型校正曲線產生器電路晶片模擬
5.2.1 Post-simulation 模擬
我們繪製好的 Layout 圖後，經過 DRC 與 LVS 的驗證排除其佈局上的錯誤後，
最後做 PEX 的步驟，讓其電路上含有寄生 RC 值，再去做後模擬
(Post-simulation)。圖 5-3 為 Pre-simulation 與 Post-simulation 的模擬比較 圖。
圖5-3 pre-simulation與post-simulation輸出電流比較圖
5.2.2 TT、FF、FS、SF、SS 模擬
再來是我們對五種狀況(TT、FF、FS、SF、SS)的模擬比較，圖 5-4 為可切換 S 型校正曲線產生器晶片的 TT、FF、FS、SF、SS 模擬結果比較圖。
39
圖5-4 TT、FF、FS、SF、SS狀況模擬結果圖
5.2.3 電壓變動模擬
接下來是對於電壓變動±10%中，我們對二次多項式晶片的電路輸出狀況做模 擬，因為我們的電壓值訂定為 3.3V，所以我們在此會以 VDD = 2.97V 與 3.63V 的狀況下來做分析模擬。
40
圖5-5：VDD=2.97V的模擬結果
圖5-6：VDD=3.63的模擬結果
5.2.4 Bandwidth 頻寬結果圖
41
圖5-7：pre-sim的頻寬(88.12MHz)
圖5-8：post-sim的頻寬(79.96MHz)
42
第六章 結論
由於近年來薄膜液晶顯示器(TFT-LCD)蓬勃的發展，已成為顯示器市場的主 流，所以本論文也提出了TFT-LCD伽瑪校正電路，當輸入範圍為0μA至220μA時，
實際套用影像來模擬影像的校正下，有不錯的校正的效果。
Reference[27]中，提出數位的方法使用非線性 DAC 和一些電阻來完成 Gamma Correction，文中顯示擁有很好的彈性來應變更多種校正圖形。但此篇更著重於 傳統使用電阻來完成彈性的數位方法其面積總是有過大的問題。文中也顯示出可 以省下很多面積，但是我們所提出的文章中雖然使用類比的方式但可以縮小的面 積比 Reference[27]更多。
Reference[28]使用ADC來改善數位校正電路中，其與S型曲線擬合的程度不 足。此篇也是使用類比的方法來模擬，因此在相同的面積下，解析度會比純數位 的方式還要好。但是功率消耗有點略大(30mW)。而我們所提出的功率耗損則比較 小，如表6-1所示。
表 6-1 文獻比較表
Proposed Reference[27] Reference[28]
Power dissipation 4.68mW x 30mW
Chip size 0.44mm x 0.32mm 0.83mm x 0.84mm x
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