Brevet FR2772501A1 — publié le 19990618

DISPOSITIF DE COMMANDE MATRICIEL La présente invention concerne un dispositif de commande matriciel1 plus particulièrement un dispositif de commande matriciel utilisé dans un écran plat tel qu'un écran à cristaux liquides du type à matrice active ou d'autres types d'écran plat. Dans l'art antérieur, un dispositif de commande matriciel est utilisé, par exemple, pour commander les cellules d'un écran plat telles que des cellules à cristaux liquides. Dans ce cas, il s'agit d'un écran à cristaux liquides du type à matrice active connu aussi sous l'abréviation AM-LCD. Un tel écran à cristaux liquides du type matrice active est représenté sur la figure 1. Dans ce cas, L'écran est constitué d'un certain nombre de cellules électro-optiques formées chacune d'une électrode et d'une contre-électrode enfermant le cristal liquide. Ces cellules sont référencées XL sur ladite figure. Les cellules électro-optiques sont arrangées en lignes et en colonnes, et commandées chacune par un circuit de commutation faisant partie d'un dispositif de commande de type matriciel. Comme représenté sur la figure 1, le circuit de commutation est réalisé par un transistor T dont une des électrodes est connectée à une colonne Cj et dont l'autre électrode est connectée à la cellule électro-optique XL. D'autre part, la grille du transistor T est connectée à une des lignes Li du dispositif de commande. Le plus souvent, la cellule électro-optique XL est associée à une capacité de stockage CP montée en parallèle sur la capacité formée par la cellule électro-optique en sortie du transistor T. L'ensemble formé du transistor T et de la capacité CP forment un circuit de commande élémentaire référencée Pij dans la figure 1. D'autre part, chacune des lignes de sélection Li est connectée à un circuit 2 de commande ou "driver ligne" qui applique successivement sur chaque ligne une impulsion de commande présentant une tension variant typiquement entre - 10 et + 20 volts. De même, chacune des colonnes Cj ou lignes de données est connectée à un circuit 3 de commande de colonnes ou "driver colonnes" qui envoie sur les colonnes Cj un signal analogique correspondant au signal vidéo représentant plus particulièrement une échelle de gris dont la tension varie typiquement entre + et - 5 volts. Avec ce dispositif de commande matriciel, la commande d'une cellule électro-optique XL s'effectue de la manière suivante. Lorsqu'une impulsion est appliquée sur une ligne de sélection Li, le transistor de commutation T devient passant. De ce fait, la tension analogique appliquée sur la colonne Cj est transmise aux bornes des électrodes de la cellule électro-optique XL qui affiche un niveau de gris correspondant au signal de données. En général, un dispositif de commande matriciel de ce type présente des transistors de commutation qui sont le plus souvent constitués par des transistors en couches minces TFT pour "Thin Film Transistor". Un tel dispositif est en général réalisé en silicium amorphe. D'autre part, les circuits 2,3 de commande lignes et colonnes peuvent être intégrés sur la plaque substrat sur laquelle est réalisé l'écran plat ou être réalisés indépendamment. Lorsqu'ils sont intégrés sur la plaque substrat, ils sont fabriqués en utilisant aussi du silicium amorphe. Un des problèmes rencontrés avec ce type de dispositif de commande matriciel est un problème de consommation dû notamment à l'amplitude des signaux appliqués sur les lignes et les colonnes Ce problème est d'autant plus important que l'on utilise pour l'adressage lignes de l'écran matriciel, la technique connue sous le terme "inversion de ligne", I'inversion de polarité ayant lieu à chaque ligne. Dans ce cas, on peut obtenir une consommation allant jusqu'à un watt pour une fréquence ligne de 30 KHz. Un autre problème rencontré avec cette structure lorsqu'elle est réalisée avec des transistors en silicium polycristallin ou en silicium monocristallin, concerne le courant de fuite du transistor de commutation T à l'état bloqué qui tend à décharger les points élémentaires ou cellules électro-optiques XL. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients cités ci-dessus en proposant un dispositif de commande matriciel présentant une nouvelle structure pour le circuit de commande élémentaire de chaque point élémentaire, cette structure étant particulièrement bien adaptée à l'utilisation du silicium polycristallin ou monocristallin pour la réalisation des transistors ou autres circuits semiconducteurs. La présente invention a donc pour objet un dispositif de commande matriciel comportant un ensemble de circuits de commande disposés en lignes et en colonnes et commandant un point élémentaire, I'état de chaque point élémentaire étant fonction de premier et second signaux de commande appliqués sur le circuit de commande respectivement par les lignes et les colonnes, caractérisé en ce que chaque circuit de commande est un circuit électrique dont l'impédance entre sa sortie et celle de ses entrées qui véhicule le premier signal devient faible suite à l'application d'une impulsion de tension adéquate sur ce premier signal, et en ce que cette même impédance devient très élevée suite à l'application d'une tension adéquate sur le deuxième signal. Dans ce cas, le premier signal est un signal qui, dans un premier temps, permet d'activer tous les circuits de commande de la ligne correspondante en les rendant passants puis d'appliquer une rampe de tension qui est transmise en sortie du circuit de commande au point élémentaire correspondant. Selon un mode de réalisation préférentiel, le premier signal est constitué par un signal en forme de rampe précédé par une impulsion négative de précharge. Selon un perfectionnement, de préférence, I'instant de déclenchement du signal en forme de rampe est ajusté de ligne en ligne de manière à compenser les délais de propagation sur les colonnes. D'autre part, le second signal est un signal de commutation de type numérique déterminant la durée pendant laquelle les circuits de commande activés restent passants. Selon un mode de réalisation préférentiel, le second signal de commutation est constitué par des impulsions de type PWM pour "Pulse Width Modulation" en langue anglaise. De préférence, I'instant de déclenchement des impulsions est ajusté de colonne en colonne pour compenser les délais sur les lignes. Selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, le circuit de commande est constitué par un premier transistor connectant le point élémentaire à la ligne correspondante recevant le premier signal et un second transistor dont une première électrode est connectée à la grille du premier transistor, dont la grille est reliée à la colonne correspondante recevant le second signal et dont la deuxième électrode est connectée à un potentiel de référence. Selon une caractéristique supplémentaire de la présente invention, le circuit de commande élémentaire comporte de plus une capacité connectée entre la grille du premier transistor et la ligne correspondante. De même, la deuxième électrode du second transistor est connectée à la ligne précédente. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les circuits sont réalisés en utilisant du silicium polycristallin. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation préférentiel, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels - la figure 1 déjà décrite est une représentation schématique d'un dispositif de commande matriciel utilisé dans le cas d'un écran à cristaux liquides à matrice active associé à des circuits de commande lignes et colonnes conformément à l'art antérieur - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de commande matriciel conforme à la présente invention dans le cas où le point élémentaire est constitué par une cellule à cristaux liquides, ce dispositif étant associé à des circuits de commande lignes et colonnes, - la figure 3 représente la forme des différents signaux appliqués respectivement sur les lignes, les colonnes, au point A, au point B et la tension grille source du transistor MN2 dans le cas du circuit de commande élémentaire de la figure 2, et, - la figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif de commande matriciel conforme à la présente invention dans le cas où le point élémentaire est constitué par un matériau électroluminescent, ce dispositif étant associé à des circuits de commande lignes et colonnes. Dans les figures, pour simplifier la description, les mêmes éléments portent les mêmes références. D'autre part, la présente invention sera décrite en se référant à un écran à cristaux liquides. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que l'invention peut s'appliquer à des points élémentaires constitués par tout circuit de stockage d'un signal électrique tel qu'une cellule électro-optique ou autre. Sur la figure 2, on a représenté un dispositif de commande matriciel conforme à la présente invention associé à un circuit de commande lignes 20 et un circuit de commande colonnes 30, lesdits circuits pouvant être intégrés ou non sur le même substrat que le dispositif de commande matriciel. Dans le dispositif de commande matriciel de la figure 2, le circuit de commande élémentaire référencé P'ij a été modifié de manière à limiter la consommation électrique et permettre ainsi une réalisation en silicium polycristallin. De manière plus spécifique, le circuit de commande élémentaire P'ij disposé en lignes et en colonnes commande un point élémentaire constitué, dans le mode de réalisation représenté, par une cellule électro-optique XL, plus particulièrement une cellule à cristal liquide. Sur cette cellule électrooptique est montée en parallèle une capacité de stockage CP, ladite cellule jouant elle-même le rôle d'une capacité et ses propriétés optiques étant modifiées en fonction de la valeur du champ électrique qui traverse le cristal liquide. On décrira maintenant un mode de réalisation d'un circuit de commande élémentaire P'ij dont la caractéristique principale est d'avoir un signal de sortie suivant le signal d'entrée lorsqu'il est activé par un premier signal, à savoir celui appliqué sur les lignes L'i, et dont l'impédance entre l'entrée et la sortie devient très grande sous l'effet d'un deuxième signal, à savoir le signal appliqué sur les colonnes C'j. Dans le cas de la figure 2, le circuit de commande P'ij est constitué essentiellement par un dispositif de commutation MN2 constitué de préférence par un transistor en couches minces ou TFT. Une électrode du transistor MN2 est reliée à une électrode de la cellule électro-optique XL tandis que son autre électrode est reliée à une ligne L'i. D'autre part, la grille du transistor MN2 est reliée à une électrode d'un second transistor MN1 dont l'autre électrode est connectée à la masse dans le mode de réalisation représenté et dont la grille est connectée à une colonne C'j. Comme représenté sur la figure 2, une capacité référencée CB est connectée entre la grille du transistor de commutation MN2 et la ligne L'i. Le point de connexion entre la capacité CB et la grille du transistor MN2 est référencé A tandis que le point de connexion entre l'électrode du transistor MN2 et l'électrode de la cellule électro-optique XL est référencé B. Les lignes L'i sont connectées à un circuit de commande de lignes 20 qui fournit sur les lignes un signal de données constitué par un signal qui, dans un premier temps, permet d'activer tous les circuits élémentaires de commande de la ligne correspondante en les rendant passants, puis d'appliquer ensuite une rampe de tension qui est transmise en sortie du circuit élémentaire de commande à la cellule XL. De même, L'ensemble des colonnes C'j est relié à un circuit de commande de colonnes 30 qui fournit, sur chaque colonne, un second signal constitué par un signal de commutation de type numérique, plus particulièrement des impulsions de type PWM déterminant la durée pendant laquelle les circuits de commande P'ij activés restent passants. On expliquera maintenant, avec référence à la figure 3, le fonctionnement du circuit de commande représenté à la figure 2. Comme représenté sur la figure 3, le signal appliqué sur les lignes L'i, L'i + 1 est constitué par une impulsion négative permettant d'activer tous les circuits de commande élémentaires d'une ligne suivie d'une rampe dont l'amplitude varie typiquement entre - 5 volts et + 10 volts de préférence. La durée T du signal L'i correspond à un temps ligne. Sur la ligne L'i + 1, le même signal est appliqué mais décalé d'un temps T comme représenté sur la figure 3. D'autre part, sur les colonnes C'j est appliqué un signal de commutation constitué par des impulsions de type PWM pour moduler les impulsions en largeur, le signal présentant des niveaux compris typiquement entre 0 et 2 volts, dans le cas d'une réalisation en silicium polycristallin ou en silicium monocristallin. Lorsque la ligne L'i n'est pas adressée, le circuit de commande élémentaire constitué principalement des deux transistors MN1 et MN2 fonctionne de la manière suivante. Comme représenté sur la figure 2, la deuxième électrode du transistor MN1 est à un potentiel de référence à savoir soit à la masse dans le mode de réalisation représenté soit au potentiel de la ligne précédente qui se trouve elle-même à une tension de référence, car elle n'est pas adressée. Lorsqu'une impulsion est appliquée sur la colonne C'j, à savoir sur la grille du transistor MN1, le transistor MN1 devient passant et le point A, à savoir la grille du transistor MN2 passe au potentiel de référence. A ce moment, la tension grille source Vgs du transistor MN2 est à zéro et le courant "off" du transistor MN2 est minimum. II en résulte que la cellule électro-optique XL ne se décharge pas. Lorsque la ligne L'i est adressée, à savoir lorsqu'elle applique un signal tel que représenté par L'i sur la figure 3, la ligne L'i subit tout d'abord une chute de tension négative - V. Le point A, du fait de la capacité CB, subit la même chute de tension instantanée. La colonne C'j recevant une impulsion positive, comme représenté sur la figure 3, le transistor MN1 est passant et, de ce fait, le potentiel du point A est ramené au niveau du potentiel de référence, à savoir à la masse ou zéro, dans le cas du mode de réalisation représenté. La tension grille source Vgs du transistor MN2 devient positive et passe à une valeur correspondant à la chute de tension sur la ligne L'i ce qui rend le transistor MN2 passant. Immédiatement après, la tension appliquée sur la colonne C'j chute à zéro, entraînant le passage à l'état "off" ou haute impédance du transistor MN1. La tension grille source Vgs du transistor MN2 reste constante du fait de la capacité CB. Lorsque la rampe de tension est appliquée sur la ligne L'i, le transistor MN2 étant passant, la tension au point B recopie la tension de la rampe jusqu'à ce qu'une nouvelle impulsion positive sur la colonne rende le transistor MN1 passant, ce qui a pour effet de ramener la tension au point A au potentiel de référence. A ce moment, le transistor MN2 devient non passant et la tension au point B reste constante comme représenté sur la figure 3. Le nouveau circuit de commande élémentaire ci-dessus permet donc d'afficher des niveaux de gris correspondant à la durée pendant laquelle la rampe est appliquée au point A. Pour une utilisation dans un écran plat à cristaux liquides, la tension de chaque cellule élémentaire P'ij peut donc atteindre une valeur quelconque dans la gamme de variation de la rampe fournie par le premier signal. La polarité de chaque cellule peut donc être choisie indépendamment de celle de ses voisines pour peu que la tension de la contre électrode soit ajustée à une valeur voisine de la moitié de la tension maximale atteinte par le premier signal. Le circuit de commande décrit ci-dessus permet de diminuer efficacement la consommation. En effet, la consommation est donnée par 1/2 f CV2, f étant la fréquence ligne, V l'amplitude du signal appliqué et C les capacités. Le tableau ci-après montre la différence de consommation entre le dispositif de commande de la figure 1 et de la figure 2 pour un écran à cristaux liquides comprenant 600 lignes et 2400 colonnes sur une diagonale de l'ordre de 30 cm. COLONNES SIGNAUX FREQUENCE PUISSANCE APPLIQUES LIGNE art antérieur analogique: +/- 5 V 30 KHz z 1/2 W invention PWM: 0 - i V 30 KHz 20 mW LIGNES SIGNAUX FREQUENCE PUISSANCE APPLIQUES LIGNE art antérieur numérique: 40 V 30 10mW 1 ligne à la fois invention analogique rampe de 30 KHz 2 mW données: 15 V 1 ligne à la fois D'autre part, lorsque l'on utilise du silicium polycristallin réalisé sur verre ou du silicium monocristallin pour réaliser le dispositif de commande, les transistors MN2 fonctionnent avec une tension grillesource Vgs contrôlée, ce qui donne un courant "off" plus faible. Un autre avantage de cette invention est que les drivers colonne 30 ont une fonction uniquement numérique, et fonctionnent à basse tension, ce qui facilite leur conception et diminue leur coût. La figure 4 présente une variante de l'invention où la sortie des circuits de commande élémentaires P'ij identique à ceux représentés sur la figure 3 est non plus connectée à un élément à cristal liquide, mais à la grille d'un transistor MN3 dont le rôle est de délivrer, à un matériau électroluminescent, un courant d'excitation contrôlé par cette tension. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande matriciel comportant un ensemble de circuits de commande (P'ij) disposés en lignes et en colonnes et commandant un point élémentaire (XL), I'état de chaque point élémentaire étant fonction de premier et second signaux (L'i, C'j) de commande appliqués sur le circuit de commande (P'ij) respectivement par les lignes (L'i) et les colonnes (C'j), caractérisé en ce que chaque circuit de commande (P'ij) est un circuit électrique dont l'impédance entre la sortie et celle de ses entrées qui véhicule le premier signal devient faible suite à l'application d'une impulsion de tension adéquate sur ce premier signal (L'i), et en ce que cette même impédance devient très élevée suite à l'application d'une tension adéquate sur le deuxième signal. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier signal (L'i) est un signal qui, dans un premier temps, permet d'activer tous les circuits de commande (P'ij) de la ligne (L'i) correspondante en les rendant passants puis d'appliquer une rampe de tension qui est transmise en sortie du circuit de commande (P'ij) au point élémentaire correspondant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier signal (L'i) est constitué par un signal en forme de rampe précédé par une impulsion négative de précharge. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le déclenchement du signal en forme de rampe est ajusté de ligne en ligne de manière à compenser les délais de propagation sur les colonnes (C'j). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second signal (C'j) est un signal de commutation de type numérique déterminant la durée pendant laquelle les circuits de commande (P'ij) activés restent passants. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second signal (C'j) de commutation est constitué par des impulsions de type PWM (Pulse Width Modulation). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le déclenchement des impulsions est ajusté de colonne en colonne pour compenser les délais sur les lignes (L'i). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit de commande (P'ij) est constitué par un premier transistor (MN2) connectant le point élémentaire (XL) à la ligne (L'i) correspondante recevant le premier signal et un second transistor (MN1) dont une première électrode est connectée à la grille du premier transistor, dont la grille est reliée à la colonne (C'j) correspondante recevant le second signal et dont la deuxième électrode est connectée à un potentiel de référence. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte de plus une capacité (CB) connectée entre la grille du premier transistor (MN2) et la ligne (L'i) correspondante. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la deuxième électrode du second transistor (MN1) est connectée à la ligne précédente (L'i-l). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits sont réalisés en utilisant du silicium polycristallin, du silicium amorphe, ou du silicium monocristallin. i 2. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les points élémentaires sont des cellules électro-optiques. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie des points élémentaires P'ij servent à moduler le courant d'excitation d'un matériau électroluminescent.