液晶显示器件驱动基础与基本结构

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,49,液晶显示模块,的,基本,结构,液晶显示模块（,LCM,）是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、,PCB,、背光源、结构件装配在一起的组件。,液晶显示器件：表面蒸镀有,ITO,导电的玻璃基板、液晶、偏振片。,连接件：导电橡胶、热压导电胶带、,TAB,。,集成电路：控制器、行和列,驱动,器等。,PCB,：电源、控制器、行和列,驱动,器等的连接电路。,背光源：,LED,、,CCFL,、,EL,。,结构件：将上面各部件装配在一起的结构件。,液晶显示器件驱动基础,LCD,类型虽然很多，结构也千差万别，但它们的显示原理是基本相同的，驱动方法也是基本一致的。,可以通过对液晶施加电场，使它的分子排列发生改变，从而使液晶的光学性质发生变化。这样，就将电信号转变为人眼可见的光信号。,由于液晶是有机化合物，在固定的电场作用下将发生电化学反应，从而导致液晶材料的老化及失效。,因此，施加在液晶上的电场应为交流电场，从而将电化学反应抵消掉或降到最低限度。这就大大增加了难度,。,研究表明，长期应用条件下，电信号的直流分量应小于,50mV,。,设计者,需要具有模拟电路、数字电路和单片机的基本知识。,典型液晶显示器件写入机理,器件类别,写入机理,写入特点,扭曲向列,(TN),型,在被写入象素的两电极间施加一大于阈值,(Vth),的交流电压信号，使象素电极之间的液晶分子由沿面排列变为垂面排列；从而使两正交偏光片不透光，象素变成黑色,低电压、微功耗。视角小，响应速度慢；电光响应曲线陡度低，因此不适于多路驱动；多用于段码及低路数驱动的字符显示,动态散射,(DS),型,在被写入象素的两电极间施加一大于阈值的交流电压，使在电极之间掺有离子杂质，排列整齐的液晶在离子流的驱动下形成一个个的液晶涡流（畴），由于这些涡流对外界光有强烈的散射作用，从而使原来透明的象素变成乳白色的散射象素,属电流效应，电流较大；响应速度慢，电光响应曲线陡度低，不适于多路驱动；因其功耗较大，现已很少用,典型液晶显示器件写入机理,器件类别,写入机理,写入特点,宾主,(GH),型,在被写入象素的两电极间施加一大于阈值,(Vth),的交流电压信号，使掺有二向色染料，并呈平行沿面排列的液晶分子和染料分子变为垂直于玻璃表面，由于二向色染料从不同方向看颜色不同，顾可使象素部位改变颜色,基本特性同,TN,型，电压稍高，可实现单彩色显示,相变,(PC),型,在被写入象素的两电极间施加一大于阈值的交流电压，使在电极之间原来呈散射态的平面焦锥结构排列的胆甾相液晶转变为透明态的垂面排列的向列相液晶，从而实现显示,有存储性能，响应快，对比度低,器件类别,写入机理,写入特点,电控双折射,(ECB),型,在被写入象素的两电极间施加不同幅值的交流电压，会使电极间原来排列整齐的液晶分子出现不同程度的倾斜，因双折射效应会使透过液晶盒的线偏振光变成椭圆偏振光，并与检偏振片产生干涉，呈现出随写入电压而改变的干涉色,没有阈值，可随驱动电压值改变颜色,热光写入型,用一束足够强的激光射向器件表面，使被射部分的液晶分子升温至各向同性，在去除激光时，将该处极冷，则该处液晶分子呈焦锥结构排列，呈乳白散射态，若在撤除激光时将该处渐冷，则此处液晶分子呈沿面或垂面排列，为透明态,可用激光写入，有存储功能,典型液晶显示器件写入机理,器件类别,写入机理,写入特点,超扭曲向列,(STN),型,在被写入象素的两电极间施加不同幅值的交流电压，使电极之间原来呈,180,270,度沿玻璃表面扭曲排列的液晶分子层中间部分的液晶分子变为倾斜垂面排列，从而使透过该处的线偏振光变为椭圆偏振光，并在检偏处形成干涉色，实现显示,电光响应曲线陡度高，适用于多路动态驱动显示；为有色显示模式，经滤色或使用延迟片后也可实现黑白显示,固态液晶膜,(PDLC),型,在被写人像索前后电极之间施加上,一个足够大的交变电压，使在电极,间固化在聚合物中的液晶微珠中液,晶分子按电场方向重新排列。从而,使原呈乳白散射状的像素，变成透,明态,驱动电压较高，响应速度可以很快，没有明显阈值，不适宜多路驱动,典型液晶显示器件写入机理,器件类别,写入机理,写入特点,铁电液晶,(FLC),型,在被写人像素电极上施加一个电压,脉冲，使在前后电极间原来呈近晶,Cm,相，且沿玻璃面排列的液晶态旋,转一个,角，从而使通过的线偏振,光被检偏振片检出，达到显示目的,;,因液晶的初始排列和旋转,角度后,的排列都是稳定态，故使器件具有,双稳存储特性,具有双稳态存储,特性和磁滞曲线,性响应曲线。响,应速度快,;,具有,一个记忆阈值，,电光响应陡度高。,适宜实现高路数,动态驱动,有源矩阵薄膜晶体管,(TFT),型,以行扫描信号和列寻址信号控制作,用于被写人像素电极上的薄膜晶体,管有源电路，使有源电路产生足够,大的通断比,(Ron/Roff),，从而间接控,制像素电极间呈,TN,型的液晶分子排,列。达到显示目的,经,TFT,有源电路,间接控制的,TN,型器件像素，可,实现高路数多路,显示和视频图像,显示,典型液晶显示器件写入机理,LCD,驱动方式,直接驱动法,(,Direction Addressing),静态驱动,法 (,Static Addressing),多工驱动,法 (,Multiplex Addressing),有源矩阵驱动法,(,Active Addressing),直接驱动,法,直接驱动法,是指驱动电压直接施加于像素电极上,使液晶显示直接对应于所施加驱动电压信号的一种驱动方法,.,由于它相对于有源驱动法中驱动电压是施加于,TFT,等有源电路上，在间接对像素电极提供驱动电压信号，故称为直接驱动法。,静态驱动,法,静态驱动是指在像素前后电极上施加电压信号时则呈显示状态，不施加电压时则呈非显示状态。,静态驱动法,静态驱动法是获得最佳显示质量的最基本的方法。它适用于笔段型液晶显示器件的驱动。,每段的背电极,BP,连接在一块，而段电极相互独立；,振荡器的信号经分频后加到背电极,BP,上，而段电极的脉冲信号由显示选择信号,A,与时序脉冲通过逻辑异或产生；,A=“0”,时，段电极信号与,BP,信号同相，该像素上电场为零；,A=“1”,时，段电极信号与,BP,信号反相，该像素上建立了交流电场，从而实现了显示；,适当调整脉冲电压，可改变对比度。,序号,异或门,B,端,（,LCD,的,COM,）,异或门,A,端（控制端）,异或门输出端（,LCD,的段端）,1,0,0,0,2,1,0,1,3,0,1,1,4,1,1,0,A,B,静态驱动法,静态驱动,法,静态驱动,法,棒状模拟显示静态驱动法,动态驱动,法,当液晶显示器件上显示像素众多时，把水平一组显示像素的背电极都连在一起引出，称之为扫描电极，把纵向一组显示像素的段电极都连接起来一起引出，称之为信号电极。,驱动方式上则采用类似于,CRT,的扫描方法。,液晶显示器件上的每一个显示像素都由其所在的行与列的位置唯一确定。,液晶显示的扫描方法是循环地逐行给行电极施加选择脉冲，同时在列电极上给出该行显示数据转换成的选通或非选通的驱动信号，从而实现该行所有显示像素的显示。,这种扫描驱动方式就是动态驱动法。,占空比,我们把所有扫描行电极各施加一次扫描电压的时间叫一帧。,假设一帧的扫描行数为,N,，扫描时间为,1,，那么一行所占有选择时间为一帧时间的,1/N,。这就是液晶显示驱动的占空比系数，也称为,占空比（,Duty,）,，一般占空比等于扫描电极数,N,的倒数，即,1/N,。,交叉效应,在动态驱动方式下,某一液晶像素,(,选择点,),呈显示效果是由施加在行电极上的选择电压与施加在列电极上的选择电压的合成实现的,.,与该像素不在同一行和同一列的像素,(,非选点,),都处在非选状态下，与该像素在同一行或同一列的像素均有选择电压的加入，称之为,半选择点,。,该点的电场电压处于液晶的阈值电压附近时，屏上将出现不应有的半显现象，使得显示对比度下降，这种现象叫做“,交叉效应,”,平均电压法,平均电压法,偏压,行半选点和非选点上的电压均为显示电压,V,LCD,的,1/a,。这,1/a,就称为偏压系数，也称为,偏压,（,Bias,）,显示亮度,平均电压法驱动工作电压范围,最佳偏压法,作为选择点时，在一帧时间内，只有一行的时间施加电压为,V,0,，其余,N,1,行时间内施加电压为 ，所以作为全选择点的均方电压为,作为非选择点时，在一帧时间内，总有一行的时间处于半选择点，施加的电压为 ，其余,N,1,行时间内施加电压为 ，所以作为半选择点的均方电压为,最佳偏压法,由于液晶对比度是透过率之比，透过率又正比于施加有效电压值，所以让我们用施加有效电压比值来分析一下对比度,(,显示质量的重要标志,),与驱动路数,N,和偏压比,a,之间的关系。,最佳偏压法,我们由上式作出有效电压比,Von/Voff,和偏压比,a,的关系曲线,最佳偏压法,这就是有效电压比,Von/Voff,最大时，偏压比,a,必须满足的条件,我们把,a,代入前式，得,最佳偏压法,我们把这个比值称为优值,。显然，优值与驱动路数关系密切，下图为优值,与驱动路数,N,之间的关系曲线,最佳偏压法,从上图可以看出不同占空比情况下分别对应不同的最佳偏压，所以我们称之为,最佳偏压法,。公式 被称为多路驱动铁的定律。,从上面的关系可以看出随着驱动路数,N,的增加，有效电压比会减小，如上图所示，它将急骤趋近于,1,。此时，显示对比度将趋于,0,，使其不能识别。,为此，只有提高液晶显示器件的阈值特性的陡度。因为只有在液晶显示器件,电光响应曲线很陡,的情况下，当选通有效电压,Von/,非选通有效电压,Voff,即使趋于,1,时，其电光效应的通,/,断透过值才能拉得很开，呈现好的对比度。,最佳偏压法,为此，又引进阈值陡度,P:,P=Vsa/Vth,由前面的,公式,可以求出最大驱动路数,Nmax,与陡度,P,的关系,由于液晶阈值和饱和电压一般均由,产品说明,中给出，所以，该公式是,设计点阵液晶显示器件的主要依据,。在液晶产品说明书中有时并不是,Vsa, Vth,，而是,V,10,V,50,V,90,，它们分别代表了光电响应,10%,50%,90%,时的电压。而,P,值也不再用,Vsa/Vth,表示，而是用,V,90,/V,10,表示。,常用偏压法,偏压法,这是钟表上常用的一种动态驱动法。由于钟表一般使,用,3,位笔段形显示，像素点不多，又是低压驱动，所以,使用两路驱动即可以满足要求。此时,N,为,2,占空比为,1/2,，,虽然用,1/2,偏压不会实现最佳有效电压比，但,l/2,偏压却使,设置更简洁、更适合于手表的低电压。此外，因液晶的,阈值陡度已远远超过两路驱动的要求，所以使用,1/2,偏压,是完全合适的。,常用偏压法,1/3,偏压法,作为计算器和仪表用液晶显示器，一般都是多位笔段式显示，有时位数多达,10,位以上，因此多用三路驱动、四路驱动方式。从最佳偏压法得知，偏压比为,1/3,时，本应是,1/4,占空比才是最佳偏压，但由于,1/3,占空比时的三路电极排布要比四路排布容易得多，而且三路电极排布还可以比四路电极排布多获得一个显示像素，所以一般均通用,1/3,偏压,1/3,占空比驱动法。,常用偏压法,5,级、,6,级偏压法,作为点矩阵液晶显示器件的驱动，所需行扫描占空比远比,1/2,1/3,要高得多，有时达,100,线至几百线以上。以,100,线为例，其最佳偏压比应为,1/11,因此若严格按最佳偏压比设计，不仅会使行驱动与列驱动器驱动电压相差很远，而且会增加电源电压级别，这对行、列驱动器的设计、制造增添了麻烦，增加了成本，对电源的设计也会带来麻烦。所以,对这种多路点阵液晶一般都偏离最佳偏压法，使用,5,级或,6,级偏压，并用极性倒相方式使行、列驱动电压实现平衡。,灰度显示法,灰度显示法,空间灰度调制,时间灰度调制,面积灰度调制,帧灰度调制,脉冲灰度调制,灰度显示法,空间灰度调制,将一个像素划分为若干个单独可控的“子像素”，控制子像,素被选通数量，便可实现灰度显示。,灰度显示法,这种方法是不需要特殊的驱动、控制技巧，但有很大的,缺点：,不可能将一个像素分割成很多个子像素，因此不可能,产生很多的灰度级；,增加了微细加工的成本，或者以牺牲分辨率为代价；,增加驱动、控制电路数量。,时间灰度调制,在一个时间单位内，控制显示像素选通、截止的时间长短，从而实现灰度显示。,灰度显示法,帧灰度调制,以数帧为一个时间单元，控制显示像素选通的帧数，即,可实现灰度调制。例如，取,4,帧为一个时间单位，从全部选,通到全部不选通可以实现,5,个灰度级别。,这种方法的缺点是会引起灰度级别的闪烁，由于液晶,相应速度慢，不可能用增加帧频来解决，所以必然导致活,动图象显示变得慢。,灰度显示法,帧灰度调制,调制数据脉冲的宽度，即可以实现一个个像素上的灰度,调制。由于液晶对过窄的脉冲不能响应，所以一般限于以,4,位移位寄存器调制,16,级灰度，即列信号的宽度有,16,种组合。,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,分割矩阵法,多重矩阵法,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,线反转技术,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,双频驱动法,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,介电常数,和,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,有源矩阵驱动法,有源矩阵的驱动,与前面所讲直接驱动方式不同。由于在有源矩阵液晶显示器件每个像素点上都制作了一套有源器件，所以对这种器件的驱动是对每个像素点上有源器件的驱动，它的驱动原理与直接驱动法是不同的。,有源矩阵液晶显示器件根据其有源器件的种类不同有三端型和两端型，而且每一类型又因所用材料、工艺不同还可以分出若干类型。不过比较常用的，技术发展最成熟的是一种用薄膜晶体管制作的三端型有源矩阵型器件，通常称为,TFT,液晶显示器件。我们将以,TFT,为例介绍有源矩阵驱动法。,有源矩阵驱动法,N,N,P,金属,漏极,栅极,源极,绝缘氧化物,半导体,G,D,S,关断时,导通时,有源矩阵驱动法,归纳起来场效应管的工作特性如下：,属于电压控制型；,源极,S,和漏极,D,特性一样，功能可以互换，源极,S,和漏极,D,之间电流方向随它们之间电场方向的变化而变化。源极和漏极是在应用电路中被定义的，一般将输入信号端称为源极,S,，将输出信号端称为漏极,D,。在,TFT,液晶显示器中，一般将接数据驱动器端称源极,S,，接像素端称漏极,D,。,导通电阻,Ron,和关断电阻,Roff,：,导通电阻,Ron,为源极,S,和漏极,D,之间导通时的电阻，它随栅极电压的增加而减小；关断电阻,Roff,为栅极,G,和源极,S(,或漏极,),之间的电阻，具有非常大的阻值，在,10,7,以上。,有源矩阵驱动法,TFT,工作原理,S,源极,(,数据信号输入端,),G,栅极,(,扫描信号输入端,),P,漏极,(,场效应管输出端,),C,补偿电容,单个,TFT,像素的等效电路,源,-,漏之间电阻满足：,R,on,3.3,10,11,时,，,R,LC,10,6,当,TFT,处于开态,ON,时，在液晶,层两端就可以施加上一个驱动电压,有源矩阵驱动法,典型的,-SiTFT,的特性曲线,有源矩阵驱动法,T,0,Tc,V,c,V,LD,V,G,TFT,驱动时序波形图,V,G,栅极扫描信号,V,LD,源极数据寻址信号,Vc,图象信号的中心电位,T,0,数据信号周期,T,1,选通时间,T,2,非选通时间,场效应管,TFT,是这样工作的，当,TFT,栅极,G,扫描被选通时，,V,G,被接入一个正高压脉冲，此时同步输人选址的源极信号是一个围绕一个中心值,Vc,的永远低于,V,G,选通脉冲幅值的选址数据电压,V,LD, TFT,场效应管被打开。从源极到接通液晶像素的漏极之间呈一通路，电压被加到液晶像素电极和补偿电容电极上。,有源矩阵驱动法,这时，即使施加电场撤掉，由于电容作用，其像素上施加的电压也将保持相当时间,.,直至下次选通的到来。若设置的电容值使其像素选通达半帧时间，同时使下半帧寻址信号以,Vc,进行反相，则可以实现,:,(1),使加在像素上的驱动波形呈交流态。,(2),驱动路数与,TFT,晶体管特性有关，而与液晶电光响应特性无关。这将彻底解决了液晶多路驱动的难题。,(3),从图中还可看出，这种驱动方式没有半选通波形，因此也就没有交叉效应以及对比度下降等缺陷。,(4),此外，这种驱动也不受液晶电光响应速度的影响，可以显示视频活动图像，没有闪烁也没有拖尾。,