2-2液晶顯示器件驅(qū)動基礎(chǔ)

1、1液晶顯示液晶顯示模塊模塊的的基本基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n液晶顯示模塊（液晶顯示模塊（LCM）是一種將液晶顯示器件、連接件、集是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、成電路、PCB、背光源、結(jié)構(gòu)件裝配在一起的組件。背光源、結(jié)構(gòu)件裝配在一起的組件。液晶顯示器件：表面蒸鍍有液晶顯示器件：表面蒸鍍有ITO導(dǎo)電的玻璃基板、液晶、導(dǎo)電的玻璃基板、液晶、偏振片。偏振片。 連接件：導(dǎo)電橡膠、熱壓導(dǎo)電膠帶、連接件：導(dǎo)電橡膠、熱壓導(dǎo)電膠帶、TAB。集成電路：控制器、行和列集成電路：控制器、行和列驅(qū)動驅(qū)動器等。器等。PCB：電源、控制器、行和列電源、控制器、行和列驅(qū)動驅(qū)動器等的連接電路。器等的連接電路。背光源：背光源：LE

2、D、CCFL、EL 。結(jié)構(gòu)件：將上面各部件裝配在一起的結(jié)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件：將上面各部件裝配在一起的結(jié)構(gòu)件。2液晶顯示器件液晶顯示器件驅(qū)動基礎(chǔ)驅(qū)動基礎(chǔ)nLCD類型雖然很多，結(jié)構(gòu)也千差萬別，但它們的顯示原理是類型雖然很多，結(jié)構(gòu)也千差萬別，但它們的顯示原理是基本相同的，驅(qū)動方法也是基本一致的?；鞠嗤?，驅(qū)動方法也是基本一致的。n可以通過對液晶施加電場，使它的分子排列發(fā)生改變，從而可以通過對液晶施加電場，使它的分子排列發(fā)生改變，從而使液晶的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。這樣，就將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜凼挂壕У墓鈱W(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。這樣，就將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷墓庑盘??？梢姷墓庑盘枴由于液晶是有機(jī)化合物，在固定的電場作用下

3、將發(fā)生電化學(xué)由于液晶是有機(jī)化合物，在固定的電場作用下將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致液晶材料的老化及失效。反應(yīng)，從而導(dǎo)致液晶材料的老化及失效。n因此，施加在液晶上的電場應(yīng)為交流電場，從而將電化學(xué)反因此，施加在液晶上的電場應(yīng)為交流電場，從而將電化學(xué)反應(yīng)抵消掉或降到最低限度。這就大大增加了難度應(yīng)抵消掉或降到最低限度。這就大大增加了難度。研究表明，研究表明，長期應(yīng)用條件下，電信號的直流分量應(yīng)小于長期應(yīng)用條件下，電信號的直流分量應(yīng)小于50mV。n設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)者需要具有模擬電路、數(shù)字電路和單片機(jī)的基本知識。需要具有模擬電路、數(shù)字電路和單片機(jī)的基本知識。 3典型液晶顯示器件寫入機(jī)理典型液晶顯示器件寫入機(jī)理器件類別

4、寫入機(jī)理寫入特點(diǎn)在被寫入象素的兩電極間施加一大于閾值(Vth)的交流電壓信號，使象素電極之間的液晶分子由沿面排列變?yōu)榇姑媾帕校粡亩箖烧黄馄煌腹猓笏刈兂珊谏碗妷?、微功耗。視角小，響?yīng)速度慢；電光響應(yīng)曲線陡度低，因此不適于多路驅(qū)動；多用于段碼及低路數(shù)驅(qū)動的字符顯示在被寫入象素的兩電極間施加一大于閾值的交流電壓，使在電極之間摻有離子雜質(zhì)，排列整齊的液晶在離子流的驅(qū)動下形成一個個的液晶渦流（疇），由于這些渦流對外界光有強(qiáng)烈的散射作用，從而使原來透明的象素變成乳白色的散射象素屬電流效應(yīng)，電流較大；響應(yīng)速度慢，電光響應(yīng)曲線陡度低，不適于多路驅(qū)動；因其功耗較大，現(xiàn)已很少用4典型液晶顯示器件寫入機(jī)

5、理典型液晶顯示器件寫入機(jī)理器件類別寫入機(jī)理寫入特點(diǎn)在被寫入象素的兩電極間施加一大于閾值(Vth)的交流電壓信號，使摻有二向色染料，并呈平行沿面排列的液晶分子和染料分子變?yōu)榇怪庇诓ＡП砻妫捎诙蛏玖蠌牟煌较蚩搭伾煌?，顧可使象素部位改變顏色基本特性同TN型，電壓稍高，可實(shí)現(xiàn)單彩色顯示在被寫入象素的兩電極間施加一大于閾值的交流電壓，使在電極之間原來呈散射態(tài)的平面焦錐結(jié)構(gòu)排列的膽甾相液晶轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鲬B(tài)的垂面排列的向列相液晶，從而實(shí)現(xiàn)顯示有存儲性能，響應(yīng)快，對比度低5器件類別寫入機(jī)理寫入特點(diǎn)在被寫入象素的兩電極間施加不同幅值的交流電壓，會使電極間原來排列整齊的液晶分子出現(xiàn)不同程度的傾斜，因雙折射效

6、應(yīng)會使透過液晶盒的線偏振光變成橢圓偏振光，并與檢偏振片產(chǎn)生干涉，呈現(xiàn)出隨寫入電壓而改變的干涉色沒有閾值，可隨驅(qū)動電壓值改變顏色用一束足夠強(qiáng)的激光射向器件表面，使被射部分的液晶分子升溫至各向同性，在去除激光時，將該處極冷，則該處液晶分子呈焦錐結(jié)構(gòu)排列，呈乳白散射態(tài)，若在撤除激光時將該處漸冷，則此處液晶分子呈沿面或垂面排列，為透明態(tài)可用激光寫入，有存儲功能典型液晶顯示器件寫入機(jī)理典型液晶顯示器件寫入機(jī)理6器件類別寫入機(jī)理寫入特點(diǎn)在被寫入象素的兩電極間施加不同幅值的交流電壓，使電極之間原來呈180270度沿玻璃表面扭曲排列的液晶分子層中間部分的液晶分子變?yōu)閮A斜垂面排列，從而使透過該處的線偏振光變?yōu)闄E

7、圓偏振光，并在檢偏處形成干涉色，實(shí)現(xiàn)顯示電光響應(yīng)曲線陡度高，適用于多路動態(tài)驅(qū)動顯示；為有色顯示模式，經(jīng)濾色或使用延遲片后也可實(shí)現(xiàn)黑白顯示在被寫人像索前后電極之間施加上一個足夠大的交變電壓，使在電極間固化在聚合物中的液晶微珠中液晶分子按電場方向重新排列。從而使原呈乳白散射狀的像素，變成透明態(tài)驅(qū)動電壓較高，響應(yīng)速度可以很快，沒有明顯閾值，不適宜多路驅(qū)動典型液晶顯示器件寫入機(jī)理典型液晶顯示器件寫入機(jī)理7器件類別寫入機(jī)理寫入特點(diǎn)在被寫人像素電極上施加一個電壓脈沖，使在前后電極間原來呈近晶Cm相，且沿玻璃面排列的液晶態(tài)旋轉(zhuǎn)一個角，從而使通過的線偏振光被檢偏振片檢出，達(dá)到顯示目的;因液晶的初始排列和旋轉(zhuǎn)角

8、度后的排列都是穩(wěn)定態(tài)，故使器件具有雙穩(wěn)存儲特性具有雙穩(wěn)態(tài)存儲特性和磁滯曲線性響應(yīng)曲線。響應(yīng)速度快;具有一個記憶閾值，電光響應(yīng)陡度高。適宜實(shí)現(xiàn)高路數(shù)動態(tài)驅(qū)動以行掃描信號和列尋址信號控制作用于被寫人像素電極上的薄膜晶體管有源電路，使有源電路產(chǎn)生足夠大的通斷比(Ron/Roff)，從而間接控制像素電極間呈TN型的液晶分子排列。達(dá)到顯示目的經(jīng)TFT有源電路間接控制的TN型器件像素，可實(shí)現(xiàn)高路數(shù)多路顯示和視頻圖像顯示典型液晶顯示器件寫入機(jī)理典型液晶顯示器件寫入機(jī)理8LCD驅(qū)動方式驅(qū)動方式直接驅(qū)動法直接驅(qū)動法 (Direction Addressing)靜態(tài)驅(qū)動法 (Static Addressing)多

9、工驅(qū)動法 (Multiplex Addressing)有源矩陣驅(qū)動法有源矩陣驅(qū)動法 (Active Addressing)9直接驅(qū)動法 直接驅(qū)動法,是指驅(qū)動電壓直接施加于像素電極上,使液晶顯示直接對應(yīng)于所施加驅(qū)動電壓信號的一種驅(qū)動方法.由于它相對于有源驅(qū)動法中驅(qū)動電壓是施加于TFT等有源電路上，在間接對像素電極提供驅(qū)動電壓信號，故稱為直接驅(qū)動法。10靜態(tài)驅(qū)動法 靜態(tài)驅(qū)動是指在像素前后電極上施加電壓信號時則呈顯示狀態(tài)，不施加電壓時則呈非顯示狀態(tài)。11靜態(tài)驅(qū)動法靜態(tài)驅(qū)動法n靜態(tài)驅(qū)動法是獲得最佳顯示質(zhì)量的最基本的方法。它適用于靜態(tài)驅(qū)動法是獲得最佳顯示質(zhì)量的最基本的方法。它適用于筆段型液晶顯示器件的驅(qū)

10、動。筆段型液晶顯示器件的驅(qū)動。每段的背電極每段的背電極BP連接在一塊，而段電極相互獨(dú)立；連接在一塊，而段電極相互獨(dú)立；振蕩器的信號經(jīng)分頻后加到背電極振蕩器的信號經(jīng)分頻后加到背電極BP上，而段電極的脈上，而段電極的脈沖信號由顯示選擇信號沖信號由顯示選擇信號A與時序脈沖通過邏輯異或產(chǎn)生；與時序脈沖通過邏輯異或產(chǎn)生；A=“0”時，段電極信號與時，段電極信號與BP信號同相，該像素上電場信號同相，該像素上電場為零；為零；A=“1”時，段電極信號與時，段電極信號與BP信號反相，該像素信號反相，該像素上建立了交流電場，從而實(shí)現(xiàn)了顯示；上建立了交流電場，從而實(shí)現(xiàn)了顯示；適當(dāng)調(diào)整脈沖電壓，可改變對比度。適當(dāng)調(diào)整

11、脈沖電壓，可改變對比度。12序號異或門B端（LCD的COM）異或門A端（控制端）異或門輸出端（LCD的段端）1000210130114110AB13靜態(tài)驅(qū)動法靜態(tài)驅(qū)動法14靜態(tài)驅(qū)動法15靜態(tài)驅(qū)動法16棒狀模擬顯示靜態(tài)驅(qū)動法17動態(tài)驅(qū)動法n當(dāng)液晶顯示器件上顯示像素眾多時，把水平一組顯示像素的當(dāng)液晶顯示器件上顯示像素眾多時，把水平一組顯示像素的背電極都連在一起引出，稱之為掃描電極，把縱向一組顯示背電極都連在一起引出，稱之為掃描電極，把縱向一組顯示像素的段電極都連接起來一起引出，稱之為信號電極。像素的段電極都連接起來一起引出，稱之為信號電極。n驅(qū)動方式上則采用類似于驅(qū)動方式上則采用類似于CRT的掃描

12、方法。的掃描方法。 n液晶顯示器件上的每一個顯示像素都由其所在的行與列的位液晶顯示器件上的每一個顯示像素都由其所在的行與列的位置唯一確定。置唯一確定。n液晶顯示的掃描方法是循環(huán)地逐行給行電極施加選擇脈沖，液晶顯示的掃描方法是循環(huán)地逐行給行電極施加選擇脈沖，同時在列電極上給出該行顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的選通或非選通的同時在列電極上給出該行顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的選通或非選通的驅(qū)動信號，從而實(shí)現(xiàn)該行所有顯示像素的顯示。驅(qū)動信號，從而實(shí)現(xiàn)該行所有顯示像素的顯示。n這種掃描驅(qū)動方式就是動態(tài)驅(qū)動法。這種掃描驅(qū)動方式就是動態(tài)驅(qū)動法。18占空比 我們把所有掃描行電極各施加一次掃描電壓的時間叫一幀。 假設(shè)一幀的掃描行數(shù)為N，

13、掃描時間為1，那么一行所占有選擇時間為一幀時間的1/N。這就是液晶顯示驅(qū)動的占空比系數(shù)，也稱為占空比（Duty） ，一般占空比等于掃描電極數(shù)N的倒數(shù)，即1/N。19交叉效應(yīng) 在動態(tài)驅(qū)動方式下,某一液晶像素(選擇點(diǎn))呈顯示效果是由施加在行電極上的選擇電壓與施加在列電極上的選擇電壓的合成實(shí)現(xiàn)的. 與該像素不在同一行和同一列的像素(非選點(diǎn))都處在非選狀態(tài)下，與該像素在同一行或同一列的像素均有選擇電壓的加入，稱之為半選擇點(diǎn)。 該點(diǎn)的電場電壓處于液晶的閾值電壓附近時，屏上將出現(xiàn)不應(yīng)有的半顯現(xiàn)象，使得顯示對比度下降，這種現(xiàn)象叫做“交叉效應(yīng)”20平均電壓法21平均電壓法22偏壓 行半選點(diǎn)和非選點(diǎn)上的電壓均為

14、顯示電壓VLCD的1/a。這1/a就稱為偏壓系數(shù)，也稱為偏壓偏壓（Bias） 顯示亮度顯示亮度平均電壓法驅(qū)動工作電壓范圍平均電壓法驅(qū)動工作電壓范圍23最佳偏壓法作為選擇點(diǎn)時，在一幀時間內(nèi)，只有一行的時間施加電壓為V0，其余N1行時間內(nèi)施加電壓為 ，所以作為全選擇點(diǎn)的均方電壓為01VafttfrmsdtVtV02111)(11222020200NaaVNaVNVNVn341)(1212220202020aaNaVNaVNVaaNVff作為非選擇點(diǎn)時，在一幀時間內(nèi)，總有一行的時間處于半選擇點(diǎn)，施加的電壓為 ，其余N1行時間內(nèi)施加電壓為 ，所以作為半選擇點(diǎn)的均方電壓為01Va02Vaa24最佳偏壓法

15、 由于液晶對比度是透過率之比，透過率又正比于施加有效電壓值，所以讓我們用施加有效電壓比值來分析一下對比度(顯示質(zhì)量的重要標(biāo)志)與驅(qū)動路數(shù)N和偏壓比a之間的關(guān)系。12122NaNaVVoffon25最佳偏壓法 我們由上式作出有效電壓比Von/Voff和偏壓比a的關(guān)系曲線26最佳偏壓法1Na這就是有效電壓比Von/Voff最大時，偏壓比a必須滿足的條件我們把a(bǔ)代入前式，得11NNVVoffon27最佳偏壓法 我們把這個比值稱為優(yōu)值我們把這個比值稱為優(yōu)值。顯然，優(yōu)值與驅(qū)動路數(shù)關(guān)系密。顯然，優(yōu)值與驅(qū)動路數(shù)關(guān)系密切，下圖為優(yōu)值切，下圖為優(yōu)值與驅(qū)動路數(shù)與驅(qū)動路數(shù)N之間的關(guān)系曲線之間的關(guān)系曲線28最佳偏壓法

16、 從上圖可以看出不同占空比情況下分別對應(yīng)不同的最佳偏壓，所以我們稱之為最佳偏壓法。公式 被稱為多路驅(qū)動鐵的定律。1Na 從上面的關(guān)系可以看出隨著驅(qū)動路數(shù)N的增加，有效電壓比會減小，如上圖所示，它將急驟趨近于1。此時，顯示對比度將趨于0，使其不能識別。 為此，只有提高液晶顯示器件的閾值特性的陡度。因?yàn)橹挥性谝壕э@示器件電光響應(yīng)曲線很陡的情況下，當(dāng)選通有效電壓Von/非選通有效電壓Voff即使趨于1時，其電光效應(yīng)的通/斷透過值才能拉得很開，呈現(xiàn)好的對比度。29最佳偏壓法 為此，又引進(jìn)閾值陡度P:P=Vsa/Vth由前面的由前面的公式公式可以求出最大驅(qū)動路數(shù)可以求出最大驅(qū)動路數(shù)Nmax與陡度與陡度P

17、的關(guān)系的關(guān)系222max11PPN 由于液晶閾值和飽和電壓一般均由產(chǎn)品說明中給出，所以，該公式是設(shè)計(jì)點(diǎn)陣液晶顯示器件的主要依據(jù)。在液晶產(chǎn)品說明書中有時并不是Vsa, Vth，而是V10,V50,V90，它們分別代表了光電響應(yīng)10%,50%,90%時的電壓。而P值也不再用Vsa/Vth表示，而是用V90/V10表示。30常用偏壓法 偏壓法 這是鐘表上常用的一種動態(tài)驅(qū)動法。由于鐘表一般使用3位筆段形顯示，像素點(diǎn)不多，又是低壓驅(qū)動，所以使用兩路驅(qū)動即可以滿足要求。此時N為2,占空比為1/2，雖然用1/2偏壓不會實(shí)現(xiàn)最佳有效電壓比，但l/2偏壓卻使設(shè)置更簡潔、更適合于手表的低電壓。此外，因液晶的閾值陡

18、度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過兩路驅(qū)動的要求，所以使用1/2偏壓是完全合適的。31常用偏壓法 1/3偏壓法 作為計(jì)算器和儀表用液晶顯示器，一般都是多位筆段式顯示，有時位數(shù)多達(dá)10位以上，因此多用三路驅(qū)動、四路驅(qū)動方式。從最佳偏壓法得知，偏壓比為1/3時，本應(yīng)是1/4占空比才是最佳偏壓，但由于1/3占空比時的三路電極排布要比四路排布容易得多，而且三路電極排布還可以比四路電極排布多獲得一個顯示像素，所以一般均通用1/3偏壓,1/3占空比驅(qū)動法。32常用偏壓法 5級、6級偏壓法 作為點(diǎn)矩陣液晶顯示器件的驅(qū)動，所需行掃描占空比遠(yuǎn)比1/2,1/3要高得多，有時達(dá)100線至幾百線以上。以100線為例，其最佳偏壓比應(yīng)為1/1

19、1,因此若嚴(yán)格按最佳偏壓比設(shè)計(jì)，不僅會使行驅(qū)動與列驅(qū)動器驅(qū)動電壓相差很遠(yuǎn)，而且會增加電源電壓級別，這對行、列驅(qū)動器的設(shè)計(jì)、制造增添了麻煩，增加了成本，對電源的設(shè)計(jì)也會帶來麻煩。所以,對這種多路點(diǎn)陣液晶一般都偏離最佳偏壓法，使用5級或6級偏壓，并用極性倒相方式使行、列驅(qū)動電壓實(shí)現(xiàn)平衡。33灰度顯示法灰度顯示法灰度顯示法空間灰度調(diào)制空間灰度調(diào)制時間灰度調(diào)制時間灰度調(diào)制面積灰度調(diào)制面積灰度調(diào)制幀灰度調(diào)制幀灰度調(diào)制脈沖灰度調(diào)制脈沖灰度調(diào)制34灰度顯示法 空間灰度調(diào)制 將一個像素劃分為若干個單獨(dú)可控的“子像素”，控制子像素被選通數(shù)量，便可實(shí)現(xiàn)灰度顯示。35灰度顯示法這種方法是不需要特殊的驅(qū)動、控制技巧，

20、但有很大的缺點(diǎn)：不可能將一個像素分割成很多個子像素，因此不可能不可能將一個像素分割成很多個子像素，因此不可能 產(chǎn)生很多的灰度級；產(chǎn)生很多的灰度級；增加了微細(xì)加工的成本，或者以犧牲分辨率為代價(jià)；增加了微細(xì)加工的成本，或者以犧牲分辨率為代價(jià)；增加驅(qū)動、控制電路數(shù)量。增加驅(qū)動、控制電路數(shù)量。36 時間灰度調(diào)制 在一個時間單位內(nèi)，控制顯示像素選通、截止的時間長短，從而實(shí)現(xiàn)灰度顯示?；叶蕊@示法a) 幀灰度調(diào)制b) 以數(shù)幀為一個時間單元，控制顯示像素選通的幀數(shù)，即c) 可實(shí)現(xiàn)灰度調(diào)制。例如，取4幀為一個時間單位，從全部選d) 通到全部不選通可以實(shí)現(xiàn)5個灰度級別。e) 這種方法的缺點(diǎn)是會引起灰度級別的閃爍，

21、由于液晶f)相應(yīng)速度慢，不可能用增加幀頻來解決，所以必然導(dǎo)致活g) 動圖象顯示變得慢。37灰度顯示法b) 幀灰度調(diào)制c) 調(diào)制數(shù)據(jù)脈沖的寬度，即可以實(shí)現(xiàn)一個個像素上的灰度d) 調(diào)制。由于液晶對過窄的脈沖不能響應(yīng)，所以一般限于以4e) 位移位寄存器調(diào)制16級灰度，即列信號的寬度有16種組合。38提高大容量液晶顯示器件圖象質(zhì)量的方法 分割矩陣法39 多重矩陣法提高大容量液晶顯示器件圖象質(zhì)量的方法40 線反轉(zhuǎn)技術(shù)提高大容量液晶顯示器件圖象質(zhì)量的方法41 雙頻驅(qū)動法提高大容量液晶顯示器件圖象質(zhì)量的方法介電常數(shù)和42提高大容量液晶顯示器件圖象質(zhì)量的方法43有源矩陣驅(qū)動法 有源矩陣的驅(qū)動與前面所講直接驅(qū)動

22、方式不同。由于在有源矩陣液晶顯示器件每個像素點(diǎn)上都制作了一套有源器件，所以對這種器件的驅(qū)動是對每個像素點(diǎn)上有源器件的驅(qū)動，它的驅(qū)動原理與直接驅(qū)動法是不同的。 有源矩陣液晶顯示器件根據(jù)其有源器件的種類不同有三端型和兩端型，而且每一類型又因所用材料、工藝不同還可以分出若干類型。不過比較常用的，技術(shù)發(fā)展最成熟的是一種用薄膜晶體管制作的三端型有源矩陣型器件，通常稱為TFT液晶顯示器件。我們將以TFT為例介紹有源矩陣驅(qū)動法。44有源矩陣驅(qū)動法NNP金屬漏極柵極源極絕緣氧化物半導(dǎo)體GDS關(guān)斷時導(dǎo)通時45有源矩陣驅(qū)動法歸納起來場效應(yīng)管的工作特性如下：I.屬于電壓控制型；II.源極S和漏極D特性一樣，功能可以互換，源極S和漏極D之間電流方向隨它們之間電場方向的變化而變化。源極和漏極是在應(yīng)用電路中被定義的，一般將輸入信號端稱為源極S，將輸出信號端稱為漏極D。在TFT液晶顯示器中，一般將接數(shù)據(jù)驅(qū)動器端稱源極S，接像素端稱漏極D。III.導(dǎo)通電阻Ron