LCD液晶顯示器的驅(qū)動方式及原理課件

1、液晶顯示器驅(qū)動系統(tǒng)講師 :課程大綱液晶物質(zhì)簡介液晶的電光效應(yīng)液晶基本驅(qū)動原理STN LCDs 驅(qū)動原理TFT LCDs 驅(qū)動原理影響TFT LCDs 畫面品質(zhì)的因素Driver IC 簡介TFT LCDs 模組及介面技術(shù)簡介第1頁，共100頁。液晶物質(zhì)的相變化固體結(jié)晶液晶液體加熱加熱冷卻冷卻第2頁，共100頁。液晶分子的種類Smectic LC 層狀液晶Nematic LC 線狀液晶Cholesteric LC膽固醇狀液晶第3頁，共100頁。液晶分子的排列CrystallineLiquid CrystallineLiquid K SmC SmA N LBiaxialUnaxialIsotrop

2、icTemperature第4頁，共100頁。液晶的分類第5頁，共100頁。液晶的電光特性異向性 (Anisotropic)排列因數(shù) ( )折射率 ( ) 黏滯係數(shù) ( )介電係數(shù) ( )電導(dǎo)係數(shù) 磁化率彈性係數(shù) ( )第6頁，共100頁。液晶的光學(xué)特性O(shè)ptical PositiveOptical NegativeHelical AxisOptical AxisOptical Axis第7頁，共100頁。液晶驅(qū)動原理電極電極液晶Field OFFField ON第8頁，共100頁。液晶顯示器主要優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)低電壓驅(qū)動。低消耗電流。體積薄，重量輕?？蓪?shí)現(xiàn)大面積化。彩色化容易。缺點(diǎn)視角限制。外加被

3、光源或投射光源。溫度操作範(fàn)圍限制。第9頁，共100頁。液晶顯示器的種類 液晶顯示器扭轉(zhuǎn)型 (Twinst Nematic, TN) 1971超扭轉(zhuǎn)型 (Super Twinst Nematic, STN) 1984 雙層雙扭轉(zhuǎn)型 (Double Layer STN, DSTN)1987 光相位補(bǔ)償超扭轉(zhuǎn)型 (Film STN, FSTN)1988 主動驅(qū)動超扭轉(zhuǎn)型 (AASTN or MLS STN) 1992強(qiáng)介電型 (Ferroelectric Liquid Crystal : FLC) 1980PDLC (Polymer Dispersive LC) 1988 PSCT (Polymer

4、 Stabilized Cholesteric Texture) 1993Other DS (Dynamic Scattering) 1968 PC (Phase Change) 1968 GH (Guest Host) 1968 ECB (Elcetrical Control Birefregency) 1971BTN (Bistable Twist Nematic) 1995IPS (In Plane Switch) 1995VA (Vertical Alignment)1996第10頁，共100頁。TN 型 LCDs 顯示原理Twist 90液晶分子Field OFFField ON利用

5、液晶的旋光特性調(diào)變穿透光線液晶的旋光特性消失第11頁，共100頁。STN LCDs 顯示原理Twist 270液晶分子Field OFFField ON利用液晶的雙折射特性調(diào)變穿透光線第12頁，共100頁。TN & STN 電光轉(zhuǎn)移曲線V-T Curve100%90%10%VnsSTN VsSTNVsTNVnsTNTV第13頁，共100頁。TN 與 STN 的電壓漂移T100%VTN ModeT100%VSTN Mode第14頁，共100頁。LCDs 驅(qū)動方式直接驅(qū)動法 (Direction Addressing)靜態(tài)驅(qū)動法 (Static Addressing)多工驅(qū)動法 (Multiple

6、x Addressing)主動驅(qū)動法 (Active Addressing / Multi-Line Selection)主動矩陣驅(qū)動法 (Active Matrix Addressing)兩端元件 (MIM, Diode.)三端元件 (A-Si:H TFT, Ploy-Si TFT .)Plasma Addressing (PALC)熱掃描驅(qū)動法 (雷射掃描)光掃描驅(qū)動法 (電子速掃描第15頁，共100頁。LCDs 靜態(tài)驅(qū)動法LC CellXORVsVcVsigVcVsigVcVsVc-VsONOFF第16頁，共100頁。多工驅(qū)動法 (振幅選擇驅(qū)動法, APT)1 2 3 4N 1 2 3F

7、rame 1Frame 2F0DT水平掃描訊號+D-D0垂直影像訊號Row 1Row 2Row 3Row NColumn 1ONOFFONOFFF+DF-DF+DF-D+D-D0+D-D0+D-D0+D-D01 2 3 4NFrame 1液晶畫素電壓T第17頁，共100頁。多工驅(qū)動法的限制1.0100200第18頁，共100頁。APT 驅(qū)動波形第19頁，共100頁。IAPT 驅(qū)動波形APT AddressingIAPT Addressing第20頁，共100頁。APT 與 IAPT 方式比較APT AddressingLow Voltage Segment Driver :

8、2DHigh Voltage Common Driver : 2FIAPT AddressingOffset +D for Positive PolarityOffset +F for Negative PolarityVoltage Range of Segment Driver : F+DVoltage Range of Common Driver : F+D第21頁，共100頁。高容量多工驅(qū)動的對策(a)(b)(c)(d)(e)第22頁，共100頁。STN LCDs 規(guī)格Operation Voltage Vop :Bias Ratio : Steepness : Selection R

9、atio : 第23頁，共100頁。STN LCDs 驅(qū)動電壓計(jì)算If Voff=2V, N=240 rows, Then : APT : Segment Driver : 2.96V, Common Driver : 44.40VIAPT : Segment & Common Drivers : 23.68V第24頁，共100頁。STN LCDs Drivers 架構(gòu).移位暫存器(Shifter Register)DCLK串列輸入訊號.閂鎖暫存器(Latch Register)LPF+D 0F-D 2D偏壓位準(zhǔn).DF(HLHL.H).HLHH並列輸出垂直訊號電極2D02D2DIAPT 參考電

10、壓IAPT 驅(qū)動 IC第25頁，共100頁?；译A顯示 FRCFrame Rate Control, FRC : 第26頁，共100頁?；译A顯示 PWMPulse Width Modulation, PWM :第27頁，共100頁?；译A顯示 PHMPulse High Modulation, PHM : 第28頁，共100頁。液晶的頻率響應(yīng)第29頁，共100頁。Vertical Crosstalk of STN LCDs第30頁，共100頁。Vertical Crosstalk 的抑制 (一)每兩條水平線變換一次驅(qū)動電壓極性第31頁，共100頁。Vertical Crosstalk 的抑制 (二

11、)採用補(bǔ)償驅(qū)動週期第32頁，共100頁。Vertical Crosstalk 的抑制 (三)一條水平掃描線的掃描週期分割成兩部份，一半的掃描時(shí)間是採用正極性的驅(qū)動訊號，另一半的時(shí)間是採用負(fù)極性的驅(qū)動訊號。第33頁，共100頁。Horizontal Crosstalk of STN LCDs垂直驅(qū)動訊號L Line水平掃描波形液晶畫素波形(a)(b)(c)(d)ABABL第34頁，共100頁。Horizontal Crosstalk 的抑制垂直驅(qū)動訊號L Line水平掃描波形液晶畫素波形(a)(b)(c)(d)傳統(tǒng)驅(qū)動方式水平掃描補(bǔ)償波形補(bǔ)償之液晶畫素波形(e)(f)GVLAB第35頁，共100

12、頁。Frame Response of STN LCDs第36頁，共100頁。Active Addressing for STN LCDs第37頁，共100頁。Active Addressing 驅(qū)動電壓If Voff=2V, N=240 rows, Then :F = 0.730 X 2V = 1.460V|G| = 0.954 X 2V = 21.909VOutput Range of Segment Driver is about 44V.Common Driver of Common Driver is about 3V.第38頁，共100頁。Segment Voltage of Ac

13、tive Addressing第39頁，共100頁。Active Addressing 的矩陣運(yùn)算列向量（Column）時(shí)間（Time）行向量（Row）Bit-Map Image MatrixRow Function Matrix時(shí)間（Time）列（Column）Column Voltage Matrix第40頁，共100頁。矩陣運(yùn)算方式行（Row）行向量（Row）列向量（Column）Bit-Map Image MatrixRow Vector時(shí)間（Time）列（Column）Time = Dtk行向量（Row）列向量（Column）第j列Row Function Matrix時(shí)間（Time

14、）列（Column）Column Vector垂直序列運(yùn)算Column Sequential時(shí)間序列運(yùn)算Time Sequential第41頁，共100頁。Column Sequential 硬體架構(gòu) NM圖框記憶體 NM圖框記憶體影像資訊 輸入IjNXOR陣列N加法邏輯陣列NM STN LCDs液晶層間隙4.5um液晶材料：低黏滯係數(shù)水平驅(qū)動函數(shù)唯讀記憶體Row Function ROMNSTN LCDs垂直驅(qū)動晶片TFT LCDs 垂直驅(qū)動晶片1轉(zhuǎn)2多工器2轉(zhuǎn)1解多工器第42頁，共100頁。Time Sequential 硬體架構(gòu) NM圖框記憶體 NM圖框記憶體影像資訊 輸入IjNXOR陣

15、列N加法邏輯陣列水平驅(qū)動函數(shù)唯讀記憶體Row Function ROMN1轉(zhuǎn)2多工器2轉(zhuǎn)1解多工器NM圖框緩衝記憶體NM圖框緩衝記憶體NM STN LCDs液晶層間隙4.5um液晶材料：低黏滯係數(shù)STN LCDs垂直驅(qū)動晶片TFT LCDs 垂直驅(qū)動晶片N第43頁，共100頁。主動矩陣式液晶顯示器AM-LCDs第44頁，共100頁。TFT LCDs 等效電路Row DriversColumn Driver第45頁，共100頁。Arrangement of Color Filter R G B R G BR G B R G BR G B R G BRBGRGBRBGRBGRGBRBGRBGRGB

16、RBGRGGBRGGBRGGBRGGBRGWBRGWBRGWBRGWBStripe Triangle 第46頁，共100頁。Pixel Structure of TFT LCDs第47頁，共100頁。Cs on Common 與 Cs on Gate 架構(gòu)液晶畫素TFTGate LineData LineCsCs液晶畫素TFTCommonCommonGate LineData LineCsCs Cs on CommonCs on Gate第48頁，共100頁。Timing Chart of TFT LCDsFrame TimeGate123NTime第49頁，共100頁。TFT LCDs Dr

17、iving MethodColumn InversionDot InversionRow InversionFrame Inversion第50頁，共100頁。Direct Driving of TFT LCDs DC Bias of CommonGrayScale Voltage V0V1V2V3V4V5V6V7V7V6V5V4V3V2V1V01 Frame / 1 Line第51頁，共100頁。AC Modulation Addressing of TFT LCDsV0V1V2V3V4V5V6V7V7V6V5V4V3V2V1V0Common WaveformGraylevel Voltag

18、e1Frame / 1 Line第52頁，共100頁。TFT LCDs 的電光效應(yīng)Direct Addressing第53頁，共100頁。TFT LCDs 的電光效應(yīng)AC Addressing第54頁，共100頁。TFT LCDs Driving Waveform Cs on Common (一)TFT LCD 驅(qū)動波形 (Cs on Common, Common = DC Bias)第55頁，共100頁。TFT LCDs Driving Waveform Cs on Common (二)第56頁，共100頁。TFT LCDs Driving Waveform Cs on Gate 第57頁，

19、共100頁。TFT 電容效應(yīng)的影響PixelCgdCgsCsdCsdbCsdb第58頁，共100頁。液晶電容的效應(yīng)液晶電容 CLC 會隨液晶作用電壓的改變而變化，因此在驅(qū)動液晶時(shí)會有殘存的 DC 成份，其所造成的影響：Image Sticking.Picture Flicker.液晶作用電壓大時(shí)，液晶分子趨向平行電場方向排列：液晶作用電場小時(shí)，液晶分子趨向垂直電場方向排列：第59頁，共100頁。二階驅(qū)動方式的效應(yīng)CsClcCgdCsdCgsVctCh(N-1)Ch(N)Vs垂直影像訊號水平掃描訊號Vg水平掃描訊號VgVshVslVstVthVth正極性驅(qū)動負(fù)極性驅(qū)動負(fù)極性驅(qū)動正極性驅(qū)動資料驅(qū)動

20、晶片輸出訊號電位液晶畫素電位Vct=Vst-VpVpBlack(+)White(+)White(+)Black(+)Black(-)Black(-)White(-)White(-)第60頁，共100頁。TFT 補(bǔ)償驅(qū)動法Ch(N-1)Ch(N)Vst=Vct影像訊號波形 Vs水平脈波掃描波形VgeVgeVghlCh(N-1)Ch(N)Vst影像訊號波形VsVge(+)Vge(-)VghlVghl3 Level Addressing4 Level Addressing第61頁，共100頁。3 Level AddressingB(+)W(-)B(-)W(+)正極性負(fù)極性Vst=VctB(+)B(-

21、)W(+)W(-)B(+)W(-)B(-)W(+) Vp=CgdVghl/Ct正極性負(fù)極性正極性Ct=Cs+Clc+Cgd負(fù)極性CsVge/CtCsVge/Ct第62頁，共100頁。4 Level AddressingVst=VctB(+)B(-)B(-)B(+)W(+)W(+)W(-)W(-)B(+)W(-)B(-)W(+)Vp(+)Vp(-)Vp=CgdVghl/CtCsVge(-)/CtCsVge(+)/Ct正極性負(fù)極性正極性負(fù)極性Ct=Cs+Clc+Cgd第63頁，共100頁。Cs on Gate 電壓補(bǔ)償方式經(jīng)由 Cs 將前一條水平脈波的補(bǔ)償波形耦合到動作的液晶畫素, 補(bǔ)償 Cgd

22、造成的電壓漂移及改善液晶畫素內(nèi)的直流電電壓殘餘. 經(jīng)由 TFT 的 Cgd 造成的電壓漂移經(jīng)由 TFT 的 Cgd 造成的電壓漂移第64頁，共100頁。Comparsion of Addressing Method第65頁，共100頁。Horizontal Line CrosstalkABCscCscCscTFT SubstrateColor Filter Substrate第66頁，共100頁。Horizontal Area CrosstalkAB第67頁，共100頁。Vertical Area CrosstalkUpLowUpLow第68頁，共100頁。Shading Crosstalk第

23、69頁，共100頁。Shading Crosstalk 的抑制第70頁，共100頁。Gate Pulse 的傳遞延遲Gate (Scan) Line 的等效阻抗為一連串的串聯(lián) RC 網(wǎng)路，因此 Gate Pulse 在傳遞時(shí)會造成波形的傳遞延遲失真。RCRCRCRCN第71頁，共100頁。液晶畫素邊際電場效應(yīng)(一)Reverse Tilt畫素電極鄰近電極共通電極VPVLVAVA VL : Disclination DisappearedVP LC Threshold VoltageReverse Tilt 第72頁，共100頁。液晶畫素邊際電場效應(yīng)(二)TFT水平驅(qū)動電極垂直驅(qū)動電極Rubbi

24、ngDirectionDisclinationLineReverse TiltDomain改善方法1.增加液晶分子的 預(yù)傾角(Pretilt Angle)2.增加 Black Mask 的 遮蔽面積第73頁，共100頁。驅(qū)動 IC Scan DriverBidirectional Shift RegisterLevel Shift CircuitOutput BufferG1 G2 G3 .STVRSTVLCPVR/LVDDDVSSDVDDAVSSASTVRSTVLG1G2Gx第74頁，共100頁。Serial In Serial Out Analog Data DriverSelectDat

25、a jData j+1MultiplexerPro:Very simple. Fewer external connections.Con:Many analog inputs. Reduced pixel charging time.System Note : Sample clock : (Dot clock) / N, N Phases. Video Phase : NShift RegisterVideo InQiQi+1Variation on MultiplexerPro:Video Input.Con:Fast data line charging needed. Reduced

26、 pixel charging time.System Note: Shift Clock : (Dot Clock) / 3 for Mono. Video Phase : 3 for Mono.Sample and Hold第75頁，共100頁。Serial In Parallel OutAnalog Data Driver (一)Shift RegisterQiQi+1Qi+2Qi+3Video InTransferDouble Sample and Hold / Single PhaseSample NSample N+1Sample N+2TTTNN+1N+2Out N-1Out N

27、Out N+1Pro:Video Input. Small load on fast sample-and-holds. Full line time to charge pixel.Con:Complex analog circuit. Physical size.System Note : Shift Clock : Dot Clock. Video Phase : Single Phase.第76頁，共100頁。Serial In Parallel OutAnalog Data Driver (二)Shift RegisterQiQi+1Video InTransferDouble Sa

28、mple and Hold / Multi-PhasePor : Reduced operation frequency .System Note :Video In : NVideo Phase : NShift Clock : (Dot Clock) / N.第77頁，共100頁。Digital Data Driver (一)Shift RegisterDACDACDACDACDAC Serial Data BusDigital-to-analog ConvertersPor : Digital input.Con : Complex. Requires sufficient precis

29、ion to correct for LC response variation.Shift RegisterCountCountCountCountCountRamp InSampled RampPor : Digital input. Programmable ramp.Con : Complex circuit. High speed digital circuits. Reduced pixel charging time.第78頁，共100頁。Digital Data Driver (二)Shift RegisterDecodeDecodeExternal Fixed voltage

30、s1-of-n SelectorSimple DACPro : Digital input. Programmable external voltages.Con : Complex circuit. High speed digital circuits. Many pass gates per data line.第79頁，共100頁。Digital Data Driver (三)All Digital Circuit 第80頁，共100頁。Gamma Correction of LCDXY取像元件取像電路顯像電路顯像元件攝像機(jī)測受像機(jī)測Analog Correction : 2 3 Se

31、gment Approach.Digital Correction : External fixed voltage. 第81頁，共100頁。Gamma Correction Simple CaseXY取像元件取像電路顯像電路顯像元件攝像機(jī)測受像機(jī)測TransmissionVoltage第82頁，共100頁。The Block Diagram of the TFT LCD ModuleCCFL BacklightTFT-LCDPANELTiming ControllerScan DriverData DriverRGBCLKHsxVsxTFTLCD Module第83頁，共100頁。The T

32、FT LCD Module TypeClassified into two kinds by data driverAnalog type TFT-LCD moduleThe analog data driversThe analog interface to PCOnly NECDigital type TFT-LCD moduleThe digital data driversThe ADC/ LVDS/PanelLink interface to PCMainstream第84頁，共100頁。The Analog InterfaceGraphicsControllerTFT-LCDPAN

33、ELTiming ControllerScan DriverAnalog Data DriverHsVsAnalogRGBAnalogRGBCLKHsxVsxPreAmpLevelShifterControllerPLLPCAnalog ModuleTFTLCD ModuleOSDCCFL Backlight第85頁，共100頁。The ADC InterfaceGraphicsControllerTFT-LCDPANELTiming ControllerScan DriverDigital Data DriverHsVsAnalogRGBDigitalRGBCLKHsxVsxADCBuffe

34、rControllerPLLPCADC ModuleTFTLCD ModuleOSDCCFL Backlight第86頁，共100頁。The LVDS/PanelLink InterfaceGraphicsControllerLVDS/PanelLinkTxLVDS/PanelLinkRxTFT-LCDPANELTiming ControllerScan DriverCABLEClockHsVsDigitalRGBDigitalRGBClockHsVsPCTFT-LCD ModuleDigital Data DriverCCFL Backlight第87頁，共100頁。Analog/ADC/L

35、VDS/PanelLinkAnalog InterfaceTrue ColorSampling Error Low Edge SharpnessNoise in the Analog Signal Transmission第88頁，共100頁。Analog/ADC/LVDS/PanelLinkADC InterfaceMainstream in the Desktop LCD Monitor InterfaceSampling Error Low Edge SharpnessNoise in the Analog Signal TransmissionEMI Issue for High Re

36、solution FormatLow Image Quality and High Cost第89頁，共100頁。Analog/ADC/LVDS/PanelLinkLVDS InterfaceMainstream in the Notebook PC InterfaceHigh Edge SharpnessReducing EMI & Number of Cable LineHigh Image Quality and Low CostShort Transmission Length & Low Noise MarginCompatible Issue第90頁，共100頁。PanelLink

37、 InterfaceApplication in the Desktop LCD Monitor InterfaceHigh Edge SharpnessReducing EMI & Number of Cable LineHigh Image Quality and Low CostSecond Supply Source IssueAnalog/ADC/LVDS/PanelLink第91頁，共100頁。TFT Module 設(shè)計(jì)考慮(一)顯示的影像訊號時(shí)序規(guī)格(Image Format)圖框重複率(Frame Rate)水平掃描線掃描時(shí)間TFT 的 ION/IOFF 電流水平掃描脈線的RC

38、時(shí)間常數(shù)灰階誤差直流漂移第92頁，共100頁。TFT Module 設(shè)計(jì)考慮(二)選擇適合的驅(qū)動方式(Cs on Gate or COM)選擇適合的極性轉(zhuǎn)換方式驅(qū)動IC(Scan & Source)的選取TFT LCDs 模組介面技術(shù)的選擇第93頁，共100頁。大面積高解析度 TFT LCDs 的開口率影響因素大尺寸面積增加水平驅(qū)動電極阻值增加水平驅(qū)動波形的時(shí)間常數(shù)增加水平掃描線減少液晶畫素的有效充放電時(shí)間增加解析度增加 Cgd/CLC的比值增加 Vgd 增加 Reverse Tilt Domain 與畫素面積的比例增加 Black Matrix 的遮蔽面積降低畫面品質(zhì)增加水平驅(qū)動電極的寬度增

39、加 TFT 的尺寸增加儲存電容 CS 的面積降低開口率第94頁，共100頁。Plasma Addressing LCDsCathode-200VAnode0-200Negative ClowPositive ColumnFaraday DarkCathodeAnode-200V VirtualConnectionSamplingCapacitorAnalogSignal第95頁，共100頁。In-Plane-Switch Mode LCDs偏光版解偏版液晶分子作用電極玻璃基板入射光作用電場方向出射光之極化狀態(tài) 未加電場OFF 狀態(tài) 施加電場ON 狀態(tài)出射光第96頁，共100頁。Vertical

40、 Alignment Mode LCDs未加電場OFF 狀態(tài)施加電場ON 狀態(tài)入射光偏光板液晶分子玻璃基板出射光之極化狀態(tài)解偏板出射光第97頁，共100頁。Comparison of Liquid Crystal ModesStrongly dependent on viewing angle低驅(qū)動電壓視角窄小Off(White) On(Black)Slightly dependent on viewing angle廣視角液晶反應(yīng)速度慢Off(Black) On(White)畫面對比低畫面品質(zhì)差Slightly dependent on viewing angle畫面對比高廣視角Off(Black) On(White)液晶反應(yīng)速度快彩色畫面顯像佳TNIPSVA第98頁，共100頁。樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。8月-228月-22Thursday, August 4, 2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對