畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真

畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真摘要隨著TFT_LCD技術(shù)迅猛發(fā)展，并且它擁有著性能優(yōu)良、大規(guī)模生產(chǎn)特性好、自動化限度高、原材料成本低廉諸多長處，從而廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。在這樣背景下，對其驅(qū)動電路也提出了更高規(guī)定。本文即旨在進行TFT_LCD列驅(qū)動電路設(shè)計和仿真，設(shè)計構(gòu)造分為數(shù)字某些和模仿某些兩大某些，重要涉及雙向移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)鎖存器、電平位移、D/A變換和輸出緩沖六個某些。一方面會對列驅(qū)動電路原理和工作過程做進一步理解，然后在參照已有經(jīng)驗基本上，提出了本設(shè)計總體構(gòu)造和功能模塊劃分。另一方面，通過Multisim和Cadence仿真工具對設(shè)計方案成果進行驗證。最后，在各個模塊基本上，建立了整體芯片構(gòu)造框圖。電路設(shè)采用Multisim和Cadence工具進行仿真，仿真成果表白，所設(shè)計驅(qū)動電路基本滿足液晶顯示屏性能規(guī)定。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第1頁。核心字：列驅(qū)動；薄膜晶體管；γ校正；D/A變換畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第1頁。AbstractAsTFT_LCDtechnologyisdevelopingrapidly，andithasexcellentperformancecharacteristicsoflarge-scaleproduction，highdegreeofautomation，low-costrawmaterialsaswellasmanyotheradvantages,whicharewidelyusedinmanyfields.Inthiscontext,thedrivingcircuitisalsoputforwardhigherrequirements.ThisarticleaimstoconductTFT_LCDcolumndrivercircuitdesignandsimulationdesignstructureisdividedintothedigitalpartandanalogpartoftwomajorparts，includingbi-directionalshiftregister，dataregister，datalatches，leveldisplacement，D/Aconversionandoutputbuffersixparts.Wewillfirstcolumndrivecircuitoftheprincipleandprocessin-depthunderstanding.Then，inreferencetopreviousexperienceonthebasisofthisdesign，wewillpresenttheoverallstructureandthedivisionoffunctionalmodules.Secondly，weuseMultisimandCadencesimulationtoolstoverifytheresultsofthedesign.Finally，ineachmoduleonthebasis,wecreateablockdiagramoftheoverallchip.CircuitdesignusingMultisimandCadencetoolforsimulation，simulationresultsshowthatthedrivecircuitbasicallydesignedtomeettheperformancerequirementsoftheliquidcrystaldisplay.畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第2頁。Keywords：column-driven；thin-filmtransistor；theγ-correction；theD/Aconversion畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第2頁。第一章緒論1.1液晶顯示技術(shù)發(fā)展歷程液晶，最早是奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾在1888年某次測定有機物熔點時偶爾發(fā)現(xiàn)，。她經(jīng)常從胡蘿卜中萃取膽固醇，有一天，她注意到了加熱一種苯甲酸膽固醇所產(chǎn)生顏色變化:當(dāng)加熱至攝氏145度，固態(tài)化合物慢慢熔化成鉆稠白云狀液體，繼續(xù)加熱，溫度上升至攝氏179度，鉆稠白濁特性消失，變成了清澈透明液體，這種化合物似乎有兩個不同樣熔點，而當(dāng)該化合物冷卻時，同樣現(xiàn)象重復(fù)浮現(xiàn)，只是順序反轉(zhuǎn)，最后形成固態(tài)結(jié)晶體。日后她發(fā)既有機物融化后在加熱狀態(tài)下都會由透明白色渾濁液體變成透明清亮液體，這是人們對液晶最原始結(jié)識。正是萊尼澤這一發(fā)現(xiàn)，直接將液晶呈當(dāng)前了世人面前。不久，德國物理學(xué)家萊曼觀測發(fā)現(xiàn)這些液體還會顯示出各向異性晶體所有雙折射性，因而把它命名為“液晶”。初期液晶作為顯示屏材料很不穩(wěn)定，作為商用尚存在著許多需要解決問題。因而，制造商們不斷去尋找更好辦法以提高液晶顯示屏性器發(fā)展難題，科技進步恰恰為這一切提供了也許。通過將近40年發(fā)展，液晶顯示屏技術(shù)接近成熟。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第3頁。20世紀(jì)60年代初，人們發(fā)現(xiàn)給液晶充電會變化它分子排列，繼而導(dǎo)致光線扭曲或者折射。重復(fù)實驗之后，人們又發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，即向列液晶透明薄層通電時會浮現(xiàn)渾濁現(xiàn)象。隨著時間推移，越來越多實驗讓人們對液晶構(gòu)造特性和應(yīng)用有了更加深刻結(jié)識。終于，1971年創(chuàng)造了第一臺液晶顯示屏，就是最初TN_LCD，即扭曲向列。這一技術(shù)迅速普及開來，在諸多領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用，涉及計算器，電子表等。美國人最先提出了TFT_LCD技術(shù)，自此登上舞臺。但是TFT-LCD技術(shù)真正發(fā)展是在1993年，日本率先實現(xiàn)了TFT_LCD大規(guī)模生產(chǎn)，液晶顯示屏開始向便宜，低成本方向發(fā)展之后，薄膜式晶體管TFT_LCD開始進一步向高品位發(fā)展。1997年，第一批大基板尺寸第三代TFT_LCD生產(chǎn)線在日本建成。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第3頁。當(dāng)前，由于薄膜晶體管液晶顯示屏具備重量輕、平板化、低功耗、無輻射、顯示品質(zhì)優(yōu)良等特點，其應(yīng)用領(lǐng)域正在逐漸擴大。同步隨著應(yīng)用領(lǐng)域擴大，對液晶顯示屏規(guī)定也正在向大尺寸，高辨別率，高彩色化發(fā)展，這也使得人們研究和開發(fā)新驅(qū)動方案，如當(dāng)前新IC驅(qū)動技術(shù)。1.2TFT_LCD重要技術(shù)特點TFT_LCD從1960創(chuàng)造開始通過不斷改良和發(fā)展，在二十世紀(jì)幾十年代才真正發(fā)展起來，是采用新材料和新工藝大規(guī)模半導(dǎo)體全集成電路制造技術(shù)。TFT是在玻璃或塑料基板等非單晶片上通過濺射，化學(xué)沉積工藝形成制造電路必要各種膜，通過對膜加工制作大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路。隨著近年來TFT技術(shù)日益成熟，彩色液晶平板顯示屏也得以迅速發(fā)展，于1991年成功轉(zhuǎn)型為筆記型計算機用面板，TFT_LCD已迅速成長為主流顯示屏，從此進入TFT_LCD時代。從1991年第一代開始，當(dāng)前已發(fā)展至第9代，甚至第10代生產(chǎn)線。與之相應(yīng)是，面板尺寸，像素數(shù)，像素數(shù)密度也在按類似于摩爾定律規(guī)模增長。特別是進入五代線后來，面積與產(chǎn)能不斷擴大，TFT_LCD已經(jīng)成為主流。固然，這項技術(shù)依然在不斷地進步，工藝越來越簡化，生產(chǎn)效率越來越高，直接使得價格越來越低。TFT_LCD之因此能迅速成長至此，這與它自身特點是分不開，它重要有如下四特點：（1）合用范疇廣：在很大溫度范疇內(nèi)都可以正常使用（-20℃到50℃），并且通過溫度加固解決TFT_LCD低溫工作溫度甚至可達到-80℃，同步它既可以用移動終端顯示，也可以用臺式終端顯示，連投影都可以，是性能優(yōu)良且全面全尺寸顯示終端。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第4頁。（2）合用特性好：TFT_LCD產(chǎn)品尚有著較高安全性和可靠性，再加上當(dāng)前已經(jīng)平板化，又輕薄以便多了。此外，TFT_LCD功耗極低，可以節(jié)約大量能源，升級容易，使用壽命長，高辨別率，顯示方式多樣等諸多長處。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第4頁。（3）TFT_LCD制造技術(shù)擁有著很高自動化限度，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)特性好，當(dāng)前TFT_LCD技術(shù)已經(jīng)基本成熟，大規(guī)模生產(chǎn)成品率也極高。同步它還易于集成和更新?lián)Q代，由于是大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路技術(shù)和光源技術(shù)完美結(jié)合，繼續(xù)發(fā)展?jié)摿薮?。?dāng)前已有非晶，多晶和單晶硅TFT_LCD，將來必定還會有其他材料TFT浮現(xiàn)。（4）環(huán)保特性好：最重要是它沒有輻射，不會損害使用者健康。隨著著TFT_LCD電子書浮現(xiàn)，無紙辦公，無知印刷時代啟動，是人類學(xué)習(xí)，傳播和記載方式革命。顯而易見，TFT_CD更易于集成和更新?lián)Q代特點賦予了它遼闊發(fā)展前景。此外，除了上面所說外，TFT_LCD尚有著大面積，功能強大，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等其她特點。1.3TFT_LCD國內(nèi)外狀況對比要看TFT_LCD國內(nèi)外狀況對比，咱們一方面來看下全球大尺寸TFT_LCD面板各地區(qū)市場占有率：下圖可以看出重要是臺灣，韓國，日本占據(jù)了這片市場，而國內(nèi)顯然還十分稚嫩，圖中顯示韓國大尺寸TFT_LCD出貨量在超過日本，成為全球第一大TFT_LCD生產(chǎn)國。之后穩(wěn)居第一位，維持了市場支配性地位。然而好景不長，韓國遭到來自臺灣公司劇烈沖擊，雖然在第1季度曾浮現(xiàn)過一段市場占有率逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。從下半年開始，隨著韓國國內(nèi)公司第5代生產(chǎn)線正式投入批量生產(chǎn)，韓國市場占有率又重新浮現(xiàn)增長，最后仍以39.9%占有率排名第一位。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第5頁。技術(shù)上，當(dāng)前TFT_LCD技術(shù)已經(jīng)成熟，困擾液晶平板顯示屏三大難題：視角、色飽和度、亮度已經(jīng)獲得解決。再看一下中日韓臺TFT_LCD產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀對比：畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第5頁。從上面咱們可以明顯看出當(dāng)前國內(nèi)大陸和臺灣地區(qū)，韓國以及日本發(fā)展差距，就這種狀況，咱們不也許不依賴進口。世界TFT_LCD產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向決定了中華人民共和國大陸TFT_LCD產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模及前景。中華人民共和國大陸TFT_LCD產(chǎn)業(yè)發(fā)展比日韓及歐美發(fā)達國家要晚近二十年。但中華人民共和國大陸TFT_LCD產(chǎn)業(yè)發(fā)展有其獨特特點和局限，重要有如下特點：（1）中華人民共和國大陸TFT_LCD產(chǎn)業(yè)來勢兇猛，良性循環(huán)機率低，產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)Ш?，生產(chǎn)線、設(shè)備落后。（2）中華人民共和國大陸TFT_LCD產(chǎn)業(yè)一開始就受到本地政界大力支持，產(chǎn)業(yè)發(fā)展有關(guān)上游材料生產(chǎn)均有待極大開發(fā)生產(chǎn)。（3）中華人民共和國興起FPD產(chǎn)業(yè)，將逐漸成為世界FPD產(chǎn)業(yè)核心，中華人民共和國FPD產(chǎn)業(yè)發(fā)展也將面臨艱巨挑戰(zhàn)，同步中華人民共和國TFT_LCD產(chǎn)業(yè)仍是全球焦點。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第6頁。至今，國內(nèi)僅能生產(chǎn)電腦顯示屏、筆記本電腦用中檔尺寸和小尺寸面板產(chǎn)品，全球市場份額局限性10%，尚沒有液晶電視用大尺寸面板生產(chǎn)能力。與幾乎同步起步韓國和臺灣相比，國內(nèi)TFT_LCD產(chǎn)業(yè)存在巨大差距，亟須大力發(fā)展。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第6頁。1.4課題研究內(nèi)容及意義隨著液晶顯示蓬勃發(fā)展，TFT_LCD驅(qū)動芯片業(yè)迎來了巨大市場，其中最為明顯是TFT_LCD驅(qū)動IC增長。為了在這個巨大市場中占有一席之地，國內(nèi)IC行業(yè)面臨著發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。為了更好掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展積極權(quán)。本文針對這一發(fā)展趨勢規(guī)定，研究與設(shè)計了TFT_LCD列驅(qū)動電路，參照了既有產(chǎn)品某些設(shè)計經(jīng)驗，依照數(shù)字電路和模仿電路設(shè)計流程和“自頂向下”設(shè)計思想一方面對芯片進行層次化功能劃分;然后進行各個功能模塊原理圖輸入和仿真。最后，根據(jù)芯片資料提出功能、性能指標(biāo)、對芯片功能、性能進行了模仿驗證。本文采用仿真驗證工具是Multisim和Cadence，數(shù)字某些與模仿某些均采用原理圖輸入辦法。依照工作原理，本文將把整個電路劃分為六個模塊:雙向移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)鎖存器、電平位移、D/A轉(zhuǎn)換器和輸出緩沖器。其中前二個某些為數(shù)字模塊，后兩個某些是模仿模塊。在第二章中，本文將一方面簡介源驅(qū)動芯片工作原理和系統(tǒng)架構(gòu);第二章將簡介數(shù)字某些電路設(shè)計;第四章簡介電平位移模塊和模仿某些電路設(shè)計;第五章則給出SXGATFT_LCD源驅(qū)動芯片系統(tǒng)實現(xiàn);第六章是對整體設(shè)計過程一種總結(jié)，并給出了將來可以改進地方。第二章至第五章每個某些都將會從它工作原理、構(gòu)造、性能指標(biāo)和仿真成果各個方面加以簡介，必要時給出詳細分析推導(dǎo)。第二章顯示原理2.1液晶顯示基本原理2.1.1LCD器件構(gòu)造畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第7頁。液晶顯示屏件(LCD，LiquidCrystalDisplay)面板由20多項材料以及元件構(gòu)成，面板厚度不到1cm，十分輕薄短小，并且不同類型LCD所需材料不盡相似?；旧?，LCD構(gòu)造猶如一種三明治，如圖所示，在一種液晶盒中普通涉及玻璃基板，彩色濾光片，偏光板，配向膜，印制電路板等材料，當(dāng)灌入液晶材料后，一種液晶顯示屏件就形成了。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第7頁。2.1.2液晶顯示原理液晶是分子排布或指向具備某種規(guī)律、介于固體與液體之間，具備規(guī)則性分子排列有機化合物。它具備液體流動性和晶體雙折射性，并且在電場作用下會變化其分子排列。液晶特點是構(gòu)成液晶分子指向有規(guī)律，而分子之間相對位置無規(guī)律，前者使液晶具備晶體才具備各向異性，后者使之具備液體才具備流動性。液晶顯示屏原理是運用液晶物理特性，在通電時導(dǎo)通，使液晶排列變得有秩序，從而光線容易通過，不通電時，排列則變得無序，從而制止光線通過。如下圖所示：TFT_LCD液晶顯示屏顯像原理是采用“背透式”照射方式。當(dāng)光源照射時，先通過下偏光板向上透出，借助液晶分子來傳導(dǎo)光線。由于上下火層電極為FET電極和公共電極，在FET電極導(dǎo)通時，液晶分子排列狀態(tài)同樣會發(fā)生變化，也通過遮光和透光來達到顯示目。但不同是，由于FET晶體管具備電容效應(yīng)，可以保持電位狀態(tài)，先前透光液晶分子會始終保持這種狀態(tài)，直到FET電極下一次再加電變化其排列方式為止。從電子學(xué)角度闡述液晶顯示屏件顯示原理為:在外加電場作用下具備偶極矩液晶棒狀分子在排列狀態(tài)上發(fā)生變化，使得通過液晶顯示屏件光被調(diào)制，從而呈現(xiàn)或明或暗、透過與不透過顯示效果。液晶顯示屏件中每個顯示像素都可以單獨被電場控制，不同顯示像素按照驅(qū)動信號控制在顯示屏上合成各種圖像，液晶顯示驅(qū)動功能就是建立這種電場。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第8頁。液晶顯示有三大長處:液晶自身不發(fā)光，只是反射環(huán)境光;用十顯示液晶厚度普通在幾十微米如下，加上電極板也只有幾毫米，因此液晶元件普通薄并且輕，應(yīng)用十分以便;液晶顯示屏耗電量普通極低，基本上不耗電能。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第8頁。2.2TFT元件構(gòu)造特性和工作原理2.2.1TFT元件構(gòu)造在TFT_LCD中，TFT功能就是電氣開關(guān)。圖2.1表達了TFT元件平面圖和截面圖。它是三端器件，普通在玻璃基板上設(shè)有半導(dǎo)體層，在其兩端有與之相連接源極和漏極，并通過柵極絕緣膜與半導(dǎo)體層相對放置，設(shè)有柵極。運用施加于柵極電壓Vg來控制源、漏電極之間電流。柵極源極漏極半導(dǎo)體層圖2.1TFT基本構(gòu)造TFT器件和MOS器件工作原理一致，唯一區(qū)別在于MOS器件半導(dǎo)體材料是單晶體材料，TFT半導(dǎo)體材料是薄膜材料。對于TFT工作于線形區(qū)時，即VDS<(VDS-Vth)，漏極電流為:對于TFT工作于飽和區(qū)時，即VDS>(VDS-Vth)，漏極電流為：畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第9頁。關(guān)斷狀態(tài)漏電流方程為：畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第9頁。其中，VDS是源漏間電壓，ID是源漏間電流VGS是柵源間電壓，VT是閾值電壓，μ是有效遷移率，Cox是柵氧化層厚度，W是溝道寬度，L是溝道長度。ION大小反映了溝道導(dǎo)電能力強弱，如果ION太小，將影響MOS管增益和輸出動態(tài)范疇，反之如果ION太大，則會引起直流功耗過大。迄今有諸多關(guān)于TFT元件研究開發(fā)正在進行，但實現(xiàn)使用化是單晶硅TFT（a-SiTFT）、多晶硅TFT（p-SiTFT）、使用單晶硅MOSFET（c-SiMOSFET)硅類半導(dǎo)體晶體管。由于a-SiTFT電子移動速率低于1cm2/V.sec，而驅(qū)動IC需要較高運算速率來驅(qū)動電路，并巨不易將驅(qū)動IC集成到基板上。相比之下，p-Si電子移動速率可以達到100cm2/V.sec，同步也更容易將驅(qū)動IC集成到基板上，可以減少生產(chǎn)成本，并使產(chǎn)品重量更輕、厚度更薄。同步p-SiTFT比老式a-Si小，因此解析度可以更高。2.2.2TFT工作原理TFT_LCD象元由陣列基板側(cè)面液晶象元電極，公共電極以及封閉在兩者之間液晶構(gòu)成，象元通過一種薄膜晶體管控制加到其上電壓，如圖2.2所示：顯示數(shù)據(jù)薄膜晶體管液晶公共電極圖2.2TFT_LCD象元構(gòu)造畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第10頁。TFT_LCD每個象素都是一種薄膜晶體管，其具備存儲特性，且其存儲時間長短取決于TFT關(guān)態(tài)電阻和液晶象素電容，存貯電容RC常數(shù)。因而，TFT_LCD驅(qū)動方式不同于TN和STN。TFT_LCD象素在顯示系統(tǒng)中構(gòu)造如圖2.3所示:當(dāng)掃描驅(qū)動器施加給掃描電極一種選取電壓時，TFT_LCD顯示灰度級由數(shù)據(jù)驅(qū)動器電壓和存儲在象元上電壓決定。即當(dāng)TFT柵極G與源極S未選通時，TFT處在截止態(tài)，源極S與漏極D之間相稱于開路，外電路電壓不會施加到液晶像素上。當(dāng)行掃描信號選通了某一行所有TFT柵極G后，源掃描信號依次選通此行上TFT源極S。行掃描信號和源掃描信號同步選通TFT將被打開，源、漏極之間導(dǎo)通，源掃描信號即數(shù)據(jù)信號寫入液晶像素和補償電容Cs。由于液晶像素與補償電容對電荷存儲特性，在TFT截止后，寫入數(shù)據(jù)信號會保存一段時間?？梢栽O(shè)定這個保存時間為半幀周期，下半幀時，變化寫入信號極性，即可保證液晶像素處在交流驅(qū)動狀態(tài)。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第10頁。輸入數(shù)據(jù)1輸入數(shù)據(jù)2輸入數(shù)據(jù)3TFTTFTSDLyquidcystalLyquidcystal公共電極公共電極圖2.3TFT_LCD象元在顯示系統(tǒng)中構(gòu)造畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第11頁。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第11頁。第三章驅(qū)動原理3.1液晶驅(qū)動辦法液晶顯示驅(qū)動方式有許各種，依照常用液晶顯示屏件種類，液晶顯示屏件驅(qū)動方式重要可分為如下幾大類。即直接驅(qū)動法，有源矩陣驅(qū)動法，射束尋址驅(qū)動法，鐵電液晶驅(qū)動法，彩色液晶驅(qū)動等。TFT_LCD普通采用有源驅(qū)動法。TFT_LCD有源矩陣驅(qū)動也叫開關(guān)矩陣驅(qū)動，其重要特點是在顯示面板各像素點設(shè)立了開關(guān)元件(TFT)。TFT作用是把液晶像素和信號電極較好分隔開來，即有源開關(guān)作用。這種行、列電極交叉構(gòu)成點陣顯示方式，不但提高了顯示屏響應(yīng)時間，同步在灰度控制上也可以通過點脈沖直接控制，可以做到非常精準(zhǔn)，因而每個節(jié)點都相對獨立，并可以進行持續(xù)控制，使TFT色彩更逼真，顯示模式也更靈活。在顯示過程中，由于在某一時刻只有一行單元被選中，其他行都處在選中狀態(tài)，從而徹底消除了交叉效應(yīng)。同步，由于液晶顯示像素存儲效應(yīng)，只要TFT單元漏電流足夠小，寫入數(shù)據(jù)信號在一幀時間內(nèi)可基本保持不變，就能實現(xiàn)占空比接近100%靜態(tài)顯示效果。對TFT_LCD來說，當(dāng)前最為常用共有4種驅(qū)動辦法，即幀反轉(zhuǎn)，行反轉(zhuǎn)，列反轉(zhuǎn)和點反轉(zhuǎn)，圖3.1為這4種驅(qū)動辦法示例圖。幀反轉(zhuǎn)12341++++2++++3++++4++++12341----2----3----4----畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第12頁。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第12頁。行反轉(zhuǎn)12341++++2----3++++4----12341----2++++3----4++++列反轉(zhuǎn)12341+-+-2+-+-3+-+-4+-+-12341-+-+2-+-+3-+-+4-+-+點反轉(zhuǎn)12341+-+-2-+-+3+-+-4-+-+12341-+-+2+-+-3-+-+4+-+-圖3.1液晶顯示驅(qū)動辦法1)幀反轉(zhuǎn):即一幀中所有數(shù)據(jù)電壓極性相似，但對于公共電極電壓前一幀與后一幀極性相反。2)行反轉(zhuǎn):即一幀中相鄰行數(shù)據(jù)電壓相對于公共電極電壓極性相反。3)列反轉(zhuǎn):即一幀中相鄰列數(shù)據(jù)電壓相對于公共電極電壓極性相反。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第13頁。4)點反轉(zhuǎn):即一幀中相鄰象素電壓相對于公共電極電壓極性相反。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第13頁。幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動辦法用于辨別率較低場合，盡管功耗低，但驅(qū)動電壓較大，并且閃爍現(xiàn)象嚴重，因此TFT_LCD普通不用。由于在相似幀頻前提下，辨別率提高，就意味著時鐘頻率增長，即對每個象素寫入時間將變短，因而普通對于辨別率較低，屏幕較小顯示屏，如辨別率為VGA和SVGATFT_LCD用行反轉(zhuǎn)，更高辨別率則用點反轉(zhuǎn)方式?？傊?，幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動辦法用于辨別率較低場合，其驅(qū)動電壓較大，功耗較高，但電路簡樸;行反轉(zhuǎn)驅(qū)動辦法用于辨別率中檔顯示屏，其驅(qū)動電壓較小，功耗較低，但電路比幀反轉(zhuǎn)要復(fù)雜某些;點反轉(zhuǎn)驅(qū)動辦法用于辨別率較高場合，電路最為復(fù)雜，但圖像效果最佳。3.2TFT_LCD驅(qū)動原理3.2.1TFT_LCD系統(tǒng)構(gòu)造圖3.2是TFT_LCD顯示系統(tǒng)電路框圖，其按功能可以提成接口電路，視頻信號變換電路，時序控制電路，電壓變換電路，公共電極驅(qū)動電路和顯示模塊等6個某些。其中顯示模塊涉及有效顯示區(qū)、掃描驅(qū)動芯片以及列驅(qū)動芯片。輸入接口某些負責(zé)將輸入數(shù)據(jù)信號、同步信號、控制信號和電源信號送入時序驅(qū)動電路板;視頻信號變換電路則負責(zé)將輸入信號轉(zhuǎn)換成適合TFT_LCD顯示數(shù)據(jù)信號，然后通過時序控制電路同步和定位，連同柵、源驅(qū)動芯片控制信號，時序信號和同步信號共同通過輸出接口送入顯示模塊;電源變換電路將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換成各個某些所需直流工作電壓以及直流驅(qū)動電壓和背光源所需交流電壓;公共電極驅(qū)動電路將產(chǎn)生公共電壓，和數(shù)據(jù)線驅(qū)動電壓共同作用，從而完畢TFT_LCD顯示工作。視頻信號變換視頻信號變換數(shù)據(jù)驅(qū)動電路接口數(shù)據(jù)驅(qū)動電路接口柵極驅(qū)動電路柵極驅(qū)動電路液晶顯示液晶顯示屏?xí)r序控制電路時序控制電路畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第14頁。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第14頁。電源變換電路電源變換電路公共電極驅(qū)動公共電極驅(qū)動圖3.2TFT_LCD顯示系統(tǒng)從圖3.2TFT_LCD顯示系統(tǒng)構(gòu)造中可以看到，驅(qū)動一塊TFT_LCD顯示屏，需要兩組信號:源極數(shù)據(jù)信號和柵極行掃描信號。從驅(qū)動系統(tǒng)角度來看，這兩組信號分別由兩種驅(qū)動芯片來實現(xiàn):列驅(qū)動電路和行驅(qū)動電路。源驅(qū)動電路作用就是對數(shù)據(jù)線施加目的電壓，而柵驅(qū)動電路作用是實行開關(guān)導(dǎo)通和斷開，工作時按照一次一行方式依次掃描柵極。每掃描到一條柵極線，與其相連TFT同步處在導(dǎo)通狀態(tài)，通過漏極總線將數(shù)據(jù)線上信息提供應(yīng)各信號存儲電容，各像素液晶被存儲信號勉勵至下一種幀掃描時為止。這種辦法循環(huán)地給每行柵電極施加選取脈沖，在一幀中每一行選取時間是均等。3.2.2TFT_LCD驅(qū)動電路工作過程圖3.3為彩色TFT_LCD模塊截面圖:彩色TFT-LCD屏是由TFT陣列玻璃板和彩色濾光膜玻璃板之間加入液晶材料構(gòu)成。為了控制液晶層厚度，在液晶層內(nèi)分散分布玻璃(或塑料)微球，兩個玻璃板表面涂布取向?qū)?即配向膜)，控制液晶分子定向排列。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第15頁。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第15頁。圖3.3彩色TFT_LCD截面圖由于液晶存在工作電壓閾值弛豫特性，在簡樸矩陣驅(qū)動中對比度很低，顯示容量很難增大。隨著TFT液晶顯示屏顯示面積增大，主流高性能驅(qū)動辦法均采用有源矩陣型。TFT_LCD有源矩陣驅(qū)動也叫做開關(guān)矩陣驅(qū)動，其重要特點是在顯示面板各像素點設(shè)立開關(guān)元件(TFT)和信號存儲電容。用M個行電極和和N個列電極交叉構(gòu)成M×N點排列顯示矩陣，以M個行電極和N個列電極控制M×N個顯示點就可以得到任意文字、圖形和圖像。由于點陣畫面上圖像數(shù)據(jù)量龐大，在圖像發(fā)送端會把圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)時間坐標(biāo)進行分解，并且轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)時間順序串行信號，接受端顯示屏準(zhǔn)時間順序接受串行信號，并把它解決成能顯示圖像，這個過程稱為“掃描”。在驅(qū)動M×N矩陣TFT_LCD時，將掃描電路尋址信號送入柵線Y1，Y2,Y3...YM，將數(shù)據(jù)電路數(shù)據(jù)信號送入數(shù)據(jù)線X1，X2，X3...XN。TFT_LCD詳細驅(qū)動過程普通采用“逐行掃描”方式，即順序選通某一種總線Y上顯示點，例如選通柵線Y1上象素，則選通Y1上所有TFT，從Y1起按順序選到Y(jié)M，稱為一幀，將一幀時間進行分割，則每個柵極分給一定期間(稱為選通時間)tl，t2，t3...tw，重復(fù)進行相似動作，即完畢一幀圖像驅(qū)動。數(shù)據(jù)線X1，X2，X3...X。數(shù)據(jù)信號，由尋址信號通過控制開關(guān)TFT，寫入到象素電容Cc和存儲電容Cs、上成為象素電壓。象素電壓與公共電極上電壓之差驅(qū)動顯示圖像。然后，關(guān)斷柵極總線Y1上所有TFT和由Y1所選取象素，保持到下一種尋址信號到來為止，直到再一次寫入數(shù)據(jù)信號更新畫面。因此，由十液晶上保持著數(shù)據(jù)信號施加電壓，實質(zhì)上液晶在一幀時間內(nèi)作靜杰動作。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第16頁。每一幀周期內(nèi)，除了正在被尋址掃描行外，所有其她行TFT柵極皆為地電位，TFT處十截止?fàn)顟B(tài)，存貯在這些象素電容上電荷基板不變，灰度也不變，始終到下一幀到來為止。M行這樣信號依次傳播到矩陣液晶顯示屏上從而構(gòu)成一幀圖像。每幀重復(fù)一次上述過程，圖像刷新一次。在行回掃時間里，行存貯電容Cs上電荷所有放電完畢，而后重新充電存入下一行圖像信號。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第16頁。矩陣顯示方式大尺寸液晶顯示屏幕，由于行列數(shù)量均十分龐大，需要采用數(shù)片柵極驅(qū)動和源級驅(qū)動共同工作。第四章列驅(qū)動電路設(shè)計和仿真4.1列驅(qū)動電路設(shè)計畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第17頁。數(shù)字電路基本單元為各種門電路，涉及反相器、與非門、或非門等，它們可以通過不同組合構(gòu)成功能更加復(fù)雜電路構(gòu)造，完畢更多功能規(guī)定。如下將逐個詳細簡介本設(shè)計中使用到某些基本門電路。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第17頁。4.1.1列驅(qū)動電路構(gòu)造本文研究TFT_LCD列驅(qū)動電路構(gòu)造如下圖所示，重要涉及移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)鎖存器、電平位移電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和輸出緩沖六大模塊。雙向移位寄存器雙向移位寄存器STHRSTHLRLVdd1CLKGNDSTB數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第18頁。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第18頁。數(shù)據(jù)鎖存器數(shù)據(jù)鎖存器POL電平轉(zhuǎn)換電路電平轉(zhuǎn)換電路Vdd2GND數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出緩沖電路輸出緩沖電路S1S2S3S383S384圖列驅(qū)動構(gòu)造圖4.1.2反相器畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第19頁。反相器是構(gòu)成數(shù)字電路基本單元，亦是構(gòu)成其她各種門電路基本。圖4.1即為本設(shè)計中電源電壓為5V反相器電路構(gòu)造圖。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第19頁。圖4.1反相器電路構(gòu)造圖從圖中可以看到，CMOS反相器采用正電源Vdd供電，PMOS管源極接電源正極，NMOS管源極接地。兩個管子?xùn)艠O連在一起，作為反相器輸入端，兩個管子漏極連在一起，作為反相器輸出端。由于NMOS管Vds為正電壓，PMOS管Vds為負電壓，因此當(dāng)CMOS反相器處在穩(wěn)態(tài)時，無論輸出高電平還是低電平，PMOS和NMOS中必然有一種截止而另一種導(dǎo)通，此時電源向反相器提供僅為納安級漏電流，因此CMOS反相器靜態(tài)功耗非常小。為了使得設(shè)計中反相器具備最大噪聲容限，并且具備幾乎相似上升時間和下降時間，NMOS和PMOS寬長比必要滿足:其中，μn是NMOS管表面遷移率，μp是PMOS管表面遷移率，設(shè)計中溝道長度取最小值，此時該反相器可以獲得較抱負輸出，其仿真波形如圖4.2所示:畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第20頁。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第20頁。圖4.2反相器仿真成果4.1.3與非門和或非門與非門和或非門也是數(shù)字電路設(shè)計中非常基本門電路，與非門為上面兩個PMOS并聯(lián)，下面兩個NMOS串連電路構(gòu)造，如圖4.3所示。其中兩個串聯(lián)NMOS管為工作管，而兩個并聯(lián)PMOS管為負載管。當(dāng)輸入A，B都是高電平時，串聯(lián)NMOS管都導(dǎo)通，并聯(lián)PMOS管都截止，因而輸出為低電平。當(dāng)輸入A,B中有一種為低電平時，兩個串聯(lián)NMOS工作管中必有一種截止，于是電路輸出為高電平。因而滿足輸出與輸入之間“與非”邏輯關(guān)系。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第21頁。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第21頁。圖4.3與非門電路構(gòu)造圖圖4.4為兩輸入與非門仿真波形，從圖中可以看到，該與非門具備非常抱負輸出波形。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第22頁。圖4.4與非門仿真成果畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第22頁?；蚍情T構(gòu)造與與非門類似，如圖4.5所示。其構(gòu)造為上面兩個PMOS負載管串聯(lián)，下面兩個NMOS工作管并聯(lián)。當(dāng)輸入A，B中至少有一種為高電平時，并聯(lián)NMOS管至少有一種導(dǎo)通，串聯(lián)PMOS管中至少有一種截止，十是電路輸出低電平;當(dāng)輸入A，B都為低電平時，并聯(lián)NMOS管都截止，串聯(lián)PMOS管都導(dǎo)通，因而電路輸出高電平?？梢姡娐穼崿F(xiàn)了或非邏輯關(guān)系?；蚍情T設(shè)計原理也與與非門基本相似。圖4.6是本設(shè)計中或非門仿真成果。由圖4.6可見，該或非門具備幾乎相似上升時間和下降時間，符合設(shè)計預(yù)期。畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第23頁。圖4.5或非門電路構(gòu)造圖畢業(yè)設(shè)計方案TFTLCD顯示關(guān)鍵技術(shù)電路設(shè)計和仿真全文共27頁，當(dāng)前為第23頁。圖4.6或非門仿真成果4.1.4傳播門傳播門運用P溝道MOS管和N溝道MOS互補特性可以連接成CMOS傳播門。CMOS傳播門也與CMOS反相器同樣，是構(gòu)成各種邏輯電路一種基本單元電路。圖4.7即為本設(shè)計中用到CMOS傳播門電路構(gòu)造。T1是NMOS管，T2是PMOS管。T1和T2源極和漏極在構(gòu)造上是完全對稱，它們源極和漏極分別相連作為傳播門輸入端和輸出端C和C'為一對互補控制信號，分別接在T1和T2柵極。之因此采用傳播門是由于簡樸MOS開關(guān)會存在閾值電壓損失，例如NMOS管在傳播高電平時和PMOS在傳播低電平時，都會發(fā)生這樣狀況。因而為了保證在高低電平時，開關(guān)器件都可以精確無誤工作，將NMOS和PMOS并聯(lián)結(jié)合使用，即當(dāng)N管無法工作時候，那段高電平由P管來完畢，而當(dāng)P管無法工作時候，那段低電平由N管來傳播。這樣就可以實現(xiàn)從電源電壓到地滿擺幅傳播。畢業(yè)