液晶显示应用技术-驱动电路设计

《液晶显示应用技术》

讲座

第一部分驱动电路设计2004年6月12日1《液晶显示应用技术》讲座清华大学电子工程系雷有华Email：leiyh@Tel：627818422004年6月12日2《液晶显示应用技术》讲座笫1章

绪论

1.1引言1.2液晶显示器件驱动基础

1.3

液晶显示模块的电路构成2004年6月12日3《液晶显示应用技术》讲座1.1

引言液晶显示器件是被动型显示器件。液晶显示技术开始得到应用仅仅是20多年前的事情。但是，由于液晶显示器（LCD：LiquidCrystalDisplay）的各种优越性能，目前已得到了广泛的应用。从液晶电子手表、手机、计算器、数码相机、数码摄像机到液晶电视、便携式计算机等，液晶显示器正越来越为人们所熟悉，并大有与CRT平分秋色，甚至取而代之的趋势。液晶显示器的发展从TN技术（扭曲向列型）到STN技术（超扭曲向列型）到TFT技术（薄膜晶体管型）。液晶综合参数测试系统可以测量LCD的电光特性参数。液晶屏在线测试仪可以对液晶显示屏进行质量检查。2004年6月12日4《液晶显示应用技术》讲座1.1.1液晶显示器件的分类分为无源液晶显示器和有源（矩阵）液晶显示器两大类。无源液晶显示器常见的种类有：扭曲向列液晶显示器（TN-LCD）；超扭曲向列液晶显示器（STN-LCD）；宾主液晶显示器（GH-LCD）；电控双折射液晶显示器（ECB-LCD）；相变液晶显示器（PC-LCD）；铁电液晶显示器（FE-LCD）；双稳态液晶显示器（BCT-LCD）等。其中使用得最为广泛的是TN-LCD和STN-LCD两大类。2004年6月12日5《液晶显示应用技术》讲座1.1.1液晶显示器件的分类（续1）有源（矩阵）液晶显示器（AM-LCD）：最常见的是薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD)。主要应用于大容量动态视频显示，如笔记本电脑。AM-LCD由于制造工艺上难度较大，目前只有日、韩、美等少数国家有能力生产，我国台湾省也能生产。我国大陆地区也有北京的京东方和长春能生产。2004年6月12日6《液晶显示应用技术》讲座1.1.2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。（请参考液晶显示模块分解的结构）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、CCF、VFD、EL、OEL、FED。结构件：将上面各部件装配在一起的结构件。2004年6月12日7《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数

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。液晶具有液体所具有的流动性，同时也具有晶体的各向异性、双折射等特性。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。液晶显示器件的基本特性有：阈值特性（电光特性）、响应特性、对比度-视角特性、其他重要的特性（温度特性、功耗特性、色度特性等）。2004年6月12日8《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续1）一。阈值特性参数

阈值特性参数描述了液晶显示器的相对光透射率（或者反射率）随驱动电压的升高而发生变化的规律。阈值特性参数主要用阈值电压Vth、中值电压V50、饱和电压Vsat和陡度来描述。典型的电光曲线如下图所示。其中横坐标是驱动电压的有效值，纵坐标是相对透射率，液晶屏的显示模式是正性显示（即白底黑字）。Vth、V50和Vsat的定义如下图所示，陡度

=Vsat/Vth。液晶显示器可以看作一个容性器件，它的显示是对驱动电压的有效值作出响应（功率）。在静态显示时，显示驱动电压只要选择高于饱和电压，非显示电压选择低于阈值电压，就能够得到较好的显示效果。在动态显示时，可以进行计算。

2004年6月12日9《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续2）一。阈值特性参数：阈值特性参数是决定一种液晶材料到底能用到多大显示容量的液晶屏的决定性参数。

2004年6月12日10《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续3）二。响应特性参数

响应特性参数是描述液晶屏的光透射率（或反射率）在改变驱动电压的选择状态（由选择态到非选择态或由非选择态到选择态）时变化快慢的物理参数。响应特性参数主要用开启时间Ton，关闭时间Toff，上升时间Tr和下降时间Td来描述。典型的响应特性曲线如下图所示。其中横坐标是时间，纵坐标是相对透射率，液晶屏的显示模式是正性显示（即白底黑字）。Ton、Toff、Tr和Td的定义如下图所示。一般的TN-LCD的响应速度在几十毫秒到300毫秒之间，在用作视频显示时，会产生拖尾现象；而有些液晶显示器有非常快的响应速度，如铁电液晶显示器等。2004年6月12日11《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续4）二。响应特性参数：液晶响应特性主要影响显示器内容的更新速度，响应速度慢的，在显示效果上就表现为拖尾现象。2004年6月12日12《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续5）三。对比度-视角特性

对比度-视角特性参数包括两个方面：一是在特定的温度、特定的方位角下，对比度随驱动电压的变化而变化，即对比度曲线；二是在特定温度、固定的驱动条件下，对比度在给定的立体空间范围内的分布情况，即对比度-视角特性曲线。2004年6月12日13《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续6）三。对比度-视角特性

对比度曲线：下图是对比度定义图。2004年6月12日14《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续7）三。对比度-视角特性

对比度曲线：测出选通电压和非选通电压情况下的两条电光特性曲线，则可以计算出对比度数值。对比度定义如下：负性材料：正性材料：2004年6月12日15《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续8）三。对比度-视角特性

对比度-视角空间分布特性：对比度-视角特性反映了对比度在空间分布的状况，也是一个重要的参数。理想的显示器，它的对比度在空间的分布是一个常数，即在各个方向上观察显示器，它给人的感觉是一样的。由于液晶显示器是被动型显示器件，因此它的视角特性就受到较大的限制。视角特性不太好是液晶显示器的一个比较明显的缺点，如何尽可能扩大液晶显示器的视角，是摆在我们面前的一个重要的课题。下图是对比度-视角特性测试的原理图。2004年6月12日16《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续9）三。对比度-视角特性

对比度-视角空间分布特性：下图是对比度-视角特性测试的原理图。2004年6月12日17《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续10）三。对比度-视角特性

要测出对比度在空间分布的特性，一般分两个方向的角度进行扫描：一个是方向的角度，即视角扫描；另一个是方向的角度，即方位角扫描。2004年6月12日18《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续11）三。对比度-视角特性

下图所示的等对比度视角曲线和等视角对比度曲线图。(a)等对比度视角曲线图(b)等视角对比度曲线图

2004年6月12日19《液晶显示应用技术》讲座1.1.3液晶显示器件的基本特性和参数（续12）四。其他重要的特性

温度特性：温度特性是描述各种特性参数随着温度的变化而变化的规律。功耗特性：功耗特性是描述液晶屏在正常工作条件下功耗电流的大小，一般用功耗电流的有效值来表示，通常包括全屏功耗和单个象素功耗两项。色度特性：液晶显示器对于不同波长的光谱，它的透射率和反射率是不同的。在测试系统中，只要把光度计（光电倍增管）换成色度计，对于单个波长的数据处理是完全一致的。关于液晶显示的电光特性测试和液晶屏在线测试仪，请参考本讲座的第二部分《液晶显示的电光特性测试》。2004年6月12日20《液晶显示应用技术》讲座总结思考题（一）（1）什么叫做主动型和被动型显示器件？请举例说明之。（2）什么叫做无源液晶显示器和有源液晶显示器？请各举一例说明之。（3）什么叫做TN和STN液晶显示器的阈值特性（电光特性）？阈值特性参数是如何定义和描述的？（4）什么叫做TN和STN液晶显示器的响应特性？响应特性参数是如何定义和描述的？（5）什么叫做对比度曲线？什么叫做对比度-视角特性曲线？它们是如何分别定义和测量的？（6）如何进行液晶显示器色度特性的测量？2004年6月12日21《液晶显示应用技术》讲座1.2

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。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。

2004年6月12日22《液晶显示应用技术》讲座1.2.1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。静态驱动法电路如下图所示。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=“1”时，段电极信号与BP信号同相，该像素上电场为零；A=“0”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。静态驱动的波形如下图所示。2004年6月12日23《液晶显示应用技术》讲座1.2.1静态驱动法（续1）2004年6月12日24《液晶显示应用技术》讲座1.2.2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。2004年6月12日25《液晶显示应用技术》讲座1.2.2动态驱动法（续1）这种动态扫描驱动法的问题在于，当只点亮液晶屏上的某一点时，该点所在的行和列其它各点都会受到该点所在行、列电极信号的影响，这被称为“交叉效应”。由于交叉效应，其它未被选择的点也有可能因此而被点亮。行、列电极越多，交叉效应越复杂。这种现象使图像对比度大大下降，甚至不能正常显示。解决交叉效应的有效方法是采用偏压法驱动。（参考P147）由于动态驱动采用了偏压法，使输出驱动的脉冲序列有四种电压变化形式，因此在驱动电路中就不能简单地采用异或门电路。2004年6月12日26《液晶显示应用技术》讲座1.2.2动态驱动法（续2）对液晶显示象素点阵的某一特定象素而言，它总是存在两种状态：亮与暗。因此，施加到其上面的驱动波形就有两种：选择状态和非选择状态。动态驱动的波形主要有两种：A型波和B型波，它们的波形和选择状态分别如下图所示。2004年6月12日27《液晶显示应用技术》讲座1.2.2动态驱动法（续3）A型波其中，帧频定义为Freq=1/T，占空比定义为Duty=T1/T，

偏压比定义为Bias=V3/V1。

2004年6月12日28《液晶显示应用技术》讲座1.2.2动态驱动法（续4）B型波其中，帧频定义为Freq=1/T，占空比定义为Duty=T1/T，

偏压比定义为Bias=V3/V1。2004年6月12日29《液晶显示应用技术》讲座1.2.3液晶显示驱动方框图液晶显示驱动器应具有两项功能：完成交流驱动。必须具有受交流脉冲信号控制的电压转换电路，直接驱动液晶电极。生成“显示”和“非显示”控制信号。根据动态驱动的特点，配备相应的逻辑电路，与外部控制器接口，并将控制信号输出给电压转换电路。液晶显示驱动器分为行驱动器和列驱动器两大类,它们的工作原理和电路构成基本相同,所不同的是：列驱动器输入的数据是列选择信号,即写入的显示数据。行驱动器输入的数据是用于扫描行选择的帧信号FLM。列驱动器移位时钟CP的作用是把列数据送入相应位置。行驱动器移位时钟的作用是更换扫描行。2004年6月12日30《液晶显示应用技术》讲座1.2.3液晶显示驱动方框图（续1）2004年6月12日31《液晶显示应用技术》讲座1.3

液晶显示器件的电路构成参考：《液晶显示控制和驱动大规模集成电路的进展》，雷有华武元祯电子技术应用1994,(4).-28-31。段式液晶显示驱动LSI电路。（一般）点阵位图式液晶显示驱动LSI电路。（重点）点阵字符式液晶显示驱动LSI电路。（一般）点阵图形式液晶显示驱动LSI电路。（重点）TFT液晶显示驱动LSI电路。（介绍）（Thin-FilmTrasistor）2004年6月12日32《液晶显示应用技术》讲座1.3.1段式液晶显示驱动LSI电路段式液晶显示驱动LSI电路：段式液晶显示器件主要是为了显示数字或固定图形。多位液晶显示驱动器有两种结构形式：一是用于段式液晶显示器件的驱动器，如MAXIM公司ICM7211等；另一是把液晶显示驱动器作为ASIC的一部分，如计算器、电子表、数字万用表、有液晶显示驱动的专用单片机等。多位液晶显示驱动器按数据输入方式可分为两类：一类为模拟量输入型，内有A/D转换器，如：ICL7106等；另一类为数字量输入型，例如：ICM7211等。2004年6月12日33《液晶显示应用技术》讲座1.3.2点阵位图式液晶显示驱动LSI电路点阵位图式液晶显示驱动LSI电路：这类LSI以EPSON的SEDl520，HITACHI的HD6ll20和TOSHIBA的T7932等为典型的控制LSI。其特点是按点阵位图式方式来控制液晶屏的某一象素亮或不亮。位图式控制器，一般适用于小型液晶显示屏。由于它们不带有字符点阵字库，所以文本显示时CPU负荷较大。2004年6月12日34《液晶显示应用技术》讲座1.3.3点阵字符式液晶显示驱动LSI电路点阵字符式液晶显示驱动LSI电路：这类LSI以HITACHI的HD44780等为典型的控制LSI。在行列合一的液晶显示驱动控制器内还可以增加字库,成为专用的字符型点阵液晶显示驱动控制器。16字符×2行的HD44780U芯片就是一个典型的范例,其电路原理如下图所示。其特点是在显示存储器与驱动器之间增加了5×7点阵字符的字模数据库（CGROM）。（参考：P583）字符库有两种形式，一种是固化在HD4478U

内作为固定字符字模库，对使用者提供字符代码表；另一种是随机写入的字符字模库,使用者自行建立专用字符的字模。2004年6月12日35《液晶显示应用技术》讲座1.3.3点阵字符式液晶显示驱动LSI电路（续1）字符型点阵液晶显示驱动控制器HD44780显示存储器内的数据不是要直接显示的数据，而是代表字符在字符发生器中地址的字符代码；该代码数据作为字符发生器的寻址指针，选择字符发生器中字符字模的首地址，然后由字符发生器输出，作为驱动器的驱动信号，如下图所示。HD44780U的显示存储器有80个单元,可以存储80个字符代码,按照5×7点阵字模计算,最大可以控制400列×2行的液晶显示器件。HD44780U是一种具有40路列驱动输出和16路行驱动输出的能够驱动40×16路的液晶显示器件。2004年6月12日36《液晶显示应用技术》讲座1.3.3点阵字符式液晶显示驱动LSI电路（续2）HD44780的方框电路原理图2004年6月12日37《液晶显示应用技术》讲座1.3.3点阵字符式液晶显示驱动LSI电路（续3）字符型驱动控制器HD44780的驱动程式