pp液晶显示和驱动原理综述

pp液晶显示和驱动原理综述

自19世纪末发明crt（布劳恩管理）以来，它一直在变化到20世纪。随着电视广播媒体和计算机的出现和发展，多媒体设备取得了很大进步。而TFT液晶显示器因其体积小、重量轻、功耗小、无辐射、易驱动和工作寿命长等优点,已逐步代替了计算机CRT显示器,并向大屏幕发展,进入TV领域,现已形成了一个庞大的显示器件产业。我国开始液晶显示器件研究及应用的时间相对发达国家较短。目前,国内(除台湾)还没有生产TFT型液晶显示器件的公司,许多单位对TFT-LCD还比较陌生,系统地介绍液晶显示器件工作原理、内部结构、应用技术的书籍和专著,可以说少的可怜,无法满足国内专业技术人员的饿需要,亦与国内对液晶显示器件的需求量不能适应。为了满足国内对液晶显示器件应用技术的迫切需要,也为了推动我国液晶显示器件技术的进步,我通过收集有关资料,归纳整理和进行实验,总结几年从事液晶显示器制造的体会,编写了全文。1主要知识和内部材料1.1海水淡化技术的分类在自然界中,大部分材料随温度的变化只呈现固态、液态和气态三种状态。液晶(liquidcrystal)是不同于通常的固态、液态和气态的一种新的物质状态,它是能在某个温度范围内兼有液体和晶体两者特性的物质状态,也叫做液晶相或中介相,故又称为物质的第四态。液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔(F.Reinitzer)于1888年发现的。液晶是一种介于固体和液体之间、具有规则性分子排列的有机化合物,一般最常用的液晶为向列相(Nematic)液晶,分子形状为细长棒形,长宽约为1～～l0nm,在不同电流电场作用下,液晶分子会做规则旋转90°排列,产生透光度差别,如此在电源接通与断开(ON/OFF)时产生明暗的区别,依此原理控制每个像素,便可构成所需图像。液晶种类很多,自然界存在的或人工合成的液晶多达数千种,但从成分和出现的液晶相的物理条件来看,归纳分类,液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。把某些有机物加热溶解,由于加热破坏了结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶,就是由于温度的变化而出现的液晶;把某些有机物放在一定的溶剂中,由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶,它是由于液晶浓度发生变化而出现的液晶相,如小孩玩耍吹在空气中的肥皂水气泡,是最常见的溶致液晶示例。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶。1.2海水淡化特性液晶是杆型分子、盘型分子等不具有球对称性的分子组成的部分有序物质。它不同于分子排列完全混乱的各向同性液体,也有别于分子排列完全有序的晶体。这种介于晶体与液体之间的分子排列以及分子本身的特殊形状与性质,导致了液晶呈现出液体与晶体的特性,甚至更加复杂的特性。一方面,液晶具有流体的流动特性;另一方面,液晶又呈现出晶体的空间各向异性,包括介电特性、磁极化、光折射率等的空间各向异性。液晶分子的部分有序排列还使得液晶具有类似晶体的能承受扰乱这种秩序的切变应力。也就是说,液晶具有切变弹性模量。在实际应用中,液晶的流动性、介电和光学性能的各向异性以及液晶的弹性,都是很重要的,他们可控制液晶显示的参数。液晶材料有许多技术参数,包括光学参数、和物性参数,主要有介电各向异性△ε、双折射率△n、体积粘度n、弹性常数K、相变温度Tm,Tc和液晶电阻率p等。2深晶圆片式海水淡化技术TFT液晶是电压控制型液晶,液晶的亮度对应于外加电压的大小。液晶显示板的结构见图3。图3(b)中,它由两块平行的玻璃基板夹于其间的一层晶轴连续转向90度的液晶层组成。玻璃基板的外侧处理成偏振方向互相正交的偏光镜层。当入射光从偏光板的一侧入射时,光线就成为偏振光,光轴与偏振镜的轴向一致。偏振光进入液晶层后,由于液晶的排列方式使射出的液晶层的偏振光光轴已发生90度的旋转。与上板偏振光轴向一致,光线得以通过,呈亮点。再看图3(a),当给上下玻璃板加电压时,液晶分子排列与电场方向一致,旋光特性消失。出射光线的偏振轴方向就与上偏振镜的光轴正交,光线被阻挡,呈暗点。由此可见,通过控制外加电压可以控制液晶光点的强弱。TFT型液晶显示技术采用了“主动式矩阵”的方式来驱动。方法是利用薄膜技术所做成的点晶体电极,利用扫描的方法“主动地“控制任意一个显示点的亮与暗。光源照射时先通过下偏光片向上透出,借助液晶分子传导光线。电极导通时,液晶分子就像TN(扭曲)型液晶的排列状态一样会发生改变,也通过遮光和透光来达到显示的目的。听起来这和TN型液晶的显示原理差不多,但不同的是,由于场效应晶体管具有电容效应,能够保持电位状态,已经透光的液晶分子会一直保持这种状态,直到场效应管(FET)电极下一次再加电改变其排列方式为止。而TN型液晶分子一旦没有加以电场,立刻就返回原来的状态,这就是TFT型液晶和TN型显示原理的最大不同。3t结构与驱动方式3.1薄膜晶片制作TFT液晶的结构见图4,这是一种非晶硅一薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。它制作容易,基本玻璃成本低导通比大,可靠性高,容易大面积化。该器件是在两片玻璃基板之间封入液晶,上玻璃基板是一块透明公共电极,下玻璃基板要配备上扫描线和寻址线(即行、列线),将其组合成一个矩阵,在其交点上制作薄膜晶体管TFT(ThinFilmTransistor)配置的像素点阵与对应的门线和驱动线两种电极。门线与TFT晶体管的栅极连接,驱动器和漏极连接,晶体管的源极与像素电极连接。像素电极与公共电极之间的电压可控制液晶点的亮度。3.2点回转驱动方式tgTFT液晶采用一种称为点反转的驱动方式,这可用图5加以说明:门线与水平方向像素点相通,接对应的扫描信号。从头开始依次在扫描对应的时间上,加上门电压VG。驱动线与垂直方向像素点相通,接对应的数据电压。门线上不同的电平可以对应不同的灰度层次。点反转驱动方式中相邻的驱动线上的电压极性是相反的,在一帧扫描期间极性会常常相反,体现交变变化。当像素的门线被选中时,驱动线上的数据电压就加到源极的像素点和保持电容上,一直要到第二帧此点被再次改变电压。由于保持时间长,使亮度、对比度和响应时间等特性都有提高。4器件的驱动方式液晶显示器件种类繁多,驱动方式也各不相同,但是无论哪种类型的器件,不论使用何种驱动方式,都是以调整加到像素上的电压、相位、频率、峰值、有效值、时序和占空比一系列参数来建立起一定的驱动条件进而实现显示的。这里介绍彩色有源矩阵驱动法。4.1tf型薄膜场驱动过程由于在有源矩阵液晶显示器每个像素点上都制作了一套有源器件,所以外施电压首先是加在薄膜场效应晶体管TFT等器件构成的有源电路上,对这种器件的驱动实际上是对每个像素点上的有源器件的驱动,再间接对像素电极提供驱动电压信号。现介绍三端有源器件TFT的驱动法。图6为典型TFT型液晶显示器件的电路原理图,图中,S为源极(选择数据信号输入端);G为栅极(扫描输入端),D为漏极(场效应晶体管输出端);Cs为补偿电容。图7给出了单个带TFT像素构成的一个a-SiTFT显示单元的等效电路图。其源一漏之间电阻满足:Ron<1.47x106Ω;Roff>3.3x1011Ω时,液晶层的电阻RLC～106Ω,当TFT处于导通状态ON时,在液晶层的两端就可以施加一个驱动电压。图8为TFT的特性曲线。图6图7图8,可将TFT有源矩阵液晶显示驱动过程描述如下:图6TFT型液晶显示器件工作原理图图7一个a-SiTFT显示单元的等效电路a)漏极电压与漏极电流的关系b)漏极电流与栅极电压的关系当栅极G与源极S未被选通时,薄膜场效应管TFT处于截止状态,此时Roff值达3.3x1011Ω,近似断路,故液晶像素上不能施加电压,不能显示。当扫描线栅极G被选通,寻址线源极S也被同步选通时,薄膜场效应晶体管TFT被打开。此时Ron仅1.4x106Ω左右,显示像素被信号写入,写入的信息电压由于补偿电容Cs和像素本身电容RLC的作用,在撤消写入后会自行保持一段时间。我们可以设定,使其保持半帧。下半帧时,改变一下写入极性,即可以保证液晶处于交流驱动状态。图9为TFT驱动时序和波形图。图中,Vg为栅极扫描信号;Vid为源极数据寻址信号;Vic为图像信号的中心电位;T0为数据信号周期;T1为选通时间;T2为非选通时间。从图中可以看出,外电路不能直接将电压施加在液晶像素上,施加在像素上的电压决定于TFT薄膜场效应管的特性。当薄膜场效应管通、断的等效电阻比达到106Ω以上时,则可以满足液晶像素对通断比的要求。薄膜场效应晶体管TFT是这样工作的,当TFT栅极G扫描被选通时,Vg被接入一个正高压脉冲,此时同步输入选址的源极信号是一个围绕一个中心值Vic的永远低于Vg选通脉冲幅值的选址数据电压Vid,TFT薄膜场效应晶体管被打开。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。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Vic进行反相,则可以实现:1)图9所示,使加在像素上的驱动波呈交流状态。2)驱动路数与TFT薄膜场效应晶体管特性有关,而与液晶电光响应特性无关。这彻底解决了液晶多路驱动难的问题。3)从图9的波形还可以看出,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。综上,我们可以得到这样的结论:所谓有源矩阵驱动法,实际就是在矩阵像素上制作一个具有开关特性或非线性特性的器件,然后通过适当的选通信号,利用其开关或非线性特性对像素施加驱动波形,以避免直接驱动法因半选通造成的交叉效应及显示不清楚等不足。5屏幕驱动程序5.1并/串变换电路如下图10是分辨绿1024x768XGA格式,262144色(RGB各6bit)的TFT液晶能够显示系统原理框图。在TFT液晶里,对应色数的bit数据分成每个像素传送,并在液晶模块里变换成层次电压。电脑和液晶模块点的接口信号则为高速传送,并采用低噪声的低电压差分信号LVDS(LowVoltageDifferentialSignaling)。如图11是LVDS发送和接收电路组成的构成。LVDS的图像数据可对应到24bit(RGB各8bit),发送端数据和垂直同步等控制信号用并/串变换电路变换成频率值7倍的串行信号,4对数据比特和1对时钟变换后传送。接收端进行串/并变换,恢复出原始信号。这种信号差动电压的信号电平振幅200mV,幅度低对EMI有利。另外,在差动传送方式中除用了LVDS外,还有最小化差分信号传送TMDS(TransitionMinimizedDifferentialSignaling)和十亿比特视频接口GVIF(GlgaBitVideoInterface)等实用技术。各种方式表示数据和同步信号串行化的配线根数都有削减,也以降低振幅差动信号方式传送。串行化的比例LVDS为7倍,TMDS为10倍,信号的直流平衡、变化点数的最小化能力也各有不同。这样,从图像控制输出的垂直同步信号VSYNC,水平同步信号HSYNC,有效指示信号DTMG,数据信号,点时钟DCLK,都用LVDS变换成差动信号。在液晶模块里,以LVDS方式接收,并把CMOS电平变换成小振幅差动值,输入TFT定时变换电路,生成相应的数据驱动和扫描驱动信号。5.2系统的驱动模块如图12所示,由四大电路模块AC/DCConverter模块、GammaGeneration模块、Control模块和VcomGeneration模块来完成对TFT-LCDPanel的栅极驱动器和数据驱动器进行驱动的。5.3c—电压简述TFT液晶是从电脑主机取得单电源电压,经AC—DC变换生成液晶驱动需要的各种电压。另外,因TFT液晶要用灰度层次电压,数据驱动的DAC电路里用的基准电压也要靠电阻分压取得。6tf-高效技术T