LCD-TFT

2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座1《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《液晶显示应用技术》讲座2清华大学电子工程系雷有华Email：[e-mail]：627818422004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座3笫6章TFT-LCD驱动电路和模块6.1引言6.2TFT-LCD直接驱动法6.3TFT-LCD器件的工作原理6.4TFT-LCD器件参数的选择6.5TFT-LCD模块的结构2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座46.1引言三端子有源矩阵液晶显示技术自提出以来便得到了迅猛发展。其中，薄膜晶体管矩阵寻址的液晶显示技术（TFT—LCD）已成为当前各类平板显示（FPD）技术发展的主流。也是液晶显示技术向CRT挑战的最具有代表性的一种显示方案。三端子开关元件矩阵寻址的液晶显示屏的结构图。图中，每个液晶像素电极的角上都有一个三端子开关元件，开关的控制端与扫描电极母线相连。当开关导通时．位于同一行上的所有像素将与相应的信号电极母线相通，信号开始对上述液晶像素充电。因此，三端于开关元件的作用是使每个液晶像素之间彼此独立而无交叉串扰效应。所以三端子开关元件矩阵寻址的液晶显示器的扫描行数从理论上讲可以做到无穷，可实现大容量的信息显示。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座56.2TFT-LCD直接驱动法行驱动器控制每行像素点上的TFT开／关态，即提供TFT的栅扫描电压，可简单地开或关某一行所有的TFT，在这一时刻，只允许访问这一行的像素。某一列驱动器则控制更新该列像素颜色的明暗程度。为了防止液晶器件老化，在液晶显示像素上需要加正负电压驱动。所谓直接驱动法是指在TFT-LCD的模块中列驱动器芯片“直接”提供交流电压且幅度可调。其它的驱动方式是依靠系统中附加的芯片提供正负电压，列驱动器仅能使电压可调，而需附加芯片驱动公共电极(也称COM电极)。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座66.2TFT-LCD直接驱动法（续1）一个典型的TFT-LCD显示器件，其显示像素上的信号通过行驱动器(RowDriver)和列驱动器(ColumnDriver)控制，其结构如右图所示。每行和每列的交叉点有一个TFT(ThinFilmTransistor)，TFT与一个显示单元相连接为像素。进一步的等效分析如下。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座76.2.1TFT-LCD驱动原理（续1）2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座86.2.1TFT-LCD驱动原理（续2）如上图所示，写入的电压由于补偿电容Cs和像素等效电容CLC的作用，在撤销写入后会自行保持一段时间，可以设定保持半帧；下半帧时，改变一下输入极性，即可以保证液晶处于交流驱动状态。当TFT晶体管的开、关比达到106以上时，则可以满足液晶像素对通断比的要求。驱动路数与TFT晶体管特性有关，而与液晶的电光响应特性无关，这就彻底解决了液晶多路驱动的难题。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。这种驱动也不受响应速度的影响，没有闪烁也没有拖尾。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座96.2.2TFT-LCD的反转方式驱动原理为了得到多灰度多彩色的TFT-LCD，要求数据驱动器能够产生一系列满足灰度级要求的输出电压和显示多灰度的驱动方法。而且，对于高质量的显示，要求驱动不能由于像元的串扰而引起图像失真。目前用于TFT液晶屏，分辨率从VGA到SXGA的有4种反转驱动方法。所谓“反转”方式，就是指加在像素点上的电压正负极性是交替变化的。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座106.2.2TFT-LCD的反转方式驱动原理（续1）如下图所示：图(a)是帧反转方式，如果整个显示在第一帧被正电压刷新，则第二帧被负电压刷新。图(b)是行极性反转，在一帧图像内，如果奇数行加正电压，则偶数行加负电压。在下一帧信号输入时，奇偶行的电压极性互换。图(c)是列极性反转，极性变换同行反转类似。图(d)是点反转方式，相邻像素点的电压极性相反。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座116.2.2TFT-LCD的反转方式驱动原理（续2）2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座126.2.2TFT-LCD的反转方式驱动原理（续3）列反转和点反转在功耗和图像质量方面有较大的改进。直接驱动法能提供上述所有的4种反转方式，而Vcom反转方式仅能提供帧反转和行反转。闪烁是影响TFT-LCD图像质量的一个因素。帧反转方式的闪烁是最强的；而点反转方式闪烁是较弱的，图像质量是最好的。交叉串扰是影响图像质量的另一因素。交叉串扰是由于相邻像素具有相似电压极性而引起的误显示。相邻像素使用不同的极性反转方式有助于消除交叉串扰。直接驱动法的反转方式能消除在行方向和列方向的交叉串扰。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座136.3TFT-LCD器件的工作原理TFT寻址的矩阵液晶显示屏及其外围电路的等效电路图。图中包括三个部分：TFT寻址矩阵液晶屏；扫描电极母线驱动电路和信号电极母线驱动电路。显示屏有M条信号电极母线和N条扫描电极母线。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座146.3TFT-LCD器件的工作原理（续1）如图所示。扫描电极母线（图的左部）驱动电路是由水平移位寄存器和扫描驱动器组成。水平移位寄存器是一个两相输入的N位移位寄存器，它与水平移位脉冲同步，依次扫描第一行到最后行（第N行）。移位寄存器中一对TFT中的一个，例如TFTiA截止，则另一个即TFTiB就导通，这时源电压V0将加到正被选取的扫描电极母线上，即第i条扫描电极母线。TFTij的栅极与第i条扫描电报母线直接相连，于是TFTij（j=1~M）导通。因为是逐行扫描，所以其它的扫描电极母线皆为地电位。除TFTij以外的所有TFT皆截止。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座156.3TFT-LCD器件的工作原理（续2）如图所示。信号电极母线（图的上部）驱动电路包括垂直移位寄存器、行存贮器、行开关和信号驱动器几个部分。垂直移位寄存器是一个两相输入的M位移位寄存器，寄存器中只有一位上产生一个正脉冲，所以只有取样晶体管导通。行存贮器由M个信号取样晶体管TFTj和相应的M个行存贮电容Cj组成。这些TFTj的漏极与图像信号相连。工作时，图像信号同时加在行存贮器的所有信号取样晶体管TFTj的源极上。TFTj将从左到右顺序导通。于是输入的图像信号将按一定的时间间隔被取样。结果，串行的图像信号变换成并行的模拟信号而存贮在行存贮器内的行存贮电容Cj上了（j=1~M）。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座166.3TFT-LCD器件的工作原理（续3）如图所示。当与一扫描行对应的图像信号存贮以后，由行开关脉冲SL同步，使所有的行开关晶体管TFTLj（j=1~M）导通，存贮电容Cj（j=1~M）开始放电。这个操作是在行回扫时间内完成的。行开关脉冲SL直接反馈到行开关晶体管TFTLj（j=1~M）的栅极上。当行存贮电容Cj放电时，第j列上只有位于被选取行上的液晶像素电容Cij被充电，而电荷将在存贮电容Cj和像素电容Cij之间分配。综上所述，随时间变化的模拟图像信号将变换为M位被取样的不连续的N行信号，N行这样的信号依次传输到矩阵液晶屏的N×M个像素上，从而构成一帧图像。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座176.4TFT-LCD器件参数的选择TFT-LCD器件参数必须满足一些条件。行存贮电容的选择：行存贮电容Cj必须远远大于像素电容Cij，必须满足不等式：CijCj。若Cij=1pF，Cj必须大于10pF。信号取样TFT导通电阻的选择：为使行存贮电容的充电过程在相应的信号取样TFT被寻址的短暂时间内完成，信号取样TFT的导通电阻Ron必须非常小。TFT开关比的选择：在良好的TFT-LCD中，器件的开关比都至少要大于106。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座186.5TFT-LCD模块的几种结构应用TFT-LCD模块的子系统有数字接口、显示控制器、列与门显示驱动器和电源等几大部分。早先，象素规格达SVGA（800×600）的场合，主要使用TTL接口，对于40MHz的象素时钟，电磁干扰仍符合国际标准。然而当显示分辨率增加到XGA级且相应的时钟速率达到65MHz时，TTL接口对电磁干扰和功耗就会变得难以处理。因此LVDS已成为现今用于笔记本个人电脑（NPC）平台技术的实际标准数字接口。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座196.5TFT-LCD模块的几种结构应用（续1）参考：SXGATFT-LCD驱动电路的设计，微电子学，2000年，第30卷，第4期。低压差分信号（LVDS）接口就成了图象子系统和LCD模块之间占据优势的数字接口。LVDS（专用IC由：National：DS90C031和DS90C031）提供了一个低电源低电磁干扰接口，并且减小了图象引擎和LCD屏之间的连线数量。TFT-LCD模块广泛用于彩色手机、PDA、电脑显示器、数码相机、摄像机、笔记本电脑、DVD车载电话、电视卫星导航定位系统GPS、可视电话、仪表仪器以及显示终端等产品。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座206.5.1TFT视频信号驱动电路参考:a-SiTFT有源矩阵液晶显示器的研制进展，液晶与显示，第11卷，第4期。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座216.5.1TFT视频信号驱动电路（续1）如上图所示。TFT-LCD模块采用OKI公司的数据线驱动器MSM5280、MSM5281和扫描驱动器MSM5282。这两种IC都是80管脚四面扁平封装，可以手工焊接。其中60个管脚为驱动输出端，它具有很宽的动态输出范围(20V)，工作安全可靠。信号源的接口控制电路，可以适应TV、VCD、摄像头、录像机等多种视频输出。具有单一接口，便于连入。与计算机的接口采用目前广泛使用的VGA上的显示卡模拟输出，不影响原来的CRT显示系统的工作，使用方便。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座226.5.2数码相机使用的彩色TFT液晶显示器用液晶显示器进行取景和回放是数码相机两大必不可少的功能。同时液晶显示器还用来显示菜单，提供良好的人机交互界面。数码相机专用集成电路芯片中的液晶显示控制电路主要实现的功能是：向液晶显示模块（LCM）和数模转换器提供所有必需的控制时序信号；同时接受来自系统的YCbCr格式的图像数据；然后进行色空间变换将图像转化成RGB格式；接着按照一定的顺序以每个像素一种颜色的方式向片外DAC输出图像数据。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座236.5.2数码相机使用的彩色TFT液晶显示器（续1）参考：彩色TFT液晶显示控制电路设计及其ASIC实现，半导体技术，第28卷，第5期。根据设计数码相机专用集成电路芯片的系统要求，液晶显示控制电路可用来控制多种像素规格的液晶显示模块。图中给出了数码相机系统芯片中有关LCD显示部分的示意图。电路有两种工作模式：取景模式和回放模式，分别显示动态和静态图像。电路要具有多种扫描方式：上下左右的组合共有四种。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座246.5.3笔记本电脑用TFT-LCD模块参考：笔记本电脑用TFT-LCD模块的结构，现代显示，2002年，第4期。TFT-LCD模块的基本构造从始至终变化甚小，但模块的标准部件和电气组成，为了适应更高的性能要求，已经有了惊人的发展。TFT-LCD模块的子系统有数字接口、显示控制器、列与行显示驱动器和电源等几大部分。低压差分信号（LVDS）接口就成了图象子系统和TFT-LCD模块之间占据优势的数字接口。2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座256.5.4TFT液晶彩色电视机为了与当前使