一种LCD偏置电压控制系统的研究与设计

摘 要 要 液晶显示屏（从上个世纪七十年代诞生以来便开启了显示器件的新时代。因为其具有功耗小、驱动电压低、显示信息量大、可靠性高、成本低廉、无辐射、无污染、便于携带等特点，经过四十余年的发展，目前广泛应用于电子手表、计算器、室内电话、机、数码相机、便携式导航设备、液晶显示器等，已经成为了我们日常生活中的必需品。 本文在介绍了当今 业发展状况、构成和显示原理、特性特点等背景资料的基础上，讨论了一种 置电压控制系统，包括电路设计、功能仿真、数字建模、版图设计等。其中电路设计从门级单元说明了电路具有的偏置选择功能、驱动电压内部调节功能、偏置电阻选择功能等。功能仿真验证了电路设计的各项功能、功耗等参数。在电路整体版图设计方面主要完成了对版图的整体布局布线，实现了电阻电容的匹配，并利用 图验证工具进行了 查。 本文的一个亮点是对 置电压成功地进行了数字建模。通常情况下，要想将 置电压代入到芯片整体仿真，采用的是 建模方式。这种方法对于很少接触 言的设计者来说，比较烦琐。本人在熟悉示原理的基础上，结合实际经验提出了一种将 置电压进行分类后，根据显示原理将偏置电压分别用“0”、“1”表示的数字建模。经过此方法对偏置电压进行数字建模后，就可以将具有模拟性质的偏置电压直接代入到芯片的整体数字仿真中去。这种建模方法也非常有利于代入到仿真后期的 示图形译码，并且经数个项目实践后证明此方法简单有效。 另外，本 置电压控制系统因其具有可以设置不同偏置、多种驱动电压、不同偏置电阻等特点，可以直接或经过简单修改后，带入到其他不同偏置、不同种类波形的 置电压电路中去，所以应用范围十分的广泛。 关键词： 液晶显示屏，偏置电压，控制系统，数字建模a of at of of a of no no to so 0 of in a in on of of s a CD so a In s of of RC VS A of is CD in CD as a is t On of am to be 0 1 . to be is to in of is CD it be a of or a be CD of It a of 录 第 1 章 引言. 1 晶显示的发展历史. 1 今 业发展状况 . 2 应用 . 3 文所做的工作. 4 第 2 章 基本理论 . 5 构成 . 5 工作原理 . 6 工作特性 . 7 度的影响 . 7 比度 . 8动电压 . 8 描频率 . 8 空比与偏置 . 9 特点 . 10 第 3 章 置电压控制系统的电路设计 . 12 路概况. 12 路 原理及特点 . 12 路结构图 . 13 路 模块的划分 . 13 路 结构图的管脚定义. 14置电压控制系统电路设计 . 14 路设计思想 . 14 置电压控制系统整体电路图 . 14路具体功能分析. 15 关功能 . 15 置选择功能 . 16 置电阻选择功能 . 18 目录 动电压选择功能 . 19 于 ：0功能 . 21 第 4 章 具体子电路功能仿真与验证. 23 路仿真环境及仿真条件. 23 真环境 . 23 真条件 . 23 真 电路测试图 . 23 体电路功能仿真及验证. 24 关功能验证 . 24 置选择功能验证 . 28 置电阻选择功能验证 . 29动电压选择功能验证 . 30第 5 章 置电压的数字建模 . 31 置电压数字建模的原因 . 31 置电压数字建模的方法 . 31 第 6 章 置电压控制系统的版图设计 . 35 图设计概况. 35 本电路单元的版图设计. 35 字 电路版图设计 . 35 容版图设计 . 36 阻版图设计 . 37 图设计时注意到的问题. 38 路整体版图. 40 图设计检查和验证. 42 计规则验证 . 42 图 电路图对比检查. 43 第 7 章 总结与展望. 44 结. 44 望. 44 目录 谢. 46 参考文献. 47 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况. 49 图表目录 表 目 录 图目录 图 2基本构成 . 2偏振光的工作原理 . 2示的基本原理图 . 2温度特性 . 21/2 偏置和 1/3 占空比波形图 . 3线的透射率与交流电压的有效值的关系图 . 3置电压控制系统结构图 . 3置电压控制系统整体电路图 . 3与 关功能相关的电路图 . 3阻分压结构的偏置电压电路示意图 . 3容分压结构的偏置电压电路示意图 . 3 置选择功能相关的电路图 . 3_部电阻 . 3源调整器部分结构示意图 . 3块具体电路图 . 4仿真电路测试图 . 4置电压开关两种状态的仿真波形 . 4开状态 况下的电流波形图 . 4开状态 况下的电流值 . 4开状态 况下的电流波形图 . 4开状态 况下的电流值 . 4开状态 况下的电流波形图 . 4开状态 况下的电流值 . 4关状态 况下的电流波形图 . 4关状态 况下的电流值 . 4关状态 况下的电流波形图 .表目录 关状态 况下的电流值 . 4关状态 况下的电流波形图 . 4关状态 况下的电流值 . 4置选择功能 . 4偏置电阻为 况下的电流波形图 . 4偏置电阻为 况下的电流值 . 4偏置电阻为 况下的电流波形图 . 4偏置电阻为 况下的电流值 . 4不同 ：0情况下的 动电压波形图 . 5动电路结构图 . 5供 和 选择输出的偏置电压波形图 . 5模前用 真的波形图 . 5模后代入到 数字仿真波形图 . 6分数字电路版图 . 6容的电路图表示方法和对应版图 . 6电容剖面示意图 . 6分电阻版图 . 6入电阻剖面示意图 . 6字版图和模拟版图用保护环隔开 . 6关管在版图中的匹配 . 6块中的电阻冗余设计 . 6置电压控制系统的整体版图设计 . 6证结果 . 6证结果 .目录 表 1中国 板生产线投资情况 . 1各类 性能比较 . 3电路结构图管脚功能定义 . 3能定义 .表目录 可供 和 选择输出的偏置电压值 . 5偏置电压与 示状态的对应关系 . 5定义后偏置电压与数字信号量的对应关系 . 5 种输出情况下的 态 . 6版图设计过程中用到的掩膜层 . 1 章 引言 1 第 1 章 引言 晶显示的发展历史 液晶显示屏（ 1是目前世界上应用最为广泛的一种显示器件，也是各类平板显示技术中最为成熟的一类2。液晶作为 随着液晶显示的发展经历了漫长的岁月3。液晶最早是由奥地利植物学家莱尼茨尔（ F. 1888 年首次发现的，他在测定有机物的熔点时，发现某些有机物（胆甾醇苯甲酸脂， 化后会经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有继续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体4。第二年，德国物理学家莱曼（ O 用他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体虽然在外观上属于液体，但却显示出各向异性晶体所特有的双折射性。于是，莱曼将其命名为 “液态晶体 ”，这就是 “液晶 ”名称的由来。这一新型材料在当时得到了许多科学家的关注，并获得了迅速地发展。早在 20 世纪二十年代的时候，人们就已经合成出了 300 多种液晶，并完成了至今仍在应用的向列相、近晶相和胆甾相的液晶分类。从三十年代开始，众多物理学家对液晶的物理特性展开了深入地研究，并且首次揭示了液晶的各向异性特性以及在外场（电或磁场）作用下向列相变形及其阈值特性。这些工作为以后液晶的应用研究奠定了良好的基础。 1963年， 司（美国无线电公司）5的威利阿姆斯发现了用电刺激液晶时，其透光方式会改变。 5 年后，同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性质的显示装置。这就是液晶显示屏的开端。在当时，用液晶作为显示屏的材料，还是很不稳定的。因此作为商业利用，尚存在着问题。 1973 年，英国哈尔大学的格雷教授发现了稳定的液晶材料（联苯系）。 1976 年，由 司在世界上首次将其应用于计算器（ 显示屏中，此材料目前已成为 料的基础。 对液晶应用的研究可以说从上个世纪六十年代 就开始了，其中美国科学家G. H. 工作最具代表意义，他发现的动态散射模式（ 动了液晶显示的发展。从此以后，研究人员就开始致力于寻找新型的液晶显示模式并第 1 章 引言 2 努力改善其工作性能。到七十年代中期，美国和日本都已能制作采用 手表和计算器。在这期间，宾主（ 式、相变（ 式、电控双折射（ 式相继出现。 而由 明的扭曲向列 （ 液晶显示器，由于其低功耗、低电压、长寿命等特点而得到迅速发展，不仅广泛用于手表、计算器，而且开始用于汽车表盘显示灯以及各种仪器仪表。直到今天， 式仍然广泛应用在各种低档的液晶显示器6。八十年代，超级扭曲向列（ 液晶显示器出现，同时薄膜场效应晶体管（ 晶显示器技术被提出7。 今 业发展状况 一直以来，全球液晶行业由三星、 普、友达、奇美五巨头控制，出货量占据全球出货量的 90%以上，处于垄断地位8。过去日本、韩国、中国台湾等一直对中国大陆采取严格的产业限制政策，不允许本地企业到中国大陆投资建设高世代液晶面板的生产线。我国液晶面板产业因此面临技术上的封锁，不能拥有自己的高世代生产线，所以大尺寸液晶面板只能依赖进口。其实我国早在 20 世纪七十年代末就已经开始了对液晶显示技术的研究，八十年代我国开始引进液晶显示器件的生产线，进入九十年代我国液晶显示已经获得了较大发展。现如今中外液晶巨头正在掀起一股投资液晶面板项目的热潮，争先恐后地在北京、 上海、 安徽、 江苏、 广东各省市投资建厂。 2009 年， 数条高世代 投资超过 2000 亿元，使中国大陆成为继日韩台之后液晶面板产业的重要一极。最近几年里，我国内地已经建设数条第八代 产线（见表 1约占世界新增高世代液晶面板生产线数量的三分之一强。 目前我国已成为全球最大的扭曲向列型液晶显示器 （ 产国。 高档 已经形成生产规模。我国的液晶显示器件从初期的实验室到现在的生产厂家，已经形成产业并具备较大规模的生产能力，液晶显示也形成了独立的产业部门。 第 1 章 引言 3 表 1国 板生产线投资情况 企业 技术 量产时间 产能 6 代 2010 年 9万片 /月京东方 8 代 2011 年 9万片 /月龙腾光电 2011 年 9万片 /月南京熊猫 6代 2011 年 8万片 /月广州 2011 年 8万片 /月 2011 年 8万片 /月苏州三星 2011 年 8万片 /应用 液晶显示器种类繁多9。 最常见的有 不同的应用场合发挥其作用。 液晶显示器应用时间较早，技术层次低但较为成熟，价格低廉，多用在 3 英寸以下的小尺寸产品上，因为仅能呈现出黑白单色及做一些简单数字、文字的显示，所以主要应用于计算器、电子表、简单的掌上游戏机等消费类电子产品。 液晶显示器较 工艺简单，并且成品率较高、价格相对便宜，主要应用在对比强烈和画面转换反应时间要求较快的商品，因此多面向信息处理设备。如果在液晶面板前加一片彩色滤光片，就可以显示出多种色彩，甚至能达到全彩化程度。这种液晶显示器多应用于数字、文字及绘图功能的显示，例如掌上电脑、低档的笔记本电脑、个人数字助理（ 股票机等便携式产品10。 液晶显示器因为显示反应速度更 快，适用于动画及显像显示，故广泛应用于笔记本电脑、液晶投影仪、数码相机、桌上型液晶显示器等。由于其在色彩品质及反应速度方面强于 产品，因此成为目前市场上的主流产品11。各类 性能比较如表 1 表 1类 性能比较 类型 显示品质 颜色 反应速度 价格 差 单色或黑色 最慢 最便宜 等 单色及彩色 中等 中等 佳 彩色 最快 最贵 第 1 章 引言 4 文所做的工作 由以上 关背景的介绍可以看出，目前市场上的 类繁多，对置电压的要求也不尽相同。 所以本文设计了一种 置电压控制系统，能够根据 具体要求提供不同的偏置电压，适用于多种 示类型。同时对 置电压的建模方法进行了深入的研究， 设计了一套数字建模方法。最后对此偏置电压控制系统进行了版图设计，通过了 证。将此置电压控制系统应用于实际的芯片已经成功流片。 本文的具体结构如下： 第 1 章，引言。主要介绍了液晶显示的发展历史，当今 业发展状况，应用，以及本文所做的工作。介绍了论文写作的背景，引出本论文的写作目的和内容。 第 2 章， 基本理论。主要介绍了 构成，工作原理，工作特性和特点，为下文的系统原理设计做出铺垫。 第 3 章， 置电压控制系统的电路设计。从本章开始即为本论文的主要内容，通过电路图的标注等方法介绍了本控制系统的电路功能设计。 第 4 章，具体子电路功能仿真与验证。通过上一章控制系统电路功能的设计，在介绍电路仿真环境后，开始对具体子电路各项功能和其他参数进行仿真与验证。 第 5 章， 置电压的数字建模。通常 置电压控制系统不是单独存在的，而是需要连接到驱动电路和整体芯片中去。在仿真过程中便要对偏置电压进行建模。本章即从实际出发，设计了一种独到的数字建模方法，并且经数个项目证明此方法简单有效。 第 6 章， 置电压控制系统的版图设计。通过对版图基本单元的设计和在版图设计中注意到的问题， 设计了 置电压控制系统电路的整体版图，并且对此版图进行了 证。 第 7 章，总结与展望。本章是对整篇论文的综述和未来 品和技术的展望。 第 2 章 基本理论 5 第 2 章 基本理论 构成 图 2出了典型 板的结构，它是由许多层构成的。 图 2基本构成 第一层，前偏振光板。偏振光是指光束在不同 方向上显示不同的特性，特别是光束照在一个平面上产生的不同特性（见图 2简而言之，偏振光板只允许光束通过一个平面。 图 2振光的工作原理 第二层，玻璃。为 板提供结构支持。透明的导体涂层（通常是铟锡氧化物）涂在玻璃底层上，形成背板电极（也称 极）。再将聚酰亚胺涂第 2 章 基本理论 6 层涂在导体涂层上，以与前偏振光板相同的偏振光方向擦摩聚酰亚胺。擦摩聚酰亚胺可使最外层的液晶分子以相同方向排列。 第三层，液晶。液晶材料是液晶显示器件的主 体。不同的器件所用液晶材料不同，液晶材料大多是由几种乃至十几种单体液晶材料混合而成12。 第四层，玻璃。第四层与第二层类似，也是为 供结构支持的一块玻璃。第四层顶端平面上涂上导体涂层，形成列电极（也称 极）。然后在导体涂层上涂以聚酰亚胺涂层。这里，聚酰亚胺的方向垂直于顶层玻璃上聚酰亚胺的方向。 第五层，后偏振光板。后偏振光板的偏振光方 向与第四层玻璃上的聚酰亚胺的方向相同。这种排列方向有利于促进液晶液的旋转。这种导体涂层形式可以生成不同的数字、字母、符号、图标或像素列13。 工作原理 液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性 分子排列的有机化合物，一般最常用的液晶型式为向列液晶，分子形状为细长棒形14，长约 10不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转 90 度排列，产生透光度的差别，如此在电源开关下产生阴暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。 扭曲向列（ 15型是最典型的一种 见的电子手表、数字仪表、电子钟以及绝大部分计算器所用的液晶显示器件都是 器件。在玻璃制成的盒内灌入液晶，由于玻璃盒内侧定向层的作用，液晶分子沿玻璃面平行并在两片玻璃之间连续扭转 90，这样，当由光源射来的光经过偏振片，变成垂直偏振光，射入液晶盒内，就被液晶分子旋转 90，呈水平线偏振光，再由水平光轴的检偏振片射出，经发射片反射，按原光路折回，呈现为亮视场。 如果在电极间施加一定电场，由于液晶是极性 分子，液晶分子转向为与玻璃面垂直，这时，射入的垂直直线偏振光不能被液晶盒旋转，因而垂直偏振光无法透过水平光轴的检偏振片，也不能被发射，所以形成暗视场。 示的基本原理如图 2示。 第 2 章 基本理论 7 图 2示的基本原理图 由此可见， 示的黑色字体是由于在电极间施加一定电场后液晶盒和偏振片调制了外界光线所形成的，而不是液晶材料变色形成的16。 工作特性 度的影响 温度对 板的性能有很大影响。每种液晶材料都有自己固定的清亮点S，因此也要求每种液晶显示器件必须使用和保存在 7。如果使用或保存温度过高，那么液晶分子就会发生随机变向，而不会定向运动。此时， 有部分都会成为 态。此外，温度超过 110时，还会破坏铟锡氧化物和聚酰亚胺涂层。如果温度较低，会加大液晶液的粘性，从而延长 响应时间。如果温度极低，如达到 那么液晶液将变成结晶态。 温度特性如图 2示。 第 2 章 基本理论 8 图 2温度特性 比度 液晶显示器件属于被动型显示器件，即它本身 其实并不发光，而是主要靠调制外界光进行显示。因此，不能用亮度去标定显示效果，只能用对比度去标定18。调节对比度是终端应用的一项重要特性。例如，调节对比度对那些要在很大温度范围下使用的应用而言是必需的功能，因为液晶分子的再定向阈值会随温度范围而变化。正常情况下，对比度调节适当的显示屏在高温或低温下会变得难以看清。通常说来， 对比度是用增加或降低驱动电压值的方法来调节的。 动电压 能使用交流电压，因为液晶分子需要交流信号来驱动。直流电压加在液晶分子两端会对液晶液造成破坏，影响液晶分子的电气化学特性，使其不能加电。长时间的直流电压驱动会引起 示模糊，寿命的减少，并且其破坏性是不可恢复的。所以，如果 用直流电压驱动，就会毁损 之间都不存在电压差异。 描频率 描频率（ 指背板和列输出改变的频率。它的大小要依据液晶显示屏的面积和设计而定，典型的范围是 50 到 150 扫描频率过高时，会导致驱动电路功耗的增加；当扫描频率过低时，会导致 显示的图形闪烁。 第 2 章 基本理论 9 空比与偏置 占空比或工作循环是指行工作的数量，一般也称为 或 。一般 用的是 驱动模式，在此模式下，每个 有效选通时间与整个扫描周期的比值即占空比是固定的，等于 1/。 动波形是模拟信号， 而各档模拟电压相当于 出最高电压的比例称为偏置（ 通常情况下，偏置是用最低一档电压与输出最高电压的比值来表示，例如图 2 图 2，其中 为 3，每个 =1/3，驱动波形的模拟电压共分为 2 档， 为输出中间电压，并且 ，所以上述波形图对应的 ， 。 通常 间是有一定关系的， 越多，每个 对应的扫描时间就越短，而要达到同样的显示亮度和对比度， 显示电压就要提高，选电平和非选电平之间的差异需要加大，即 要加大， 有一经验公式，即（ 2 （ 2 第 2 章 基本理论 10 特点 液晶显示器件之所以普遍应用在我们生活中的 方方面面，因为其具有以下的优异特性： （ 1）低压、微功耗 只需 2V3V 这样极低的电压就可工作，并且工作电流也只有几个微安，这是任何其他显示器件所无法比拟的。现如今，只有低压、微功耗的显示器件才可能深入到人类的每个角落，伴随人们的工作和生活。在工作电压和功耗上液晶显示正好与大规模集成电路的发展相适应，使