（光学工程专业论文）小尺寸tftlcd驱动电路的设计.pdf

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o l e d 屏，以实现大信 息量的图形显示。详细地研究了驱动芯片的功能和硬件接口电路的设计方法，最 后给出了单片机的软件流程图。 关键词：薄膜晶体管( t f t ) ；有源驱动；t f t l c d ；t f t - o l e d 中国科学院长春光学机密机械与物理研究所硕士学住论支 ! 坚! 型 a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n th a sb e e ni m p r o v e dh i g h l yt ot h ep e r i p h e r a ld r i v i n gc i r c u i t s t e c h n o l o g yw i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fa c t i v em a t r i xt h i nf i l mt r a n s i s t o rf t f t ) a n d a c t i v em a t r i xo r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ( o e l d ) n o w a d a y s m i d d l ea n dl o w1 e v e l t na n ds t n p e r i p h e r a ld r i v i n gc i r c u i t sm o d u l e sa r ep r o d u c e dm a i n l yi nd o m e s t i c b u t h i g hl e v e lt f ta n do l e dm o d u l e sa r ed e p e n d e do ni m p o r tm o s t l y i nt h i st h e s i s b y r e f e r r i n gt om a n yp r o d u c t sa b r o a di nm a r k e t h a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dad e w k i n do f d r i v i n gc i r c u i tf o r1 8i n c ht f t l c d 1 nt h i st h e s i s i ti sm a i n l yr e s e a r c h e da b o u tc i r c u i t st od f i v e1 8i n c ht f l c d ， s u c ha sp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，p e r i p h e r a ld r i v i n gc i r c u i t ，v i d e os i g nd i s p o s a lc i r c u i ta n d t i m i n gc o n t r o lc i r c u i t f i r s t l y , c i r c u i ts t r u c t u r ea n dw o r kt h e o r yo fp o w e rs u p p l yc h i p l 丁c 3 4 5 0a r er e s e a r c h e df o rs m a l ls i z et f t - l c d ，t h e nap r a c t i c a l l ya p p l i e dc i r c u i t h a sb e e nd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ev o l t a g er e q u i r e d s e c o n d l y , c i r c u i ts t r u c t u r ea n d w o r kt h e o r yo fg a t ed r i v i n gc h i ph x 8 6 0 4a n ds o u r c ed r i v i n gc h i ph x 8 2 0 1 a n d d e c o d ep r o c e s sf o ri m a g ed e c o d ec h i p t 3 y 3 1 ma r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y , t h e na p r a c t i c a l l ya p p l i e dc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d ，a t1 a s t i n n e rs t r u c t u r ea n dw o r kt h e o r y o ft i m i n gc o n t r o lc h i pu p s 0 15a r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l ya n dap r a c t i c a l l ya p p l i e d t i m i n gc o n t r o lc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d t h ed r i v i n gc i r c u l a rt os m a l l 豇z et f t l c d c o n s i s t sw i t ht h o s ec i r c u i t sa b o v e i t sw o r kt h e o r yh a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i la t i e r t h ew a v es h a p eo f j o i n ts i g n si sq u a l i t a t i v ea n a l y z e d ，t h ep r a c t i c a lw a v es h a p eo r j o i n t s i g n sh a sb e e nm e a s u r e do u tb ye x p e r i m e n t s a n o t h e rt a s ki nt h i st h e s i si st h ed r i v i n gc i r c u i td e s i g nt ot f t - o l e d f i r s t l y , t h e l i g h tt h e o r ya n dd e v i c es t r u c t u r eo fo l e da r ei n t r o d u c e d t h e ni m a g ed i s p l a yw i t h h u g ei n f o r m a t i o nh a sb e e nr e a l i z e db yu t i l i z i n gr o wa n dl i n ed r i v i n gc h i p sa n dt i m i n g c o n t r o lc h i po ft f t - o l e dt o g e t h e r , c o m b i n e dw i t hm c s 5 1s i n g l e c h i pc o n t r o lt o d l i v e ( 3 2 0 3 ) 2 4 0p i x e l s t h ef u n c t i o no fd r i v i n gc h i pa n dt h ed e s i g nm e t h o df o r h a r d w a r ej o i n tc i r c u i ta r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y , t h e nas o f t w a r ef l o wc h a r tf o r s i n g l e c h i ph a sb e e ng i v e no u t k e yw o r d s ：t h i nf i l mt r a n s i s t o r ( t f t ) ；a c t i v ed r i v i n g ；t f 卜l c d ：t f t o l e d 中国科学院长春光学机密机械与物理研究所 碰士学位论文 2 绪论 第一章绪论 1 1 引言 网络与无线通信技术的发展及其产品的迅速普及，全球数字化进程的快速推 进，促成了信息技术( i t ) 与产业的蓬勃兴起，也为映像和信息显示技术创造了 广阔的市场和良好的机遇，各种平板显示技术成为人们研究丌发的热点。进入新 千年，作为信息产业的重要构成部分一显示器f 在加速推进其平板化的进程。陶 自世界已进入“信息革命”时代，显示技术及显示器件在信息技术的发展过程 i l 占扼了f 分重要的地位，电视、电脑、移动电话、b p 机、p d a 等可携式设备以 及各类仪器仪表上的显示屏为人们的同常生活和工作提供着大量的信息。没有显 示器，就不会有当今迅猛发展的信息技术。显示器集电子、通信和信息处理技术 于一体，被认为是电子工业在2 0 世纪微电子、计算机之后的又一重大发展机会， 科学技术的发展日新月异，显示技术也在发生一场革命，特别是自9 0 年代 以来，随着技术的突破及市场需求的急剧增长，使得以液晶显示( l c d ) 为代表 的平板显示( f p o ) 技术迅速崛起。据s t a n f o r d 公司预测，f p d 市场规模正在以 年增长率1 6 2 的速度发展着，到2 0 0 0 年f p d 和c r t 的产业都达到3 0 0 亿美元， c r t 平均年增长率不足6 3 ，远低于f e d 的平均增长率，且f p d 增长率仍在继续 提两，c r t 在继续下降，替代趋势十分明朗，可以说平板显示将成为2 1 世纪显 示技术的主流，其产业和市场在不断扩增之中。 经过二十多年的研究、竞争、发展，平板显示器已进入角色，成为新世纪显 示器的主流产品，目前竞争最激烈的平板显示器有四个品种：场致发射平板显示 器( f e d ) 、等离子体平板显示器( p d p ) 、薄膜晶体管液晶平板显示器( t f t l c d ) 和有机电致发光显示器( o l e d ) 。 显示器产业的专家一直期望有机薄膜电致发光材料能提供真f 的象纸一样 薄的显示器。有机薄膜电致发光具有低电压、低功耗、自发光、高亮度、高对比 度，薄、轻，单片结构，重量只是l c d 的一半，加工不复杂，可以彩色化，发光 效率高，快速响应，宽视角的固体平板显示器。大规模工业生产的成本很低，将 作为t f t l 。c d 的主要竞争对手，但是o l e d 仍有不尽人意之处，在寿命和彩色问题 卜，要获得彻底解决后，将在中小屏幕的显示器件上大放异彩1 1 1 。这使得( ) l 上d 难以在短期内大幅度的取代l c d 。 电泳动显示( e p d ，e l e c t r o p h o r e t icd i s p l a y ) 和厚膜电致发光显示( t d e l ， 7 h jn k d i e l e c t r i ce l e e l r o l u m i n e s c e n t ) 技术是新兴平板显示技术。电泳动显 示技术成本低，器件物理化学性能稳定，能在特殊的环境( 水，紫外辐射) 卜- 工 作，轻薄如纸( 5 m i l ) ，结实耐用，可弯曲，宽视角，低功耗，堪称真正的电子 纸。该技术目l ；i 尚处在发展的初级阶段，ei n k 公司研制的e p d 电子阅读器样机 ( 如图l 一1 ( a ) 所示) 已问世，即将投入批量生产”。t d e l 技术工艺简单，产 中国科学院长春光学机密机械与物理研究所硕士学位论丈 j 、尺寸t f t l c d 驱动电路的设计 业化总体成本投入较少( 约为l c d 的6 0 ) ，产率高，加拿大i f i r e 公司已研制 出1 7 英寸面板样机( 如图1 - 1 ( b ) 所示) 。3 。低成本是e p d 和t d e l 进入平板显 示市场的关键支撑点，e p d 和t d e l 技术的进一步发展和完善，不仅给c r t 造成 毁灭性的威胁，也将给现有的f p d 技术带来严峻的挑战。 ( b ) 图1 一l ( a ) e i n k 公司e p d 电子阅读器样机 ( b ) i f i r e 公司1 7 英寸t d e l 面扳样机 液晶平板显示器，特别t f t l c d ，是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、 体积和重量等综合性能上全面赶上和超过c r t 的显示器，它的性能优良、大规模 生产特性好，自动化程度高，原材料成本低廉，发展空间广阔，将迅速成为新世 纪的主流产品，是2 l 世纪全球经济增长的一个亮点。 1 2t f t l c d 的发展 在众多的平板显示器激烈竞争中，何以t f t l c d 能够脱颖而出，成为新一代 的主流显示器决不是偶然的，是人类科技发展和思维模式发展的必然。液晶具有 液体的流动性和晶体的各向异性，低压、微功耗等特点。利用液晶作为光阀的优 良特性把发光显示器件分解成两部分，即光源和对光的控制。作为光源，无论从 发光效率、全彩色，还是寿命，都已取得了辉煌的成果，而且还在不断深化之中。 l c d 发明以来，背光源在不断地进步，由单色到彩色，由厚到薄，由侧黄荧光灯 式到平板荧光灯式。在发光光源方面取得的最新成果都会为l c d 提供新的背光 源。随着光源科技的进步，会有更新的更好的光源出现并为l c d 所应用。余下的 就是对光的控制，把半导体大规模集成电路的技术和工艺移植过束，研制成功了 薄膜晶体管( t f t ) 生产工艺，实现了对液晶光阀的矩阵寻址控制，解决了液晶 显示器的光阀和控制器的配合，从而使液晶显示的优势得以实现。 液晶显示器包括无源矩阵液晶显示器( p m l c d ) 与有源矩阵液晶显示器 ( a m l c d ) 。s t n 与t n 液晶显示器均同属于无源矩阵液晶显示器。9 0 年代，有 中国科学院长拳光学机密机械与物理研究所 硕士学住论文 绪论 源矩阵液晶显示器技术获得了飞速发展，特别是薄膜晶体管液晶显示器 ( t f t l c d ) 。它作为s t n 的换代产品具有响应速度快、不闪烁等优点，广泛应 用到便携式计算机及工作站、电视、摄录像机和手持式视频游戏机等产品中。 a m l c d 与p m - l c i ) 的差别在于前者每像素加有开关器件，可克服交叉干扰，可得 到高对比度和高分辨率显示。当前a m l c d 采用的是非晶硅( a s i ) t f t 丌关器 件和存储电容方案，可得到高灰度级，实现真彩色显示。 1 3 国际技术水平和现状 t f t l c d 技术已经成熟，长期困扰液晶平板显示器的三大难题：视角、色饱 和度、亮度已经获得解决。采用多区域垂直排列模式( m 、，a 模式，m u l t i _ d o m a in v e r t j c 8 la 1 i g n m e n t ) 和面内切换模式( i p s 模式，i n p l a n es w i t c h i n g ) 使液 晶平板显示的水平视角都达到了l7 0 度。m v a 模式还使响应时问缩短到2 0 m s 。 从技术角度来看，t n 。f i l m 解决方案是最简单的一种，t f t 显示器制造商将 过去用于老式l c d 显示器的扭曲向列( t n ：t w i s t e dn e m a tj c ) 技术，同t f t 技术 相结合，从而有了t n + f i l m 技术。这项技术主要就是通过显示屏覆盖层特殊的 薄膜，来扩大可视角度可以把可视角度从9 0 度扩大到大约1 4 0 度。如图1 2 所示，t n + f i1 m 同标准t f t 显示器一样都是通过排列液晶分子来实现对图像的控 制，它在上表面覆盖一层薄膜来增大可视角度。图1 1 列出了t f t 技术比较示意 圈。 幽1 1 图1 2 4 ：过t p t 显示器相对弱的对比度和缓慢的响应时间这些缺点仍然没有改变。 所以t x + f i 】m 这种方式并不是最好的解决方案，除了它的造价最便宜之外没有任 何可取之处。 i p s 就是i n p l a n es w i t c h i n g 的简称，意思就是平板丌关，又称为s u p e rt f t 。 中国科学院长春光学机密机械与物理研究所硕士学值论文 尺寸t f t l c d 驱动电路的设计 最早由h i t a c h i ( 日立) 开发，现在n e c 和n o k i a 也使用此项技术制成显示器。这 项技术同扭曲向列显示器( t n f i l 】) 的不同就在于液晶分子相对于基本排列方 式不同，如图1 3 ，当加上电压之后液晶分子与基板平行排列。 采用这项技术的显示器可视角度达到了1 7 0 度，已经同阴极射线管的可视角 度相当了，不过这项技术也有缺点，为了能让液晶分子平行排列，电极不能象 扭曲向列显示器( t n f i l m ) 一样，在两层基板上都有，只能放在底层的基板上 这样导致的直接结果就是显示器的亮度和对比度明显的下降，为了提高亮度 和对比度，只有增强背光光源的亮度。这样一来，响应时间和对比度相对于普通 t f t 显示器而言更难提高了。所以这项技术似乎也不是最好的解决方案。 m v a ( m u l t 卜d o m a i nv e r t i c a la l i g n m e n v g s v t ，v 6 s v t ，漏极电流为 ，。= i 1 心。x w ( v o s v t ) 2 当t f t 处于关断状态时，漏极电流为 w l 。f f 。q n l jds _ y d s ( 2 2 ) ( 2 ，3 ) 式中c 。、q 、n 、“、w 、l 和d 。分别为栅氧化层电容、电子电荷量、电子密度、 载流子迁移率、沟道宽度、沟道长度和有源区沟道厚度。i 。、的大小反映了沟道 导电能力的强弱，如果i 。太小，将影响m o s 管的增益和输出动态范围，但是如 果1 。太大，会引起直流功耗过大。 2 3t f t 工作原理 图2 6 为彩色t f t l c d 模块截面图。模块由彩色t f t l c d 屏、背照明单元及阍 边驱动电路构成。彩色t f t l c d 屏是由t f t 阵列玻璃板和彩色滤光膜玻璃板之间央 心液晶材料组成的。为了控制液晶层厚度，在液晶层内分散分布玻璃( 或塑料) 微球，两个玻璃板表面涂布取向层( 即配向膜) ，控制液晶分子定向排列。上下 基板对位精度要求彩膜板的黑矩阵正好对准i t 0 像素电极的边缘。背照明单元由 幽2 6 彩色t f t l c d 模块截面豳 侧面冷阴极灯( 灯直径1 5 - 2 r a m ) 和导光板组成，导光板背面和侧面贴反射膜 导光柝下面贴塑利透镜膜和漫射膜，使光照更均匀。用t a b ( t a p ea u t o m a t e d 中国科学院长拳光学机密机械与物理研究所硕士学位论文 b o n d i n g 。：皇茔焊垄柔性线路板带) 方式以a c f ( a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ef i1 m ： 苎曼异篓曼，甓熙) 榔，t c p ( t a p ec a r r i e rp a c k a g e ：装载驱动i c 的柔茬引菇幕) 连结，t c p 另侧与装载控制电路板焊接。 。 。翌i ! o ! 警素亨窘贮特性，存贮时间长短取决于t f t 关态电阻和液晶像素电 妻：。至些宴查的r c 常数。因此，t f t l c d 驱动方式不同于t n 、s t n 。t f t - l c d 象 箜塑和墨挚脉冲粤压如图2 7 所示。歼通t f t ，并在短时间内充电，要求t f t 丌态 烹阻翟茎j ? ，但放电时间大于帧周期1 7 m s ( 6 0 h z ) 。对v g a 显示，扫描存数菇i 晶 呈。这篓粤粤墨番7 7 1 巧关比在l o ；以上。然而，t f t 性能受温度影响，在实际应 粤室：，墅差些窘孳到jo ? 掣上。为了保证液晶材料寿命，用交流电压脉鬲彖易磊 晶屏应每帧反转电压极性。 。一 ”。= 慵 糌性 性 操持特性 z j 蚶 l j1 厂， 甜。 ； f qm r 墅堕斗堑型年 图2 7t f t l c d 像素结构和驱动电压波形 2 4 t f t l c d 的显示驱动原理 中圆科学院长喜光学机密机械与物理研究所 硕士学位论文 尺寸t f t l c d 驱动电路的设计 故据忙甘 图2 8f f l x l 1 点阵型t f t - l c d 的电极构成和驱动波形 、 斟2 9 逐行扫描和逐点扫描 在驱动m n 矩阵的t f t l c o 时，将扫描电路的寻址信号( 或顺序扫描信号) 供给栅线( 行线) y h y 2 ，y3 ，y 。另外，将数据电路的数据信号( 或显示数据 信号或模拟输入信号) 供给数据线( 列线或源总线) x 1 ，x 2 ，x x m 。t f t l c d 的t f t 放在t f t 基板上的栅线和数据线的交点上，用栅极总线选通1 行像素，从 数据线上输入模拟信号。t f t l c d 的驱动采用“逐行扫描”，所以可任意选通某 一个栅极总线y 的像素，如果依次选择栅极y h 的像素，从y 起按顺序选到y 。， 整个画面选通完后构成个画面，称为1 帧。将1 帧的时间进行分割，每个栅极 分给一定的时间( 选通时间) t i , t 2 , t 3 ，如图2 8 所示t f t 和像素的等效电路。 在t l 期间，给栅线y 】施加寻址信号，接通y l 上所有的t f t ，成为导通状态。然 后，数据线x lx 2 ，x 3 x 。的数据信号，通过t f t 加在像素电容c i 。和存贮电容 中国科学院长春光学机密机械与物理研究所硕士学住论更 啪 j 霪鹃 ，- ，淼、 象御 t f t l c d 结构扫- 7 2 作原理 c 。上，并由各自的数据信号电压充电。在t 2 期间，关断栅极总线y ，上所有的 t f t 和由y l 所选择的像素，从数据线上断电。所以，在t 1 期间充电的数据信号， 由像素电容器c l 。和存贮电容器c 。来保持。而且，在t s , t 4期间也保持电荷，可 储存帧的时间。一方面，接通y 2 栅线上所有的t f t ，数掘线上的数掘信号通 过t f t 来供给y 2 选择的像素束形成图像，对c 1 。和c 。充电到数据信号电压，即 像素电压。然后，重复进行同样的动作，完成1 帧的驱动。 这样将供给的数据信号，由寻址信号通过控制丌关的t f t ，写入到像素电容 器c i 。和存储电容器c ；，就成为像素电压。以此像素电压和对面公共电极上的电 压之差，使之显示图像。并且，被写入的数据信号，可保持到下一个寻址信号来 时为止，即下一个寻址信号把数据再写入为止，一直保持前一个数据信号，直到 再写入数据信号更新画面。所以，从液晶角度，因保持着数据信号施加的电压， 实质上液晶在一帧时i 旬内做静态动作。 2 5t f t l c d 的各种驱动电路 为了显示多彩色，有各种驱动方式如图2 。1 0 所示，电压选择方式5 】时间 分割方式【6 】斜坡方式【7 d a c 方式1 8 月1 0 模拟方式等。显示彩色色数少( 狄度级 少) 时，图2 1 0 ( a ) 也足够用。但显示彩色色数多( 荻度级多) 时，则所供给的电压 级数也多，l s i 芯片的尺寸也大，且电源电压数量也增多。如图2 1 0 ( b ) 改进 了这些缺点，它是在灰度级电压v o v 1 5 中引出几个电压输出端，引出的中f 自j 电 压用交替输出的两端的2 个电压来形成。从缺点角度看液晶像素负载，可认为是 一种低通滤波器，所以用相当高的频率交替输出两个电压，将直流成分的写入电 压施加到像素上。此电压用切换时l 、白j 比束决定，实现任意的中间电压，此方式供 给的电压电平数少，能减少l s i 芯片尺寸，而且也能减少电源数目。另外，如图 2 1 0 ( c ) 所示输入r g b 信号的斜坡( 倾斜的脉冲波) ，并由数字信号脉宽调制( p w x 4 ) 而取样的方式。这种方式由于是把斜坡用适当定时，利用同步取样来输出所要的 电压，所以称斜坡方式。它由于需要产生斜坡电路，因而电路的构成复杂。为克 服这种缺点，如图2 1 0 ( d ) 方式，在每个输出上内减d a c 。此d a c 方式有电阻 型d a c 方式和电容型d a c 方式，电容型d a c 方式对l s i 参数偏差依赖性小，其简 化电路如图2 1 1 所示。此方式基本上不用从外部供给灰度用电压电平，因而也 不需要电压电平输出线。然而，实际上为了补偿液晶的7 特性需要几根y 校正用的 电压线。因为在l c d 中，驱动i c l s i 的d a c 图像数据信号是线性变化，而液晶 的电光特性是非线性，所以要调节对液晶所加的外加电压，使其满足液晶显示亮 度的线性，即v 校f 。它不同于c r tv 校正l i “”j ，即c r t 的r g b 三基色荧光粉发光 与图像数据信号电压不成比侧，所以为使发送信号端r g b 信号特性与c r t 特性吻 合而校f 发送信号使得接收端信号发光成线性。 中固科学院长春光学机密机械与物理研究所硕士学住论支 j 、尺寸t f t l c d 驱动电路的设计 ( d ) dj 圯方式 ( t ) 梗拟方式 剀21 01 6 灰度t f t - l c dj = | = | 驱动i c l s i 备种电路方式 “坠 幽21 1 2 5 6 灰度8 比特川d a c 方式简化电路例 2 6l c d 屏接口技术和抗干扰措施 l e d 与微控制器的接口技术，目前市面上的液晶显示模块是将接口电路、行 列驱动以及液晶屏组合为一体的专用模块，模块中常有两片以上的c m o s 大规模 集成电路，对夕卜与控n b a 0 , j j 接口功能只是一些工作方式寄存器的读写和对应的点 阵r a m 的读写，具体工作的方式控制、扫描显示及驱动均由模块内的集成电路来 中国科学院长春光学机密机械与物理研究所硕士学位论文 年一 一鬻麓 一c 毳_髓一粕曩斛巧暴 尺寸t f t l c d 驱动电路的设计 完成。控制器与l c d 交换数据信息有串行通讯方式( 通过r 8 2 3 2 接口) 和并行通讯 方式，l c d 显示屏大多采用并行接口方式。 并行接口外接口线的读写时序常见以下两种模式。( 1 ) 8 0 8 0 模式，这类模式 通常有下列接口信号：v c c ( 工作主电源) 、v s s ( 公共端) 、v e e ( 偏置负电源，常用于 调整显示对比度) 、r e s ( 复位线) 。d b o d b 7 ，双向数据线。d i ，数据指令选 择线( 1 ：数据读写，0 ：命令读写) 。c s ，片选信号线( 如果有多片组合，可有多条片 选信号线) 。w r ，s p u 向l c d 写入数据控制线。r d ，m p u 从l c d 读入数据控制线。 ( ：) 6 8 0 0 模式，在这种模式下，v c c 、v v ”v e e 、r e $ 、d b o d b 7 、d i 的功能同 模式( 1 ) ，其他信号线为：r w ，读写控制( 1 ：m p u 读，0 ：m p u 写) 。e ，允许信号( 多片组 合时，可有多条允许信号线) 。在接口电路中，微控制器与l c d 的接口常采用两种 方式：( 1 ) 总线式接口方式，该方式适用于各种c p u ( 如8 0 8 6 ) 芯片和具有并行总 线( 地址总线、数据总线、控制总线) 接口的单片机( 如m c s5 1 系列