（微电子学与固体电子学专业论文）lcos显示技术研究.pdf

中文摘要 在本次毕业设计中，主要的工作目标是设计一款具有实用价值的l c o s ( l i v i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 液晶显示芯片。在设计过程中，坚持以全定制模拟 集成电路开发方法为指导，结合实际的液晶显示要求和芯片功能实现要求，逐步 完善了l c o s 芯片的设计与验证。设计的l c o s 芯片采用t s m co 3 5 u m 2 p 4 m n 阱c m o s 工艺，在电子设计工具c a d e n c e 环境下，进行了电路的设计与校验。 本次设计的l c o s 显示芯片电路结构以a c e r d a c ( a d i a b a t i cc h a 培h 培e n e r g y r e c o v e r yd i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r s i o n ) 结构为核心，能够很好地应用 a c e r ( a d i a b a t i cc h a r g i n ge n e r g yr e c o v e r y ) 低功耗理论，并实现数据的广播方式 传送和数据的流水线操作。设计的l c o s 显示芯片，可以工作在5 v 工作电压下， 显示分辨率为1 0 2 4 7 6 8 ，具有六位数字视频信号输入接口，能够接收帧频为 6 0 h z 以上的数字视频信号。设计的l c o s 基础显示单位具有很好的可重复性， 便于以后显示分辨率的调整以及显示性能的优化。对于液晶显示的非线性校正也 有着比较好的处理方法。在设计的最后，使用c a d e n c e 工具，绘制了整个芯 片的版图，并进行了d r c ( d e s i g nr u l ec h e c k ) 、e r c ( e l e c t r i c r u l e c h e c k ) 、 l v s ( l a y o u t v e r s u ss c h e m a t i c ) 、l p s ( l a y o u tp o s ts i m u l a t i o m 等校验工作。经过系 统整体仿真和版图校验，设计的l c o s 芯片可以按预期要求实现既定的功能，能 够很好地按着a c e r d a c 模式进行工作，实现了基本的液晶显示驱动功能，而 且在版图绘制上能够在给定的空间里合理的完成电路的布局布线。本次设计的 l c o s 芯片可以参与实际的流片，做适当的调整与改进之后具有很好的市场应用 价值。 关键词：l c o s 、液晶显示、a c e r d a c 、c a d e n c e a b s t r a c t t h ec e n t r a lw o r k o b j e c t i v ei sd e s i g n i n gt h e “l c o s ”( l i q u i dc r y s t a lo n s i l i c o m l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc h i p t h a tp o s s e s s e sp r a c t i c a lv a l u ei nt h i sg r a d u a t i o n p r o j e c t i n d e s i g n i n gt h ec o u r s e ，t h ea n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i tf u l lc u s t o md e v e l o p m e n tm e t h o d p e r s i s t e di st h eg u i d a n c e ，a n dc o m b i n e s t h a tt h er e a ll i q u i dc r y s t a ld i s p l a yi sa s k e da n d t h ec h i pf u n c t i o nr e a l i z a t i o nr e q u i r e m e n t ，a n dm a k e d p e r f e c tt h ed e s i g na n dv e r i f y i n g o fl c o s sc h i ps t e pb ys t e p l c o s sc h i po fd e s i g na d o p t s “t s m co 3 5 m n2 p 4 mn t r a pc m o s ”t e c h n o l o g y , a n dd e s i g n su n d e rt o o lc a d e n c e se n v i r o n m e n t ，a n dh a s c a r r i e do nt h ed e s i g na n dc h e c k i n go fc i r c u i t t h el c o s c h i p sc i r c u i ts t r u c t u r et a k e s a c e r d a c ( a d i a b a t i cc h a r g i n ge n e r g yr e c o v e r yd i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r s i o n ) s t r u c t u r ea st h en u c l e u st ot h i sd e s i g n ，a n da p p l i c a t i o na c e r ( a d i a b a t i cc h a r g i n g e n e r g yr e c o v e r y ) t h a tc a nb ev e r yg o o dr e d u c e dp o w e rt h e o r y , a n dr e a l i z e st h e a s s e m b l yl i n eo p e r a t i o no f t h eb r o a d c a s t i n gm e t h o do fd a t ac o n v e y i n ga n dd a t a t h e l c o s c h i p c a nw o r ku n d e r5 v sw o r k v o l t a g e ，a n ds h o w r e s o l u t i o n p o s s e s s i n gt h es i x f i g u r e sw o r d v i d e os i g n a li n p u ti n t e r f a c e sf o r1 0 2 4 7 6 8 ，a n dc a nr e c e i v et h en u m e r a l v i d e os i g n a lm o r et h a n s e r v i n ga s t h e6 0 h zo f f r a m ef r e q u e n c y t h el c o sf o u n d a t i o n o fd e s i g ns h o w st h eu n i ta n dp o s s e s s e sv e r yg o o dr e p e t i t i o nn a t u r e ，a n ds h o w s o p t i m i z a t i o ni na d j u s t m e n ta s w e l la st h ed e m o n s t r a t i o no ft h er e s o l u t i o nf u n c t i o n a f t e rb e i n ge a s yt oa n da l s oh a st h e f a i r l y b e t t e rp r o c e s s i n gm e t h o da sf o rt h e n o n l i n e a r i t yc o r r e c t i o no fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y f i n a lt h ed e s i g n ，u s i n gc a d e n c e s t o o l ，a n dd r e w t h el a y o u to fw h o l e c h i p ，t h ed r c ( d e s i g n r u l ec h e c k ) ，e r c ( e l e c t r i c r u l ec h e c k ) ，l v s ( l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c ) a n dl p s ( l a y o u tp o s ts i m u l a t i o n ) e t c c h e c k sw o r kt oa d v a n c es i d eb ys i d el i n e w h a tf r o me n t i r es i m u l a t i o na n dt h el a y o u t o fs y s t e mc h e c k sc a nr e f l e c ta tl a s tl c o s sc h i pd e s i g n i n gc a nb er e a l i z e dt h es e t f u n c t i o na c c o r d i n gt ot h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t ，c a nv e r yg o o dw o r k ，a n dr e a l i z e dt h e l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd r i v ef u n c t i o no f f o u n d a t i o na c c o r d i n gt oa c e r d a c sm o d e l ， a n da tt h ed o m a i nd r a w sa l s oc a nb er e a s o n a b l ei nt h ep r e s e ts p a c et h el a y o u tw i r i n g t oa c c o m p l i s ht h ec i r c u i t w h a tl c o s sc h i po ft h i sd e s i g nc a nb e p a r t i c i r a t e di nr e a l t a p eo u t ，a n dd o e sa f t e r s u i t a b l ea d j u s t m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n tp o s s e s s i n gv e r y g o o d m a r k e t a p p l i c a t i o n v a l u e k e yw o r d s ：l c o s 、l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 、a c e r d a c 、c a d e n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天盗大鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磅_ 也 签字日期：z 一弓年，月弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 中亏器 i， 签字日期：沙弓年1 月f 毕日签字日期：p 一多年1 月，日 前言 科技的进步不断地推动着社会前进，不断地改变和丰富人们的生活。图像信 息技术的出现就极大地扩展了人们所获取的信息与知识量。众多科学家和工程师 们不断地努力使得人们可以享受更加丰富多彩的信息。在不断的追求与探索中， 新型的显示技术也在不断的涌现。本篇论文中所探讨的l c o s 显示技术就是一种 新型的显示技术，它将引领显示领域新的潮流。 l c o s 显示是lcd 与cm os 集成电路有机结合的反射型新型显示技术， l c o s 作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其 应用产品被广大消费者和业内人士看好，l c o s 是hdtv 的背投影技术发展的 主要方向。同时l c o s 技术在大屏幕投影显示中具有重要地位，由于经济和轻便， 它将成为目前crt 技术大屏幕投影电视机的主要竞争者。随着hdtv 的推广 应用，将加快其产业化进程。 l c o s 是一种新型的液晶显示技术，可以充分利用液晶显示技术的诸多优点 实现高分辨率的、清晰的、逼真的图像显示。l c o s 显示技术最显著的特点就是 与发展很成熟的c m o s 工艺技术的相结合。c m o s 技术制作的液晶驱动电路有助 于实现高度的驱动电路集成化，使液晶显示驱动电路具各更好的液晶显示驱动能 力。 在目前的大屏幕、高分辨率显示领域中，l c o s 是最有发展潜力和市场前景 的新兴的显示技术。有消息报道，欧洲在2 0 0 4 年以后，将开始逐步回收有着高 辐射的c r t 显示器，具有天然环保特性的液晶显示将成为显示器领域中的主力 军。以目前的t f t 液晶显示器为例，其成本主要集中在液晶的面板上，当显示尺 寸不断的变大的时候，巨大的液晶面板成本，将制约大尺寸t f t 液晶显示器的发 展。对于新兴的l c o s 显示技术由于其仅仅使用一时以下的液晶面板，其系统成 本将远远低于t f t 液晶技术。l c o s 本身在显示亮度上、显示分辨率上都有着其 他技术不可比拟的优势。正因为技术上的优势和广阔的市场前景，很多公司都在 致力于l c o s 显示系统的研究与开发。 目前在l c o s 系统的研制中，欧洲、日本、韩国和台湾都取得了一定的成果。 主流的l c o s 设计以0 3 5 u r ns i c m o s 工艺为基础，显示面板为0 7 时左右，可以 支持多制式的电视显示要求，以及数字化的接口。目前l c o s 产品分辨率均在1 0 2 4 7 6 8 以上，以三片式反射为基础形成色彩显示。 l c o s 显示芯片的设计技术是目前很多从业工程师正努力研究开发的融合多 学科的综合显示技术。由于l c o s 显示技术是- f 新兴的技术并且l c o s 显示技术 要融合包括c i o s 电路，液晶显示，光学系统等多领域的知识，因此成功地设汁 一款l c o s 芯片并不是一件很简单的事情，需要设计者不断地探索与创新。本篇 论文f 是以探索l c o s 显示技术为出发点，综合液晶显示原理和c m o s 电路设计原 理，提出一种可行的l c o s 设计方案。 本篇论文主要研究的是l c o s 显示技术中的l c o s 芯片的设计技术，对基于液 晶的制各、液晶与集成电路的封核、l c o s 显示光机系统的组成以及成品l c o s 样 机的分析等内容只作简单的介绍。行文中主要的内容为：第一章主要介绍l c o s 的显示原理，以液晶显示原理为基础，讲述液晶显示技术是如何形成图像信息的。 第二章主要介绍的是l c o s 的结构，说明l c o s 在构成上和电路上的特点。第三章 主要介绍的是针对l c o s 特点的，能有效节省电路功耗的a c e r 结构。第四章主要 描述的是a c e r d a c 结构的l c o s 显示芯片的具体电路实现。第五章对a c e r d a c 结 构的l c o s 芯片做晶体管级的模拟分析，以及验证所能实现的具体功能，并提供 设计最后的版图设计结果。 本次设计的l c o s 芯片采用t s m c 0 3 5 2 p 4 m 工艺，实现六位数字输入，显示规 模为1 0 2 4 7 6 8 。 限于本入水平所限，论文中定当存在不足和纰漏之处。欢迎老师和相关专家 以及所有阅览此篇论文的同志提出批评指正意见1 2 朱旭 露一章液晶显示原理 第一章液晶显示原理 1 1 液晶材料及其性璇 滚鑫是巍跨形分予、盘形分子等不具有蘧对穆瞧熬分子缀藏驰都分有痔物 赝。它不同予分子排耐完全混乱的器向阏性液体，也有别子分予翦 列完全有序潞 晶体。这种介于晶体与液体之间的分子排列以及分予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，甚至远比它们熙蔑杂的特性。方面，液晶 其有流体匏滚动特装；勇一方蠢，滚鑫又呈瑗窭晶傣黼有豹空凌务蠢异淫，包缮 介电、磁极化、光折射系数等的空间各向异性性。液晶分子的部分有序排列还靛 得液晶具有类似于晶体的能承受扰乱这种秩序的切变应力。也就慰说，液晶具有 凌变弹性搂爨。在实际瘦援中，液晶豹流动蛙、余恕与走学往驻黥器向异牲以及 液晶的弹性，都是极为重要的，它们可控制液晶显示性能的参数。“。 随着人们对液晶的逐渐了解，发现液晶物质基本上都是有机化台物，现有的 有机化合物中每2 0 0 种中就有一种具有液晶相。 麸藏分秘密瑗滚晶藤懿耪瑾条 孛柬髫，滚晶霹以分为燕羧滚繇箱溶致滚磊礴 大类。把某她有机物加热溶解，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液 晶，就是如前面所说由予温度变化而出壬盥的液晶相。把某些有机物放在一定的溶 裁中，由于溶裁骧坏缚燕爨格薅形戒熬液晶稼为溶致滚晶，宅是囊予溶菠浓度发 生变化而出溅的液晶相，镦常见的有目薹皂承等。目前糟于显示的液晶材料基本上 都是热致液晶，而生物系统中则存在大摄溶致液晶。目前发现的液晶物质已有j 琏 万种。构成激龋物质的分予，大体上墅细长棒状或扁平片状，并且在每秘液晶栩 中形成特殊赘 翔。 由秆形分子形成的液晶，其液晶相共有三大炎：近晶相( s m e c t i c1 i q u i d c r y s t a l s ) 、向列相( n e m a t i cl i q u i dc r y s t a l s ) 和服 5 5 相( c h o l e s t e r i cl i q u i d c r y s t a l s ) 。s m e c t i c 囊琴疆语瑟寒，怒惩皂获之意，因这静类裂豹液晶在浓怒 皂水溶液中，都显示特有的偏光显徽镜像，因而命名为皂相。分予分层摊歹i ，育 同一方向，比较接近晶体，故译近晶桐。n e m a t i c 也是由希腊语而来，是丝状之 意，因这神液照的薄层在偏光显微镜下躐察时，呈现丝状型织构，敞称之为丝捆。 分子位黉袈蘸，僵方向大致致，敛译囱剃福。疆掰鼹滚螽戴是囊予藏耱渡瑟簸 早是从胆甾醇类物质中发现的，故称之为胆蹦相。 ”。 3 第一章液晶显示原理 图1 1 近晶相液晶 近晶相液晶是由棒状或条状 分子组成，分子排列成层，层内分 子长轴相互平行，其方向可以垂直 于层面，或与层面成倾斜排列。因 分子排列整齐，其规整性接近晶体， 具有二维有序性。分子质心位置在 层内无序，可以自由平移，从而有 流动性，但粘滞系数很大。分子可 以前后、左右滑动，但不能在上下层之问移动。因为它的高度有序性，近晶相经 常出现在较低温度范围内。 向列相液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有 近晶相液晶中那种层状结构。向列相中分子的重心混乱无序，但分子( 杆) 的指 向矢n 大体一致，如图1 - 1 所示。图中故意用完全对称的杆来代表分子，即杆不 是一头尖，一头圆，没有n 与一n 区分。这个等价性是向列相液晶与其他液晶( 如 近晶相) 的个基本特性。而向列相分子指向矢的有序排列，却使向列相物质的 光学与电学性质，即折射系数与介电常数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而 不同。正是由于向列相液晶在光学上显示正的双折射性的单轴性与电学上的介电 常数各向异性，使得用电来控制光学性能，或液晶显示成为了可能。1 2 j z x 图1 - - 2 向列相液晶分子排列 此外，与近晶相液晶相比，向列液晶的粘度小，富于流动性。产生这种流 动性的原因，主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。事实 上不少向列相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。向列相液晶分子的排列 和运动比较自由，对外界作用相当敏感，因而应用广泛。目前液晶显示器，例如 扭曲向列相液晶显示器、超扭曲向列相液晶显示器等所用的液晶材料均属向列相 液晶材料。 胆 = ；醇经脂化或卤素取代后，呈现液晶相，称此为胆甾相液晶。这类液晶 分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。不同层的分子长轴方向稍有变 化，沿层的法线方向排列成螺旋结构。 4 h= i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i l i l i i i ii 第一章液晶显示原理 胆绺卡目 液晶分子 指向矢 图1 3 胆甾相液晶分子排列 当不同的分子长轴排列沿螺方向经历3 6 0 。的变化后，又回到初始取向，这 个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺距( p ) 。胆 相实际上是向列相的一种 畸变状态。 在外电场或外磁场的作用下，或者改变温度，会使液晶发生相变，发生相变 后液晶的光学性质，例如折射率或透光率也会发生相应变化。利用这种相变效应 可以实现液晶显示。 光是一种电磁波，我们将其电场方向称为光的偏极方向。我们可用偏光器来 选择某一特定方向之偏极光。己偏极化的光再经过一个偏光器时可全部通过或部 分通过，视第二个偏光器的方向而定。在图1 4 中经过第一个偏光片的作用， 入射光己变为垂直方向的偏振光，若第二个偏光片与其偏振方向相同则有光线通 过；若第二个偏光片与其偏振方向垂直则没有光线通过。”。 假 设 光 从呻 左 边 进 入 。r s 二王e 卜e c 卜卜有光遭过 。耋二_ l 习p _ _ 乏一无光遭过 射光偏光片偏撼光偏光片出射光 图1 - 4 偏光器之功能 光经过物质时，折射率与光偏极化的方向有关。在大部分向列型液晶中，光 偏极化方向与液晶分子排列相同时折射率较大，光偏极化方向与液晶分子排列垂 5 第一章液晶显示原理 直时折射率较小。 一偏极光经过一液态晶体后其偏极方向有时会改变。到底会 = 1 ；会改变则视液态晶体之排列而定( 见图卜5 ) 。所以我们改变液态晶体之排列 方式即可改变通过光之偏极性。 图卜5 不同的液晶排列对光之偏极化有不同之影响 1 2 液晶显示器原理 液晶显示器( l c d l iq u i dc r y s t a ld is p l a y ) 的显像原理，是将液 晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子 扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间 产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。 在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃 基板配向膜沟槽偏离9 0 度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板 没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做9 0 度扭转，通过下方 偏光板，液晶面板显示白色( 如下图左) ；当玻璃基板加入电场时， 液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方 偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色( 如下图右) 。 液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。 图1 6 液晶显示器原理图 6 第一章液晶显示原理 液晶显示器( l c d ) 是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、 辐射低、易于携带等优点。液晶显示器( l c d ) 的原理与阴极射线管显示器( c r t ) 大不相同。l c d 是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显 示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液 晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时 导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过：不通电时，排列则变得混乱， 阻止光线通过。卜面介绍三种液晶显示器的工作原理。 “扭曲向列型液晶显示器”( t w i s t e dn e m a t i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ， 简称“t n 型液晶显示器”。这种显示器的液晶组件构造如图卜7 所示。向列型 液晶夹在两片玻璃中问。这种玻璃的表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电 极之用。这种薄膜通常是一种铟( i n d i u m ) 和锡( t i n ) 的氧化物( o x i d e ) ，简 称i t 0 。然后再在有i t 0 的玻璃上镀表面配向剂，以使液晶顺着一个特定且平行 于玻璃表面之方向排列。图1 7a 中左边玻璃使液晶排成上下的方向，右边玻 璃则使液晶排成垂直于图面之方向。此组件中之液晶的自然状态具有从左到右共 9 0 度的扭曲，这也是为什么被称为扭曲型液晶显示器的原因。利用电场可使液 晶旋转的原理，在两电极上加上电压则会使得液晶偏振化方向转向与电场方向平 行。因为液态晶的折射率随液晶的方向而改变，其结果是光经过t n 型液晶盒以 后其偏振性会发生变化。我们可以选择适当的厚度使光的偏振化方向刚好改变 9 0 度。那么，我们就可利用两个平行偏振片使得光完全不能通过( 如图1 2 所示) 。 若外加足够大的电压v 使得液晶方向转成与电场方向平行，光的偏振性就不会改 变。因此光可顺利通过第二个偏光器。于是，我们可利用电的开关达到控制光的 明暗。这样会形成透光时为白、不透光时为黑，字符就可以显示在屏幕上了。 明导电藏暖 们 透明导电豫暖 目 ( 劬不加电压加电压 图l 一7t n 型液晶显示器中液晶的排列 7 透瞄圈 第一章液晶显示原理 瀵i 廿卢卜 偏振靖擦攘光 偏攘光 编振垮 ( 与原隽向垂直) 产h ；卜汁 偏振片偏擞光 编振光 偏振脚 ( 与原糟向平行) t f t 型液晶显示器的原理t f t 型液晶显示器也采用了两必层间填充液 熬分子豹设诗。哭不过是撼左边夹篡鳇惫羧改羹f e t 藕髂警，纛裹逑夹屡戆邀极 改为共用电极。在光源设计上，t 阿的髓示采用”背遴式”照射方式，邵假想的光 源路径不是像t n 液晶那样的从左至右，而是从右向左，这样的作法是在液晶的 鹜部设置了类议目光灯的党管。光源照射对先通过森绱振片肉左遴出，借助波 黼分子来餐露光线。壶予左右夹层酶奄缀改成f e t 电狻裙莛通电裰，在f 疆龟辍 导通时，液龋分子的表现如t n 液晶的排列状态一样忿发生改变，也通过遮光和 透光来达到照示的目的。假不同的是，由于f e t 晶体管具有电容效应，能够保持 泡整装态，宠i 透走戆滚爨分子会一蠹绦持这秘狻态，蹇至lf e t 滚掇下一次再翔 电改变其排列方式为止。相对而言，t n 就没有这个特性，液晶分子旦没有被 施压，立刻就返回原始状态，这是t f t 液晶和t n 液晶显示原理的凝大不同。 “高分予漱森型渡晶鼹示器”( p o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l1 i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ) ，篱称“p d l c 墅滚藤短示器”。这耪显示器豹漩鑫缝 孛毒奄逢 如图1 3 所示。高分子的单体( m o n o m e r ) 与液晶混合腐失在两片玻璃中间，做成一 液晶盒。这种玻璃与上面所用的相同，照表面上先镀肖一层透明而导电的薄膜作 电辍。僵蹩不震要在瑗璃上镀表嚣嚣囊蠲。憩薅萼冬滚蕊鑫羧在蘩终斑下爨袈使个 体连结成高分子聚合杨。农高分子形成的同时，液晶与高分子分开衙形成许多液 晶小颗粒。这些小颗粒被搿分子聚合物固定住。当光照射在此液晶盒上，因折 射率不嗣，露褒颗粒表嚣处产生折射及发射。经过多次爱射与折射，裁产生了教 射( s c a t t e r i n g ) 。此液晶愈就像牛奶一祥星现出不透明酶翼鑫色。 足够大电压加在液晶窳两侧的玻璃上液晶顺着电场方向排列，而使每颗液 晶的排列均棚间。对正面入射光而言，这些液晶有着相同的折射率月。如果我们 8 第一章渡岛显示原理 可以选用的商分子材料的折射率与力相问，对光而言这些液晶颗粒与高分子材料 是相同的；因而在液晶畿内部没有任何折射或反射的现象产生。此时的液晶盒就 缳透臻鲍渣承一样。 ( a ) ，融h 电塌( b ) 有外电坜 捌卜。9p d l c 型液箍鬟示器组建构造 实际的穗曲耜列型场效应液晶器件要经过事先处理以使电极表面处液晶分 子预倾斜一点，加上电压聪分子将转丽罐直于电极取向，这个预倾斜角就限制了 它们豹倾斜方囱。一般还臻加入很少爨黥手征性毒孝料，铡如疆妫酵壬酸酯，来控 翻液晶分子灵潜一个方良攘整。只有事惫翻造一个其宥预经瓣藉掇睡静各矮异性 环境，才能傥液晶盒内的分子沿既定方向扭曲，加电场后沿需要的方向倾斜。“。 在组装液晶盒时，要使两个玻璃板内表面处的波黼分子的取向互相垂直。在 舞会玻璃叛之淘，滚鑫分子豹彀囱( 掇强矢) 逐激懿麴。 t y p i c m ll c k ”t r a n d w 轴n 糊 、 l l 、 、 p 科k d 6 i g - 豳1 1 0 典型的t n 型液晶电矮与透光率示意嗣 9 盯 伽 赫 。o孽鼍zo耋蛊 蓥一章液赫显示原理 如上图( 1 1 0 ) 示出了典型的t n 型液晶驱动电愿与液晶透光率曲线示意图。 不同的液晶的参数都不尽相同。可以看出，液晶的电光特性曲线并非全部线性的， 蠢蕴渡鑫毒效戆工终嚣阉只在一定熬魄压莲垂走。“。 在关态时，进入液晶盒内的光线被前偏振片起偏，其电矢量与前玻璃板内表 面处的液晶指向矢平行。因为盒内液晶朦的指向矢的扭睦螺距比可见光的波长大 褥多，通过荫偏振片后的偏振光通过渡鹣层五其偏振褥也将逐濒顺分子扭曲。当 光线到达盒的底部对光豹镝攘蟊将与鹜( 底帮) 编攘鸶静编先辘熏= 臣，这样光线 背偏振片挡住了，从背面赣过去，液晶愈不透明 对于反射式显示器中，由于每个偏振片都两次通过入射光，所以反射式液晶 蕊 孛夔对晓痰大大增麓。强锚显示技术羧是一静反懿式渡鑫技术。 第二章l c o s 显示技术分十斤 第二章l c o s 显示技术分析 2 1l c o s 显示技术 l c o s 鼹示缀理 l c o s l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 羧笨是傲在麓冀上酶一类滚貉与c m o s 王 艺相结合的新型显示技术。其用于信息驻示的原理与普通液晶显示的原理大致帽 同。液晶是一种特殊形态的物质。通常情况下在没肖外加电场作用下，液晶的分 子是无彦攒裂；嚣在有努翔毫场对滚鑫谚辩透圣亍终建瓣时籁，滚菇分子戆搀到取 向将与外加电场有关。当外部光线入射逐来时，在外部电场的作用下，液晶分予 可以如闸门般的对光线进行阻隔或者t e 光线顺利穿趱。普通的t n ( 扭曲相列型) 器件就是投攒这一特点进行工作的。囊蠢终加电场 擘羽豹时候，在液晶内部的泼 黠分子的籀商矢将顿囱予平行箨电搦捺捌。不同豹奄绣，液晶分予敬自爱度不黼。 当外加电聪大于某一闽德电压的时候，除了束缚在玻璃表面附近的部分分子外， 整个液晶层的分子的指向矢都将沿外电场排列。此时液晶层不再使入射光的偏掇 嚣产生援麴。这群嵬线将蘩无疆碍懿雾避滚曩层。森夕 热电爨终臻下，滚鑫分予 对于光线的不同的穿透率，就形成了信号显示时候的强弱不同。游就是液晶显示 器件的基本工作原理。l c o s 显示器件也是基于上述的工作原理来工作的。 l c o s 王艺结构 悉2 - t 夏蘩式l ( 0 s 箍搏结构 如图2 1 示出了典型的l c o s 显示器件的工艺结构。这是一个反射式的l c o s 缝橡。在s i 戆兹瘫上裁馋波燕显示象索豹驱动电鼹。每令m o s 窀路开关对应 l l 第二章l c o s 鼹示技术分析 赭攫示器件一i 的一个象素。当开关选通后，相应的电压就会通过液晶下面的金属， 加在显示液晶上。在图中可以看出，顶屡愈属可以有两个作用。一、用来给液晶 象索施如工作电压。二、可以趱来对透射到液晶底叛上躲光线进行反射。当光线 入精到液晶上静时候，由予苏索单元被麓上了福应静驱麓宅压，不弼的驱动电匿 对于液晶层中的来自光路的影响就不相同，反射以后的光线就会有强弱的区别， 从而实现了信息信号的显示。值得注意的跫，由于是反射式l c o s 技术，其对 c m o s 工艺套壤跨豫懿要求。蠲予镀反象援懿旗层金蕊，宓绥链够达爨程当程度 的平整度。这样才能精确的控制反射光路。典型的处聪顶层金属的工艺技术是 c m p ( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 。由于使用的时候硅片将直接暴露在光源 之下，为了避免光线对于m o s 器件的影响，对于王o s 芯片来说，必须增翅一 绥遴光层，酿消豫光电效瘦。 嚣l l c o s 彩色盟示原理 如右图2 - 2 所示为舆裂的3 片式 毛c o s 彩色显示示意圈。鬻示系统中襞翔 的特种的全热光源经过双甑镜分光器以 后，形成单色f l q 基本光红( r ) 、绿( g ) 、 兰f b ) 。每路单爨怒经过镳极豫分起镜形成 辩于褶应静l c o s 液晶羼静照鞠光添。棱 心处理器处理数字的显示信号，根据不同 的显示信号，将对应的颜色僚号r 、g 、b 革氇逛信号，麴蘩r 、g 、b 肇色l c o s 液晶屏的某一个象素单元上，当基础单儇 光照到其上的时候，电信号的不同，反射 擦鹣蕈色光约强度藏不同。反射蓐豹光线 薮谯l c o s 关 圈2 - 2 兰片式k c o s 彩色显示 经过偏极纯分巍镜在彩色复含系统孛。被笈舍为丰富多彩豹颜色，麸覆实现了彩 甑显示。目前对于l c o s 恩示技术，除了上述的三片式彩色显示方戏外，还有用 一片l c o s 芯片，采用场序分兰色滤光来实现彩色显示的。 2 2l c 0 $ 避示性雒分耩 l c o s 显示技术实际上也是一种液最照示技术，予是l c o s 显示技术秉承了 液鹣显示技术懿大部分特点。 l c o s 技术的推出主要魁针对低功耗、高分辨率、大尺寸显示的爱求。与传 统投射式液晶艇示技术不同，l c o s 显示使用的是反射式液晶显示技术。反射后 褥爨熬毙学臻譬，经建光学系统签瑾、会娥、菝夫势投影软嚣实现强缳售患豹基 1 2 彩色复合蓑 坚诩瞬函一 骜 缩 、 一 双毳键 噱 第二章l c o s 显示技术分析 示。通过光学系统后的信号可以投影在很大的屏幕上，这样就可以实现大尺寸的 图像显示。在实现大尺寸显示上l c o s 技术具备其他显示技术所不可比拟的优 势。 目前的液晶显示领域早，t f t 显示技术是一个主流的显示技术。而与t f t 液晶显示技术相比，l c o s 需要更小的液晶区域，而且有着更好的光利用率。对 于透射式液晶显示方式来说，反射式液晶显示的光利用率要高的多。l c o s 结合 的是发展很成熟的s i 基c m o s 工艺，其液晶显示的驱动电路都是通过c m o s 工 艺来实现的，这样可以保证稳定的有效的液晶驱动。t f t 液晶显示技术，如果想 要实现大尺寸的显示要求，则必须需要更大面积的液晶，更大规模的透明薄膜晶 体管作驱动电路，这就造成了在成本和稳定性上的劣势。这也是为什么大尺寸 t f t 液晶显示器一直居于高价位的原因。由于l c o s 采用反射式技术，利用 c m o s 工艺中金属层作为反光镜面，于是l c o s 有着极高的开口率，可以达到 9 4 以上，这是普通t f t 液晶显示器7 0 开口率所不能比拟的。于是l c o s 显 示器呈现的是更逼真的画面效果，而不会出现t f t 显示器中的小方格一样的窗 口效应。 l c o s 显示技术具备了液晶显示技术上的几乎所有的优点。显示器是人与机 器沟通的重要界面，早期以c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 显示器为主，但随着科技 不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生，近来由于液晶显示器具有轻薄短小、 低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，逐渐取代 c r t 之主流地位。l c o s 显示技术优点体现在如下几个方面：”。 一、显示质量高 由于l c 0 8 显示器每一个点在收到信号后就一直保持色彩和亮度，恒定发光， 而不象阴极射线管显示器( c r t ) 那样需要不断刷新亮点。因此，l c o s 显示器画 质高而且绝对不会闪烁，把眼睛疲劳降到最低。无闪烁高清晰度也是l c 0 8 液晶 投影的明显优点。普通的c r t 投影电视采用5 0 h z 的扫描，画面会有闪烁感，1 0 0 h z 的扫描虽然画面不闪但清晰度不高，而l c o s 反射式液晶投影技术很容易达到百 万像素。直接接驳电脑显示模式为8 0 0 6 0 0 或支持1 0 2 4 7 6 8 的高标准显示格 式，随着技术的提高甚至可以显示1 2 8 0 1 0 2 4 或更高的标准，而且要达到h d t v 级的1 9 2 0 1 0 8 0 i 是非常容易的事。因l c o s 技术采用了液晶器件一次性成像， 为全数字显示不带扫描，因而没有任何闪烁感，真正做到了零闪烁。而且在l c o s 显示中没有传统c r t 技术的画面聚焦问题、辐射问题、磁场干扰问题。 二、没有电磁辐射 传统显示器的显示材料是荧光粉，通过电子柬撞击荧光粉而显示，电子束在 打到荧光粉上的一刹那间会产生强大的电磁辐射，尽管目前有许多显示器产品在 1 3 第二章l c o s 显示技术分析 处理辐射问题上进行了比较有效的处理，尽可能地把辐射量降到最低，但要彻底 消除辐射是困难的。相对来说，l c o s 液晶显示器在防止辐射方面具有先天的优 势，因为它根本就不存在辐射。在电磁波的防范方面，液晶显示器也有自己独特 的优势，它采用了严格的密封技术将来自驱动电路的少量电磁波封闭在显示器 中，而普通显示器为了散发热量的需要，必须尽可能地让内部的电路与空气接触， 这样内部电路产生的电磁波也就大量地向外“泄漏”了。 三、可视面积大 对于相同尺寸的显示器来说，液晶显示器的可视面积要更大一些。液晶显示 器的可视面积与其对角线尺寸相同。阴极射线管显示器显像管前面板四周有一英 寸左右的边框不能用于显示。相比于c r t 显示器，l c o s 的显示尺寸甚至可以“无 限大”，显示的尺寸可以根据要求，改变光学系统而实现。 四、应用范围广 最初的液晶显示器由于无法显示细腻的字符，通常应用在电子表、计算器上。 随着液晶显示技术的不断发展和进步，字符显示开始细腻起来，同时也支持基本 的彩色显示，并逐步用于液晶电视、摄像机的液晶显示器和掌上游戏机上。而随 后出现的d s t n 和t f t 则被广泛制作成电脑中的液晶显示设备，d s t n 液晶显示屏 用于早期的笔记本电脑；t f t 则既应用在笔记本电脑上( 现在大多数笔记本电脑 都使用t f t 显示屏) ，又用于主流台式显示器上。 五、画面效果好 与传统显示器相比，l c o s 液晶显示器一开始就使用纯平面的玻璃板，其显 示效果是平面直角的，让人有一种耳目一新的感觉。而且l c o s 液晶显示器更容 易在小面积屏幕上实现高分辨率，例如，1 7 英寸的液晶屏就能很好地实现 1 2 8 0 1 0 2 4 分辨率，而通常1 8 英寸c r t 彩显上使用1 2 8 0 1 0 2 4 以上分辨率的 画面效果是不能完全令人满意的。 六、数字式接口 l c o s 液晶显示器都是数字式的，不像阴极射线管彩显采用模拟接口。也就 是说，使用l c o s 液晶显示器，显卡再也不需要像往常那样把数字信号转化成模 拟信号再行输出了。理论上，这会使色彩和定位都更加准确完美。 七、“身材”匀称小巧 传统的阴极射线管显示器，后面总是拖着一个笨重的射线管。液晶显示器突 破了这一限制，给人一种全新的感觉。传统显示器是通过电子枪发射电子束到屏 幕，因而显像管的管颈不能做得很短，当屏幕增加时也必然增大整个显示器的体 积。而液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，即使 1 4 第一章l c o s 显示技术分析 屏幕加大，它的体积也不会成f 比的增加，而且在重量上比相同显示面积的传统 显示器要轻得多。 八、功率消耗小 传统的恩示器内部由许多电路组成，这些电路驱动阴极射线显像管工作时， 需要消耗很大的功率，而且随着体积的不断增大，其内部电路消耗的功率也随之 增大。相比而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动i c 上，因 而耗电量比传统显示器也要小得多。采用这种l c o s 技术的液晶投影电视更加省 电。普通c r t 投影电视的耗电量在2 5 0 w 以上，而l c o s 液品投影只需要1 0 0 1 5 0 w 就可以了，而亮度却要比c r t 要高许多。 2 3 l c o s 显示芯片特。陛分析与设计 l c o s 显示芯片的设计是l c o s 技术中的核心和关键所在。从对液晶的驱动方 式来说，l c o s 显示技术与传统的液晶显示技术在原理上是一致的，需要驱动电 路能够准确地给需要显示图像的液晶显示象素施加上合适的驱动电压。 液晶材料用于显示上是利用电压驱动方式来工作的。施加不同的驱动电压， 液晶材料分子对显示中的光学信号的作用就不一样，这样就可以呈现出缤纷的色 彩和丰富的图像。液晶显示驱动电路的设计，实际上就是一个液晶象素选通方案 的设计。以合理的液晶象素选通方案，加以正确的显示驱动电压，这是显示驱动 电路的最基本的设计需要。 与c r t 显示不同，液晶显示的基本单位是液晶象素单元，每一个液晶象素单 元作为显示区域矩阵中的一个点。c r t 显示技术实现的时候是控制阴极射线的强 弱并在横纵电