（精密仪器及机械专业论文）一种反射式彩色胆甾相液晶显示驱动电路的研究.pdf

摘要 反射式胆甾相液晶显示器具有功耗小、图像保存时间长、重量轻，便于携 带等特性，是理想的电子纸显示装置。但是它受到响应速度慢，驱动电压高等 因素的限制，并没有得到广泛的应用。因此对反射式胆甾相液晶显示的研究是 具有一定创新性和前瞻性的。本文主要针对反射型胆甾相液晶器件的特点以及 胆甾相液晶的相态变化原理，设计了一种用于彩色胆甾相液晶显示的驱动电路。 电路根据p 态刷新法和累计驱动法的驱动原理，将两种方法相结合，来驱动一 块分辨率为6 4 0x4 8 0 的胆甾相液晶显示屏，可以使其灰度达到8 级。实现了胆 甾相液晶显示的多级灰度和彩色化，且利用了现有的商业液晶行列驱动芯片， 因此具有结构简单，成本较低，易于实施等特点。我们在a l t e r af p g a 硬件和 q u a r t u si i 软件平台上，运用v h d l 硬件描述语言编写了显示屏控制程序，引 入l v d s 接口，设计并制作了p c b 板，构建了实时硬件电路。为解决驱动电 压高的硬件问题，我们采用了可以承受高压的p d p 列驱动芯片来作为我们的列 驱动芯片。时间关系，最终，我们在成5x5 像素的小屏上完成我们设计方案的 验证，为实现整屏的驱动打下良好的基础。 关键词：胆甾相液晶，反射显示，驱动电路，灰度 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e f l e c t i v ec h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( c h l c d ) a r e s m a l lp o w e rc o n s u m p t i o n ，s a v ei m a g e sal o n gt i m e ，l i g h tw e i g h t ，p o r t a b i l i t ya n ds o o n i ti st h ei d e a le l e c t r o n i cp a p e rd i s p l a yd e v i c e s b u ti tl i m i t e db yt h ef a c t o r so f s l o wr e s p o n s ea n dh i g hd r i v ev o l t a g e i th a sn o tb e e nw i d e l yu s e d s ot h es t u d yo f t h er e f l e c t i v ec h - l c di sac e r t a i ni n n o v a t i v ea n df o r w a r d l o o k i n g a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e f l e c t i v ec h l c da n dt h ep h a s et r a n s i t i o np r i n c i p l eo f c h - l c d ，ad r i v ec i r c u i td r i v i n gf o rc o l o rc h l c dh a sb e e nd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h eu pd a t i n gd r i v es c h e m ew i t hps t a t ea n dc u m u l a t i v ed r i v es c h e m e s ，w ec a n d r i v et h ec h l c dt h er e s o l u t i o nw h i c hi s6 4 0 4 8 0a n dt h eg r a yc a nr e a c h8 t h e c i r c u i tc a na c h i e v eam u l t i - l e v e lg r a yd i s p l a ya n dc o l o r t h ed r i v e ri co fl c da r e u s e di nt h ec i r c u i t ，s ot h ef e a t u r e so ft h ec i r c u i ta r es i m p l es t r u c t u r e ，l o w e rc o s t ， e a s yt oi m p l e m e n t o nt h ep l a t f o r mb u i l tb ya l t e r af p g aa n dq u a r t u si is o f t w a r e ， d i s p l a yd e v i c ec o n t r o l l i n gp r o g r a mi sc o m p i l e db yv h d l ( v e r yh i g hs p e e d h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，w i t hl v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ) i n d u e e d t h e nr e a lt i m eh a r d w a r ec i r c u i ti sc o n s t r u c t e da f t e rd e s i g n i n ga n d p r o d u c i n gt h ep c b s t oa d d r e s st h eh i g h - v o l t a g ed r i v eh a r d w a r ep r o b l e m ，w eu s e p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) d r i v ei cw h i c h e a nw i t h s t a n dt h eh i g hv o l t a g e d u et o l a c ko ft i m e ，u l t i m a t e l y ，i na5 5p i x e l ss m a l ls c r e e n ，w ec o m p l e t et h e v e r i f i c a t i o no fo u rd e s i g np l a n f o rt h er e a l i z a t i o no ft h ee n t i r es c r e e no ft h ed r i v e t ol a yag o o df o u n d a t i o n k e y w o r d s ： c o l o rc h - l c d ；r e f l e c t i v ed i s p l a y ；d r i v ec i r c u i t ；g r a y - s c a l e ； 插图清单 图1 1 胆甾相液晶显示器件应用l 图1 2 软基底胆甾相显示器件4 图1 3 三层彩色显示的方案4 图1 4 胆甾相液晶分子周期性螺旋结构排列5 图1 5 胆甾相液晶的三种状态7 图2 1 三段动态驱动法的方波图形9 图2 2 驱动n 行简单矩阵的管道输运方法9 图2 3 四段动态驱动法1 0 图2 4 五段动态驱动法的方波图形1 0 图2 5p 态刷新驱动法的波形图，r ，c 分别是行、列信号1 l 图2 6 一段累积驱动法1 2 图2 7 两段累积驱动法1 2 图2 8 驱动电压示意图1 3 图2 9 盒堆积法结构图1 4 图2 1 0 出射光色度坐标图 1 4 图2 1 1 系统整体结构流程图1 5 图3 1l v d s 传输系统简略图1 6 图3 2d s 9 0 c 3 8 6 引脚图1 7 图3 3d s 9 0 c 3 8 6 信号输出例图18 图3 4h y 5 7 v 1 6 1 6 1 0 f t p 引脚图2 2 图3 5h y 5 7 v 1 6 1 6 1 0 f t p 内部结构框图2 2 图3 6h y 5 7 v 1 6 1 6 1 0 f t p 信号基本功能描述2 3 图3 7m s m 6 7 7 8 b 引脚图2 5 图3 8m s m 6 7 7 8 b 内部结构框图2 6 图3 9l x p d l 6 3 4 7 引脚图2 6 图3 1 0l x p d l6 3 4 7 内部结构框图2 7 图3 1 1 主要接口示意图3 0 图4 1q u a r t u si i 设计流程3 2 图4 2q u a r t u si i 软件图形界面3 2 图4 3e d a 工具设计流程3 3 图4 4 主体程序框架3 4 图4 5 驱动电压示意图3 5 图4 6 信号转换软件流程3 6 图4 7 刷p 态主要引脚信号仿真图3 7 图4 8 刷灰度主要引脚信号仿真图3 7 图5 1 主要电路板p c b 图3 9 图5 2 主控板裸板4 0 图5 3 主控板4 0 图5 4 行驱动试验板4 1 图5 5 列驱动试验板4 1 图5 64 8 0 n m 液晶材料电压和反射率关系图4 2 图5 74 8 0 n m 液晶材料刷p 态4 3 图5 86 0 0 n m 液晶材料刷p 态4 3 图5 94 8 0 n m 液晶材料灰度4 4 图5 1 06 0 0 n m 液晶材料灰度4 4 图5 1 1 字符显示的实验结果4 5 i v 表格清单 表3 1c y c l o n e 系列主要性能参数表2 0 表3 2h y 5 7 v 1 6 16 1 0 f t p 引脚功能表 2 2 表3 3m s m 6 7 7 8 b 引脚功能表2 4 表3 4m s m 6 7 7 8 b 信号真值表2 5 表3 5i x p d l 6 3 4 7 引脚功能表引脚定义及功能2 7 表5 1 不同脉冲下液晶材料的反射率4 2 v 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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目墨王些太堂 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谢意。 学位：耘孝务：非名月所 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒自巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金胆王些太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名：枥弓 签字日期- 沙择名月伽 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲潮 签字日期：幽毋年 辑 噜 b 引g e t 电话： 邮编： 3 致谢 在本篇论文即将完成之际，我谨向我在合肥工业大学求学的这些年来，曾 经关心、支持、鼓励和帮助过我的老师、同学、朋友和我的家人致以最诚挚的 敬意和最真诚的感谢。 首先我要衷心感谢我读研期间的导师一一吕国强教授。，吕老师无论是在学 术上，还是在人生观上都给了我极大地指导和帮助。首先是给我这么一个空间 和平台，让我能够将自己所学的知识和兴趣发挥出来：项目有了进展，他告诫 我要戒骄戒躁；项目遇到困难，他鼓励我静下心来排除问题。任何学术上的问 题向他请教，他都是有求必应，耐心解答。谢谢您，您严谨的科学态度和踏实 的工作作风会一直指引和激励我不断进步。 然后我要感谢我们实验室的胡耀辉老师。在课题研究过程中您给我提供了 很多的帮助，并提出了很多的指导意见，使我顺利的完成了课题。他们严谨朴 实的科学作风和认真踏实的工作方法深深影响了我，使我受益匪浅。 同时还要感谢我的同学田定宝、冯伟功等。感谢他们在科研工作中无私的 帮助祝愿他们在自己的工作和学业中获得更大进步。 总之，非常荣幸能够在华东光电研究所学习、研究，衷心感谢研究所的所有 老师及同学们，很高兴能与你们相识，衷心感谢你们，祝福你们! 作者：杨春来 2 0 0 8 年6 月1 日 第一章绪论 液晶显示( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yl c d ) 对于许多人而言可能已经不是 一个新鲜的名词，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想象一一在 1 8 8 8 年，一位奥地利的植物学家莱尼茨尔( f r e n i t z e r ) 发现了液晶特殊的物 理特性。1 9 6 3 年，r c a 公司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( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 的开端。而当初，液 晶作为显示屏的材料来说，是很不稳定的。因此作为商业利用，尚存在着问题。 然而，1 9 7 3 年，格雷教授( 英国哈尔大 1 9 7 6 年，由s h a r p 公司在世界上首次， 学) 发现了稳定的液晶材料( 联苯系) 。 将其应用于计算器( e l - 8 0 2 5 ) 的显示 屏中。自此液晶显示进入一个高速发展的时期n 1 。从开始应用于手表、计算器、 仪器仪表、汽车加油站等领域，发展到今天主要应用于彩色电视( 包括袖珍型、 壁挂式、大屏幕投影显示和投影电视等) ，计算机( 包括台式计算机、笔记本电 脑、袖珍型电脑和个人数字助理等) ，以及各种移动式电子产品( 如手机、数码 照相机、摄像机等) 。可以毫不夸张的说，液晶显示已经与我们的生活和工作息 息相关，密不可分。目前，l c d 分为被动技术和主动技术两种，代表性的产品 图1 1 胆甾相液晶显示器件应用 分别是d s t n ( d o u b l e - l a y e rs u p e r t w i s tn e m a t i c 双层超扭曲向列相液晶) 和 t f t ( t h i nf i i mt r a n s i s t o r 薄膜晶体管) 。这些都是透射式l c d ，即需要通过 液晶显示屏下方起光源作用的“发光板 照亮位于上方的液晶板，使我们能够 看到液晶屏上的内容。这个“发光板 被称为背光源，器件功耗的8 0 都消耗 在这个背光源上。这也是整个透射式液晶显示器件功耗大的主要原因。而袖珍 型手持式电子产品( 手机、掌上电脑以及游戏机等) 都是只能用电池作为电源。 功耗大的透射式l c d 就不适应被采用。这种情况下，不使用背光源、低功耗、 重量轻的反射式液晶显示近年来引起人们关注。其中又以双稳态反射型胆甾相 液晶显示器( c h - l c d ) 就是其中的一个突出代表。胆甾相液晶显示是利用平面 织构状态( p l a n a r ) 的b r a g g 反射亮态和焦锥织构状态( f o c a lc o n i c ) 嵋1 的 散射暗态构成对比态实现显示。该类器件具有反射亮度高，对比度高，功耗小， 视角宽等特点，并且断电后能长期保留图像，是天然反射式的全彩色显示，同 时在阳光下具有可读性。它不用t f t 阵列就可实现大容量，高分辨率显示， 并可以制备在软基底上。因为不使用偏振片，光亮度损失很小，非常适合于移 动电子产品类的显示器，如手机、数字相机、电子书本和个人数据助理等，并 且还适用于户外阳光下显示( 如图所示1 1 ) h 1 。 1 1 反射型胆甾相液晶显示的发展现状 早在二十世纪6 0 年代到7 0 年代，液晶显示器刚刚发明时，美国，欧 洲就有许多学者及实验室从事胆甾相液晶相关的研究。1 9 6 8 年，r b m e y e r 根据实验指出，在电场或磁场的作用下，胆甾相和向列相之间存在相变( c m n 相变) ，他并预计在下个十年中该效应可能应用于信息显示中。在1 9 6 9 至 1 9 7 0 年间，r b m e y e r 【5 1 和f r e d e r i cj k a h n 3 等人分别从实验上观察了磁 场和电场作用下胆甾相液晶的螺距产生发散直到变成场致向列相态，即垂直取 向的情况。j j w y s o c k i ，h b a l s s l e r 等给出了电场强度对相变影响的初 步结果，并且就电场强度对胆甾相液晶的光学特性的影响方面也进行了研究。“ 8 】 o 虽然当时从实验中观察到相变，但对相变机理不十分了解。加之当时合成 胆甾相液晶的稳定性( 尤其是化学稳定性) 不好，介电常数各向异性值较大的 材料也不多，使相变电压达到i o o v 左右。因此，在随后的几年间，有关胆甾 相液晶的研究几乎处于停顿状态。直到7 0 年代末到8 0 年代初，相变模式的 胆甾相液晶显示器开始出现。i s a k a t a 等人向列相液晶里加入手性添加剂， 得到胆甾相液晶。利用透明状态的p 态和f c 态的光散射这两种状态进行存 储显示。g r e u b l e 首次观察到胆甾相液晶在电场作用下c n 相变存在滞后现 象，b k e r l l e n e v i c h ，k a w a c h i ，t o h t s u k a 等先后通过实验得到滞后现象 与偏置电压的关系，并指出在滞后现象存在的前提下，器件工作在一定偏压下， 可利用h 态的透明态f c 态的散射态进行显示。以上这几种显示模式都是在 电场作用下进行的。n 。a 。c l a r k 等人在1 9 8 0 年给出了零场下p 态，f c 态 的双稳态曲线，直到1 9 9 0 年，美国肯特大学的液晶研究所利用胆甾相的双稳 态特性开始了反射式胆甾相液晶显示的研究。 由于双稳态反射胆甾相液晶显示所具有的优点及诱人的前景，在二十世纪 九十年代一经出现就引起人们强烈的关注，这期间取得了很多研究成果。研究 发现，在胆甾相液晶添加聚合物或对基板进行表面处理均可以得到零场稳定的 2 f c 态：添加聚合物形成聚合物网络结构，虽然能够实现零场稳定的f c 态， 但对提高双稳态胆甾相液晶的响应速度极为不利，其响应时间甚至可达到几百 毫秒。如果采用聚合物稳定指印胆甾相织构形成不完美的p 态和多畴指印状 态构成双稳态反射显示，可以提高对比度和响应时间，使相变时间降到7 0 m s 左右，但距离实用还相距甚远。采用表面处理的方式形成双稳态胆甾相液晶反 射显示，过程简单，类似于传统的l c d 工艺。由于不添加聚合物，使材料粘 度大为降低，可以进一步提高响应速度。但表面处理方式的均一性难以控制， 难以得到所需的多畴分布。直到美国a d s 公司发明了快速响应的多畴稳态胆 甾相液晶显示( m l c d ) 这种情况才有所转变。该公司采用适当的表面处理技 术，使器件的相变时间大为提高，同时取得螺旋轴的适当分布，以扩大视角旧1 。 对于表面稳定型胆甾相液晶器件，取向技术是获得其多畴结构的主要手段 之一。而液晶分子的取向涉及到取向材料的结构和性质、表面处理的方法、固 液界面的相互作用等一系列比较复杂的问题。控制液晶取向的方法有多种，如 倾斜蒸镀s i 0 2 、摩擦法、l b 膜法、光控取向法等。从最初的倾斜蒸镀s i 0 2 取 向到现在广泛使用的摩擦取向，许多研究人员还在不断探索更好的取向技术， 并且做了大量的工作。v a k o n o v a l o v 等人就提出了一种新的栅格取向获得多 畴的方法n 钆“3 。实验证明，用栅格取向技术不仅不影响视角，而且畴的数量及 其位置容易控制，并且获得的畴的边界比较分明，通过调整栅格的高度及其斜 度，有可能改变显示亮度、图像对比度、灰度级及响应时间。有一项专利里n 2 1 也提到一种获得多畴、宽视角的液晶显示，它的取向层是一种全新的成阶层间 隔的墙似肿块状( s s w b ) 结构，既不需要摩擦取向，也不用紫外光照射聚合 物膜取向，能达到的平均预倾角为3 。 - 7 0 。可是，更多的研究者在光取向 技术及取向材料方面表现出浓厚的兴趣n 3 。1 7 1 。9 0 年代初，s c h a d t 就提出用线 性紫外偏振光照射聚合物可以使液晶分子取向，其工艺过程就是在带有光敏基 团的聚合物成膜后，用线性紫外偏振光照射而成光控取向膜。g u yp e t e r b r y a n b r o w n 等人在他们的专利里介绍了一种新颖的光取向技术。它是的取向 材料是乙烯聚会肉桂酸，在其交叉耦合时，先经过光诱导排列，然后通过干涉 法或斜入射照相平板技术或压纹技术，获得类似不对称摩擦、横截面大约锯齿 状的取向排列。一些研究者开发出新的取向材料，同时给出了新材料应用于线 性偏振紫外光取向法的特性表现，证明了新取向材料应用于液晶显示的可行性。 还有一种非接触式的取向方法近来也得到了发展n 乳1 9 1 。它是用带电低能离子束 轰击取向膜层，通过改变离子束能量及其入射角，从而得到一定的预倾效果。 也有些研究者从胆甾相液晶材料入手，在胆甾相液晶材料中，其n 、介电 各向异性( 芎) 是由向列相液晶组合物性能决定，其粘度是由向列相液晶组合物 和手性组合物共同决定。要改善胆甾相液晶显示性能，降低工作电压、增加亮度、 提高响应速度和工作温度范围、实现黑白或全色彩的高对比度显示，除了改进 显示方法外，必须在提高液晶材料的双折射率、扩大介电各向异性、降低粘度、 减少手性组分含量等方面解决问题。所以，开发出了a n 0 3 5 的高双折射率新 型混和液晶乜0 1 ，使显示亮度改善两倍；为降低工作电压，开发出了一种高介电 各向异性化合物作为掺合物。m i n k y uk i m 乜等人在胆甾相液晶中添加了低分 子材料，也达到了降低驱动电压的目的。 图1 2 软基底胆甾相显示器件 反射式胆甾相液晶显示还可以实现软基底显示。在显示器件介质基底方面， 传统大多采用玻璃基板，但近年来塑料软基底越来越受到人们的关注。因为采 用软基底使得显示器件很薄，重量轻，柔韧性、持久性好，如肯特大学研制的 软基底显示器件( 如图所示1 2 ) ，非常适用于电子书、电子布告等纸片式显示。 在器件驱动方面，如果采用逐行扫描的驱动方法，响应时间达几十毫秒， 比较适合显示静态图像，而不适合动态图象的显示。为提高响应时间，驱动方 法采用了一些新的方法。x 一y h u a n g ，y 一m z h u ，d 一k y a n g 等人相继 提出了三段动态驱动方案，四段动态驱动方案，五段动态驱动方案等，较好 图1 3 三层彩色显示的方案 地改善了响应速度，使响应速度进一步接近动画视频显示的水平。同时，为提 高显示质量，消除显示中的黑带，还提出了管道输运方案。在这之后，更多的 研究者投入了胆甾相液晶的驱动工作中。f h y u 等人提出了的p 态刷新驱动法， 4 适用于静态图像显示。z h u y m 等提出了累积驱动法，累积驱动法的提出，使双 稳态反射型胆甾相液晶显示向着动态视频显示方向发展了一步心引。 在实现反射式胆甾相液晶彩色显示方面，j k i m 等人利用b r a g g 反射自 然光的特性研制出采用叠层结构而不采用滤色器实现彩色显示的方案( 如图1 3 所示) 乜副，使之成为该类器件实现彩色显示的有效途径。 为了实现反射式胆甾相液晶灰度，利用了胆甾相液晶的多稳态特性， k h a s h i m o t o 乜4 1 等人实现了多级灰度驱动，从而可以实现反射式胆甾相液晶的全 色显示。 1 2 反射型胆甾相液晶显示器件的工作原理 在向列相液晶中加入一定的手征性分子，液晶结构出现螺旋畸变，这种螺 旋结构在纯胆甾醇酯中也存在，故将这种螺旋向列相液晶称作胆甾相液晶。胆 甾相液晶的分子在同一平面上分子的长轴相互平行，在不同平面上有不同的取 向，各平面的指向矢逐层扭曲，呈周期性螺旋结构排列，如图1 4 所示。因为 胆甾相液晶具有这种特异的螺旋结构排列方式，因而具有旋光性、对光反射的 选择性及二向色性。 图1 4 胆甾相液晶分子周期性螺旋结构排列 胆甾相液晶在零场情况下( 即不施加电压的情况下) ，有两种稳定的状态： 平面织构态( p l a n a r ，p 态) 和焦锥状态( f o c a lc o n i c ，f c 态) 。另外还有一种 在电场作用下的透明状态一一场致向列相态( h o m e o t r o p i c ，h 态) 。上述三种 状态如图所示。当胆甾相液晶处于稳定态p 态时，液晶具有周期性的螺旋结构， 其螺旋轴基本与液晶盒表面垂直。此时，液晶具有布拉格反射特性，即当入射 光的波长满足入= n p 时，入射光将被反射，反射光为圆偏振光凹引。 p 态是胆甾相液晶的能量最低态，如图1 5 ( a ) 所示，从p 态到f c 态存在一 个势垒，只有加外加在胆甾相液晶上的电压高于一个阀值才能产生相变。在电 压的作用下，部分小畴产生随机排列，向f c 态转变。而当电压撤除后，由于 没有达到完全的f c 态，因此在缺少电压维持的情况下没，呈暗态的那部分小 畴在势能的作用下又恢复到能量最低的p 态。当施加的电压达到一定值而小于 阀值电压，当撤除电压后不稳定的f c 态恢复到p 态一般时间较长，而形成p 态和f c 态的混合态。相变的速度与多畴结构中的畴的大小，摩擦系数，以及 液晶的粘滞系数有很大的关系。随着电压的增加，p 态和f c 态混合态中的f c 态比例越来越高，最终形成f c 态。当电压超过某一阀值电压，p 态转变为f c 态，形成另一个零场稳定态。如图1 5 ( b ) 所示，这是一种多畴结构，其螺旋轴 分布杂乱无章，基本取向于平行基板的范围。f c 态具有使入射光微弱散射的 特性。 如果在液晶上施加足够高电压的电场，液晶将变化到h 态，如图1 5 ( c ) 所示。此状态分子都沿电场方向排列，液晶是透明的。对处于h 态的胆甾相液 晶，当电压迅速降到零时，液晶分子回到p 态；当电压缓慢降低时，液晶分 子则转变为f c 态。而p 态和f c 态在零场下均为稳态，这样p 态时的反射 态和f c 态时的散射态构成一组对比态，这便是双稳态反射式胆甾相液晶显示 器件的基本工作原理。 胆甾相液晶显示器的前景非常看好，但目前尚处于实验研制阶段。主要存 在两个问题，一是驱动电压比其它液晶器件高，达几十伏，二是响应速度较慢， ( a ) 平面织构( p l a n a rt e x t u r e ) 翟 ( b ) 焦锥织构( f o c a lt e x t u r e ) ( c ) 场致向列相( h o m e o t r o p i c ) 图1 5 胆甾相液晶的三种状态 在几毫秒，甚至几十毫秒数量级上，目前不适合动画、视频显示，只适合静态 显示。驱动电压的降低主要取决于胆甾相液晶材料的合成及物理参数的改进， 一旦材料方面研究取得进展，驱动电压就可能降至几伏至十几伏，满足实用需 要。而影响响应速度的因素主要有胆甾相液晶的相变机理，多畴结构的形成及 其驱动方法等等，而各种驱动方法取决于器件工作机理。 1 3 本论文主要研究内容 本课题来源于国防“十一五 预研项目，要求设计出一台胆甾相反射型液 晶显示器，分辨率为6 4 0 4 8 0 ，灰度为8 级。本论文即对该显示器设计驱动电 路。主要包括驱动方案的提出，彩色化方案，系统硬件和软件设计，电路自身 调试以及电路和驱动屏的配合调试。 7 第二章电路设计总体方案 2 1 现有驱动方案的比较 对胆甾相反射型液晶显示器的驱动主要有无源( 被动) 驱动和有源( 主动) 驱动两种。无源矩阵( 被动) 驱动，是指驱动电压直接加在象素电极上，使液晶 显示直接对应于所施驱动电压信号的驱动方法。由于它相对于有源驱动中驱动 电压是施加于薄膜场效应晶体管( t f t ) 等有源电路上，再间接对象素电极提供 驱动电压信号，故称为无源驱动。有源驱动，由于再有源液晶显示器每个象素 点上都制作了一套有源器件，所以外施加电压首先是加在t f t 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象素点上有源器件的驱动，再间 接对象素电极提供驱动电压信号，故这种驱动方式称为有源驱动。有源驱动可 以克服无源驱动的交叉效应，实现高驱动路数的视频画面。但它驱动电路复杂， 成本较高。限于试验条件和研究经费我们就这里就舍弃了，本文主要研究的是 胆甾相反射型液晶显示器的无源驱动。胆甾液晶有驱动电压高，响应时间长， 寻址时间长等缺点，通过液晶研究者的努力，目前胆甾相反射型液晶显示器的 无源驱动有三段驱动法( 四段、五段驱动法) 、p 态刷新法和累积驱动法心阳叫3 0 1 三种驱动方法，下面将一一详细介绍这几种驱动方法。 2 1 1 三段驱动法( 四段、五段驱动法) 对胆甾相液晶相变机理的研究发现，在一定电压作用下，p 态转变为f c 态只 需几毫秒，但f c 态转变为p 态却需几十甚至上百毫秒。但如果将胆甾相液晶首 先变成场致向列相态( h 态) ，处于h 态的液晶相变取决于撤除电压的方式，当快 速降低电压时，在不到l m s 的时间内，h 态液晶将迅速变成p 态，而当逐步降低电 压时，h 态液晶将经过圆锥状态变成瞬间稳态( p + 态) ，此过程只需几毫秒，而后又 变成f c 态。利用快速的h p + 相变，x y h u a n g 和y m z h u 等人提出了三段驱动 法，用较短选择段决定最终状态，并首次采用管道输运方案，大大缩短了行寻址 时间。 三段动态驱动法分为三个阶段：即准备段、选择段和擦除段。首先在准备 阶段时，施加电压幅值v p ( r m s ) 脉宽足够长( 约6 0 m s ) 的电压脉冲，首先将 胆甾相液晶变成h 态，进入选择段，v s 值选取不同值，当v s 值为v o n 时，胆 甾相液晶维持h 态，而v s 值为v o f f 时，液晶将从h 态转变成p + 态；到了擦除 段，施加幅值为v e ( r m s ) ，宽度约为6 0 m s 的电压脉冲，h 态的液晶仍将维持， 而p + 态的液晶将相变为f c 态。当移去擦除脉冲后，成为零场时，h 态的液晶 很快成为p 态，而处于f c 态的液晶仍将维持f c 态，这样，p 态和f c 态 两个零场稳定态就构成了能够显示的对比态。 三段驱动法的波形图如图所示2 1 ，从图可以看出整个驱动所用的时间约为 1 2 0 m s ，但液晶的最终状态却由很短的选择脉冲( 1 m s ) 决定，因此，对一个n x m 的点阵式液晶屏，利用管道输送的方法，如图2 2 所示图中r o w 为行数，准 备段和擦除段的时间由多行分享，这样可以大大提高器件的寻址速度以及响应 时间。寻址n 行所需的总时间，即帧周期t f r ，由t f r = t p + n t s + t e 决定，t p 、 t s 、t e 分别为准备段、选择段和擦除段的时间。可见当n 较大时，段和擦除 段的 v l 选择段一 、- ，v 1 1 ，、 t p = 6 0 m s t e = 6 0 m s w $ = h n $ o v e v b v o n v o f f 图2 1 三段动态驱动法的方波图形 匝匿 时间。可见当n 较大时，寻址一行的时间仅由t f r n = t s 决定，如果t s 为 l m s ，寻址一行的时间只需l m s 。三段驱动法中，显示对比度对擦除电压v e 的 幅值有较大的依赖性，因此必须根据具体器件合理选择。另外，简单矩阵驱动 易产生交叉效应，原则上，当选择段的行、列电压脉冲的频率f c 和准备段、 擦除段的行、列电压脉冲的频率f r 满足下列关系f r = n f c ，n 为大于l 的整 辫明4 叉效应可消除，这是由于在准备段、擦除段象素上的电压均方根为 、，”c ，v r 、v c 分别为行、列电压，它不依赖行、列电压间的相位关系。 图2 2 驱动n 行简单矩阵的管道输运方法 冒 四段动态驱动法是在三段动态驱动法的基础上改进而来的，寻址速度比三 段驱动法提高了一倍，并改善了显示中出现的黑带现象。四段驱动法包括：准 备段、预选择段、选择段和擦除段四个阶段，如图2 3 所示，四段驱动法有区 别三段驱动法就是加入了预选择段，预选择段先将极角h ( 基板法线与分子指 向矢的夹角) 变化为几度，当进入选择段时极角h 就可以很快的变成9 0 。整 个过程可以描述如下，胆甾相液晶在进入预选择段后，部分液晶开始从h 态向 p 弛豫，但极角h 很小，在选择段，施加不同的电压脉冲得到不同的相态，低 电压时，h 态向胁态继续相变，最终成为p 水态，高电压时，则保持原有状态， h 仍然很小。这样，在擦除阶段，h 小的液晶回到h ，而p 球态的液晶变成f c 态。 从图中可见，选择段的时间降低到原来的一半，使寻找速度提高了一倍。 v l 1 2 一【2 t e t p j -k 预选 选择 择 段 准备段段 擦除段 图2 3 四段动态驱动法 在四段动态驱动法的基础上，经过改进又得到了五段动态驱动法( 如图2 4 所示) 。它的寻址速度进一步提高，它的寻址速度进一步提高。五段驱动法包括 准备段、准备后段、选择段、 v 懵 图2 4 五段动态驱动法的方波图形 选择后段和擦除段。相比四段驱动法，五段驱动法增加了选择后段，它的电压 较低，使在选择段向p + 态弛豫的的液晶完全变成p + 态，而在选择段回到h 态的 液晶又开始向p + 态弛豫获得较小的极角。当施加中等的幅值的擦除脉冲时，p + l o 态变成f c 态，h 态的仍然保持，这样就可进一步缩短寻址时间。 2 1 2p 态刷新法 三段驱动法具有寻址速度快的优点，在静态图像显示上已获得很好的应用。 但是这种方法所需的电压高，线路复杂，驱动成本较大。另外，无法彻底消除 由于光学滞后引起的黑带现象。由f h y u 等人提出的p 态刷新驱动法基本 克服了上述不足。p 态刷新驱动法是基于传统的寻址驱动法加以改进实现的。 它利用p f c 相变大大快于f c p 相变的特性，首先将整板刷新至p 态， 然后逐行扫描，仅把选择态的p 态转换为f c 态，而非选择态的p 态不受施 加电压的影响，仍保持p 态。图2 5 是该方案的波形图，显示开始时，无论 选择态象素还是非选择态象素，均受到3 0 v ，l o 2 0 m s 脉冲的作用，使之刷新 到p 态，大约经过o 1 s 的维持稳定时间后开始逐行扫描。选择态象素的电压 n 士冽l 捌v ；i u 丑k l ； ； 一 nil； u !i； ” n；il u ；i 一 6v业l 图2 5p 态刷新驱动法的波形图，r ，c 分别是行、列信号 是约i m s 寻址脉冲( 2 4 v ) 和信号脉冲( 6 v ) 之和，达3 0 v ，使之转变为f c 态。对于非选择态象素，则受到i m s ，1 8 v 脉冲的作用，不影响p 态，可 见选择合适的脉冲幅值以确保p 态不受非选择脉冲的影响在此方案中是非常 重要的。可见，这种方法驱动简单，施加的最大电压较低，可用现成的商用集 成块，大大降低了驱动成本，并且不存在光学滞后现象，不存在黑带。但是， 还需注意两点，一是必须适当合理地选择寻址脉冲宽度，寻址速度过快会增加 交叉效应。当p f c 相变约为i m s 时，可选择寻址脉冲宽度为i m s ，对显示 亮度、对比度影响不大，这样，每行的扫描速度为i m s ，二是该方法中存在维 持稳定时间，由图3 1 0 可见，当i m s ，3 0 v 开关脉冲出现在信号脉冲链的 末端时，显示板最后几行的f c 态需要稳定，因此必须在信号脉冲链的末端附 加0 1s ，6 v 脉冲链，造成了每帧之间的时间间隔，这对静态图像显示影响 不大，但对动态图像显示则不适用。 2 1 3 累积驱动法 累积驱动法是是基于传统的寻址驱动改进而来的，累积驱动法在实现p 态 与f c 态之间的相互转换上不是通过一个电压脉冲实现的，而是利用累积效应通 过多步完成，每步的寻址时间很短，使得寻址速度提高。累积驱动法有一段累 积驱动法和两段累积驱动法。一段累积驱动法如图2 6 所示，它与传统的驱动 方法很相似，不同的是，在每一帧寻址中，显示像素通过一个短脉冲向所要 求的状态一步步“转变”，因此，寻址速度大大快于传统驱动方法，可以达到 1 m s 每行。为了减小简单矩阵驱动中的交叉效应，信号电压应小于一定值v d m 。 把胆甾相液晶转变成p 态的电压称为v o n ，转变成f c 态的电压称为v o f f ，又一 组参考数据：v d m = 6 v ，v o n = 6 0 v ，v o f f = 5 0 v 寻址电压取值1 2 ( v o n + v o f f ) = 5 5 v ， 非寻址行的电压取值0 v ，当要把液晶转变成p 态时，列信号电压为一5 v ，则像 素点上的电压为6 0 v ，当要转变为f c 态时，列信号电压为5 v ，像素点上电压为 5 0 v 。如果按每秒刷新1 0 帧的频率计算，帧周期为l o o m s 。 图2 6一段累积驱动法 在一段累积驱动法的基础上，又提出了两段累积驱动法，将原来的一段累 积驱动法的一段累计分解为两段，如图2 7 所示，分别为准备段和选择段，在 准备段中，液晶部分变成h 态和f c 态的混合物，有助于减低选择段时间，仍可 采用管道输运的方法分享准备段的时间，可以大大提高寻址时间。一组参考 数据如下：准备段的脉冲宽度t p 为2 m s ，幅值为3 5 v ，选择段的脉冲宽度t s 为0 5 m s ，v o n = 7 4 v ，v o f f = 6 2 v ，寻址电压为6 8 v ，列电极信号电压分别为关状态 6 v 和开状态- 6 v 。显示n 行的帧周期t f = t p + n t s = 2 + n 0 5 m s 。当刷新频率为l o h z 时，t f 为l o o m s ，逐行扫描可以显示1 9 6 行，隔行扫描可以显示3 9 2 行。累积驱 动法可以达到1 m s 和0 5 m s 每行的寻址速度，并且没有交叉效应和黑带现象， 这种准视频显示为双稳态反射式胆甾相液晶显示达到实用的视频显示拓宽了道 路。 v 图2 7两段累积驱动法 1 2 2 1 4 比较结论 目前用于双稳态反射型胆甾相液晶显示的几种驱动方法中，动态驱动方法 寻址速度快，有效地弥补了胆甾相液晶效应速度慢的不足，并首次采用了管道输 运方法。但它驱动方法复杂，成本较高。而p 态刷新驱动法和累积驱动法都是基 于传统的寻址驱动方法改进而成的，方法简单，成本较低。p 态刷新法由于存在 维持时间间隔，适合于静态图像显示，而累积驱动法集传统寻址法的简单，寻址 速度较快，适合于动态显示但显示每帧图像都要根据上帧图像来确定驱动波形， 对静态显示采用这种方法就过于复杂，提高了成本，且不利于使用商业芯片搭 建。在本文中，我们通过对这几种胆甾液晶驱动方法的调研，结合我们的试验 目的，最终采用p 态刷新法和累积驱动相结合的方法( 如图2 8 所示) ：即先将 整屏刷至p 态，然后以累积驱动法的原理，采用帧驱动法，即将一帧图像显示 时间划分为多段，每段都对整屏刷新一次，称一小帧，通过每个小帧使刷至p 态的象素逐渐向f c 态转化，以达到所需要的灰度要求。通过这两种方法的结合， 使驱动波形简化，结构简单，便于用商业液晶行列驱动芯片来达到显示要求。 。p 态刷屏电压 - - i：一：- - i 一t - - t _ - ti - - t r 、 七段灰度脉冲电压 图2 8 驱动电压示意图 2 2 胆甾相液晶彩色显示的实现 目前已提出几种实现胆甾相液晶彩色显示的方法有以下几种：r g b 三原色盒 堆积法：不同强度的u v 曝光产生不同螺距的方法；以及注入不同扭曲成分以产 1 3 黑色吸收 底层 图2 9 盒堆积法结构图 勰 生r g b 三色象素的方法等