（计算机科学与技术专业论文）手机用tftlcd驱动控制芯片——控制电路的研究与设计.pdf

两北丁业大学硕十学俯论文 摘要 摘要 本文的研究内容是作者硕士学习期间参与完成的国家“8 6 3 ”资助项目“用于 彩屏手机的液晶显示驱动控制芯片开发“的一部分，作者深入研究并设计完成了 单片集成的t f t - l c d 驱动控制芯片中的控制电路，所做的工作主要包括： 1 通过对t f t - l c d 显示驱动原理的研究，完成了手机用t f t - l c d 驱动控制 芯片控制电路的功能需求分析和概要设计。 2 通过对比时钟选择、时钟同步以及全局异步局部同步三种异步多时钟电路 的设计方法，结合手机用耶t - l c d 驱动控制芯片自身的特点，提出了针 对该类芯片内异步多时钟控制电路的解决方案。 3 由于该芯片被用于手机等移动设备，要求低功耗。因此设计中采用门控时 钟、状态机重构、低功耗状态编码等多种低功耗设计方法，优化结果减少 功耗约2 1 。 4 门控时钟的引入通常会影响电路的可测试性，针对该情况作者进一步改进 了电路结构减少了门控时钟对可测试性的影响。 5 为扩大芯片的应用范围，设计行编码映射及显示地址产生单元，使芯片不仅 能够支持多种绑定方式、扫描方式而且支持分屏、滚屏等操作。 6 采用基于功能覆盖率的分层自检测验证方法，完成了手机用邛t _ l c d 驱 动控制芯片控制电路的验证。 作者参与设计的手机用t f t - l c d 驱动控制芯片“龙腾t 1 ”的工程样片于 2 0 0 6 年5 月一次性流片成功，于2 0 0 6 年9 月在上海爱德万公司完成芯片测试 并在深圳天马公司完成手机显示模组测试，测试结果表明”龙腾t l ”可成功 应用于彩屏手机等移动设备。”龙腾t 1 ”于2 0 0 6 年1 2 月2 5 日通过陕西省科 技厅组织的成果鉴定。 关键词：t f t - l c d ；异步多时钟；低功耗、功能覆盖率；自检测； 西北f 。业大学硕十学何论文a b s t r a c t a b s t r a c t c o n t r o lu n i tw h i c hi su s e di nt f l l l c dd r i v e ri ci sd e e p l ys t u d i e di nt h i s t h e s i s nc o m 鹳f h mt h ep r o j e c t “d e v e l o p m e n to ft f t - l c dd r h e ri c 哪e df o r m o b i l ep h o n e s u p p o r t e db yn a t i o n a i8 6 3h i g h7 i k c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a t h er e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i sm a i n i yi n c l u d e s ： l 、a c c o r d i n gt ot h es p e c m c a t i o no ft h et f t - l c dd r i v e ri ca n dt f l 乙l c d d i s p l a ym e t h o d o i o 科，t h et h e s i sp r e s e n t st h e 咿s t e md e s j 驴o fc o n t r o lc i r c u i tu n i t f o r t h et f t l c dd r i v e ri c 2 、a c c o r d i n gt ot h ec h a m c t e r i s t i c so ft f l 乙l c d ，a s y n c h m n o u sm u n i - d o c k d o m a i nh a sb e e nc o n s i d e r e di nt h ed e s i g np r o c e s s 3 、b e c a u s et h i st f l 乙l c dd i v e ri ci su s e di nm o b i l ep h o n e ，s e v e r a ll o wp o w e r t e c h n i q u e sh a v eb e e nd i s c u s s e di nt h ed e s i g np r o c e s s ， s u c ha sg a t e d - c i o c kf s l u r e c o n s t n i c t e da n dl o wp o w e rc o d i n gs t ) r l e 4 、1 e s t a b i l i 竹i sa f f e c t e db yg a t e d c i o c k s t n l c t l l no 九h ec i r c u i th a sb e 蚰 a m e l i o r a t e dt oa v o i dt h i se f f e c t 5 、t h et h e s i sp i e s e n t st h ed e s i g no f l i n em a i km a p p e da n dd i s p l a ya d d r e s s g e n e r a t o ru n i t b yd i n to f t h i su n i td i f f e l e n tb i n d i n gm o d e ， d i f f e r e n ts c a nm o d e ， p a r t i a ld i s p l a ya n d s c r e e ns c r o i n gf i i n c t i o na r es u p p o n e d 6 、b a s e do nt h o r o u g hs t i l d i e so fc u i r e n tv e r i l i c a t i o ns t r a t e g i e s ，t h et h e s i s p r e s e n t sa v e r i f i c a t i o nm “h o df o r t h ec o n t r o ic i r c u i t b 嬲e do nf u n c t i o nc o v e r a g e a n ds e l f - c h e c kd i f f e r e tl e v e lv e r i n c a t i o o ft h ec o n t m lc i r c u i tw h i c hi su s e di nt h e t f l 乙l c dd r i v e ri ch a sb e e n n i s h e d l o n g t i u mt lh a sa l 代a d yb e e nt a p e do u ts u c c e s s f u i i yi n2 0 0 6 5 t h e i th a s a l r e a d yb e 明t e s t e db ya d v a n t e s ti ns h a n g h a ia n dt i a n - m ai ns h e nz h e ni n 2 0 0 6 9 ，n s u l 缸o ft h et e s ts h o wt h a tl o n g t i u mt 1c a nb eu s e di nm o b i l ep h o n e s u c c e s s f u l 眵l o n g t i u mt lh a sa i 肿a d yb e e na p p r a i s e db ys c i e n c ea n dt e c h n o l o 科 d e p a r t m e n to fs h a n x ip r o v i n c ei n2 0 0 6 1 2 k e y w o r d s ：t f t - l c d ；a s y n c h m n o u sa n dm u l t i c l o c kd o m a i n ；l o wp o w e r f u n c t i o nc o v e r a g e ；s e l f c h e c k ； i i 两北工业人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景与来源 第一章绪论 随着人类进入信息时代，平面显示技术被广泛应用于人们的日常生活中，而 液晶显示( l c d ：l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 器件以其体积小、重量轻、低电压、低功耗、 低辐射等特点具有十分广阔的市场前景，其中t - l c d ( 1 r b i i nf i l m t r a 心i 咖r - l c d ：薄膜晶体管液晶显示器) 以其大容量、高清晰度和全彩色视频等 优点逐渐成为当今显示领域的主流【j 柚鲫】 大尺寸液晶显示驱动芯片随着笔记本电脑、液晶显示器和液晶电视需求的增 长而增长，据i s u p p l i 估算大尺寸液晶显示驱动芯片在2 0 0 4 2 0 0 6 年的出货量分 别为1 6 8 4 、2 3 3 6 、2 8 5 8 亿片。图卜1 为i s u p p l i 结合2 0 0 4 、2 0 0 5 以及2 0 0 6 年大尺寸液晶驱动芯片的销售情况给出的市场预测。 w 01i 们赢皇一” 2 0 。蝉l2 。o 肄i2 蝴年i2 0 0 7 年j 勰8 筝i2 0 0 肄 l - _ 出货量 68 4 i 2 3 ，3 6 l 2 85 8 i 3 2 9 2 l3 7 镐i 4 15 9 + 销售额 2 3 4 3 i 3 0 5 4 i 3 5 1 i 3 8 0 1 i 6 4i 4 2 4 2 图1 1 大尺寸液晶驱动芯片市场预测 与之相比，随着手机、p d a 、数码相机等移动设备的普及，作为其显示部件 的中、小尺寸邗t l c d 用量急剧攀升。2 0 0 4 年手机用t f t - l c d 面板的出货量为 2 4 1 亿片，而2 0 0 5 年则达到3 6 7 亿片，年增长率近5 0 根据d i s p l a y r e s e 鲫c h 的统计和预测，在2 0 0 6 、2 0 0 7 、2 0 0 8 年3 年里，t f t l c d 在手机市场的占有率分 别为5 2 、5 6 、5 9 。通过以上数据不难看出，在未来几年内t f t - l c d 在手机 市场仍占据主导地位，这必将导致t f t - l c d 驱动控制芯片需求激增。国内外各i c 设计公司已相继跨入l c d 显示器控制芯片领域( 表1 1 ) 。国际上从9 0 年代中期开 始手机用m l c d 驱动控制芯片研发工作。该芯片首先在日本研发成功，日立公 西北j 业大学硕十学何论文第一章绪论 司在该类芯片的开发和推广上起到了巨大的推动作用，先后设计出了多种规格的 t f t - l c d 驱动控制芯片，得到业界首肯。目前手机用t f t - l c d 驱动控制芯片的设 计、制造和测试技术在日本、韩国和台湾地区已趋于成熟，在该领域比较有代表 性的设计公司包括韩国三星、台湾的奇景等，与之相比我国大陆地区t f t l c d 液 晶显示驱动控制芯片研发起步较晚，手机生产厂家受到国外产品在货源及价格等 方面的制约，产品更新换代慢，利润空间小，核心竞争能力弱，这严重制约着我 国信息产业的发展。 表1 1 各类面板领域主要驱动i c 供应商 各类面板领域主要驱动i c 供应商 面板类犁m s t nc s ，i nt f to l e d 驱动i c 供应商晶门( 3 3 )品门( 2 6 )三足( 2 5 呦 晶门( 4 0 ) 及市场占有率 飞利浦( 2 5 ) 爱普生( 2 7 )瑞萨( 5 0 )l e a d i s ( 4 0 呦 硅创( 2 3 峋 三星 ( 2 3 ) 爱普生三星 意法半导体瑞萨 l e a d i s 瑞萨 晶宏l e a d i s ( 2 0 ) 联咏 l e a d i s 硅创 奇景 晶宏晶j 西北工业大学航空微电子中心在对国内市场和需求进行广泛调研的基础上， 开发了彩色液晶显示驱动控制系列芯片。先后得到了国家8 6 3 计划项目 ( 2 0 0 5 a a l z l l 9 3 ) 、陕西省重大科技创新项目( 2 0 0 5 z k c 0 1 一0 1 ) 以及陕西省外专 局留学回国人员科技活动择优资助项目等大力支持。 基于以上背景，结合t f t - l c d 驱动控制芯片“龙腾t 1 ”研发项目， 作 者对单片集成的液晶显示驱动控制芯片控制电路进行了详细研究，参与设计并完 成了“龙腾t 1 ”芯片中的控制电路。“龙腾t 1 ”工程样片于2 0 0 6 年5 月一次性流 片成功，于2 0 0 6 年9 月在上海爱德万公司完成芯片测试并在深彭i i 天马公司完成手 机显示模组测试，测试结果表明”龙腾t 1 ”可成功应用于彩屏手机等移动设备。 “龙腾t 1 ”于2 0 0 6 年1 2 月2 5 日通过陕西省科技厅组织的成果鉴定。 1 2 国内外研究现状 目前国际上部分著名电子公司都己经先后开发出具有自主知识产权的彩屏手 机用t f t - l c d 驱动控制芯片，并已由分离式逐步转向单片集成( 如图1 2 所示) 。所 谓的单片集成是指将g a t ed r i v e r 、s o u r c ed r i v e f ，电源管理模块、时序产生与控制 单元等集成在一个芯片内，如臼立公司的h d 6 6 7 8 9 r 三星公司的s d 0 1 4 4 以及奇景公 司h x 8 3 0 9 a 等。 两北工业大学硕十学竹论文第一章绪论 图l 一2 手机用t l c d 驱动控制芯片发展趋势 【咖9 0 2 】对比了三种l c dd r i v e r 的封装方式，它们分别为c o g 、t c p 和c o f 。其 中c o g 是指c l l i po ng 1 a s s ：玻璃覆晶结合技术。，t c p 是指1 - a p ec a r r i e rp a c k a g e ：卷 带自动结合技术c o f 是指c l l i po nf i l l l i ：软膜覆晶技术。【曲7 1 提出了有效的补偿 方法减少t f t l c d 行翻转时的c r o s s t a l k 。【d i ”9 0 4 】从电路级到l a y o u t 分析了手机用 l c d o l e d 驱动控制芯片所需d d r a m ( d i s p l a yd a c ar a m ) 的独特之处。函0 3 】提出 了一种对l c d 驱动控制芯片的验证和测试方法”叫提出了一种基于a r m 和 a m b a 总线的l c dd r i v e ri p 的设计方法。【心田提出了应用于嵌入式系统中低功耗 唧二l c d 的设计方法。【砒 q 提出了应用于手机通信的t f t - l c d 驱动控制芯片的设 计方法。【j 枷5 】提出了一种手机用低功耗t f t l c d 驱动控制芯片中的s o u r c e 驱动策 略。【s ”嘶】提出了一种有效减少像素点问c r o s s t a l k 的设计方法。【l c d 0 5 】提出了l c d m o t i o nb l u r 模型，表明液晶显示器在显示动态画面时出现画质模糊的现象仅 有3 0 与液晶响应时间过慢有关。 国内l c d 驱动控制的研究进展如下： 中国科学院张志伟田瑚9 0 5 】讨论分离式小尺寸t f t l c d 驱动电路设计。对小尺 寸t n l c d 驱动专用电源芯片l 1 3 4 5 0 结构进行研究后设计出具体的电源电路， 并探讨了t f t 0 l e d 驱动电路设计。 浙江大学汪翼1 w ”9 0 6 j 讨论了l c d 控制器i p 的设计与研究，完成了总线主从模块 的设计并探讨了空间扩展帧频率调节算法。吴增泉【w u 0 6 j 设计了一款c s t n l c d 驱 动控制芯片的逻辑部分，还对利用l v d s ( 低压差分数据传输) 技术来提高数据传输 速度进行了一定的研究。 华中科技大学黄久松【h 9 0 5 】讨论了中小尺寸灰度点阵液晶驱动控制芯片的 设计方法，结合该设计方法讨论了s t n l c d 驱动控制芯片的设计。宋敏【s o n 刚讨论 了新型l c d 控制芯片显示接口设计，在研究灰度，颜色增强所需要的抖动算法和帧 频控制算法的基础上完成了颜色量化单元与颜色增强单元的设计。陈掣o o ”1 0 4 】讨论 v 两北i 。业大学硕十学俯论文第一章绪论 了应用于中小尺寸l c dc o n t r o l l e r 的物理实现与验证，论文主要围绕p e g 船u s 芯片的 物理实现和版图验证展开。 吉林大学徐杰【轴】完成了t f t l c d 栅、源驱动电路的设计。为保证电路安全 工作，还给出了输入输出保护电路、输入缓冲器和输出缓冲器。 西北工业大学马召钰【m “l 完成了手机用t f t l c d 驱动控制芯片s o u r c e d m e r 电路优化设计。丁行波f d m 删完成了手机用t f t - l c d 驱动控制芯片电源电 路的优化设计。李瑛f l l 0 6 】完成了手机用t f t - l c d 可配置接口电路设计。郭鹏【o u 0 0 6 】 提出了手机用t f t - l c d 驱动控制芯片内置g r a m 的访问策略。 1 3 论文的内容 本文的研究内容是作者硕士学习期间参与完成的国家“8 6 3 ”资助项目“用于 彩屏手机的液晶显示驱动控制芯片开发“的一部分，作者深入研究并设计完成了 单片集成的t f t l c d 驱动控制芯片中的控制电路。工作主要包括： 1 、通过对t f t - l c d 显示驱动原理的研究，完成了手机用t f t - l c d 驱动控制 芯片控制电路的功能需求分析和概要设计。 2 、通过对比时钟选择、时钟同步以及全局异步局部同步三种异步多时钟电路 的设计方法，结合手机用t - l c d 驱动控制芯片自身的特点，提出了针对该 类芯片内异步多时钟控制电路的解决方案。 3 、由于该芯片被用于手机等移动设备，要求低功耗。因此设计中采用门控时 钟、状态机重构、低功耗状态编码等多种低功耗设计方法，优化结果减少功耗 约2 1 。 4 、门控时钟的引入通常会影响电路的可测试性，针对该情况作者进一步改进 了电路结构减少了门控时钟对可测试性的影响。 5 、为扩大芯片的应用范围，设计行编码映射及显示地址产生单元，使芯片不仅 能够支持多种绑定方式、扫描方式而且支持分屏、滚屏等操作。 6 、采用基于功能覆盖率的分层自检测验证方法，完成了手机用t f t - l c d 驱动 控制芯片控制电路的验证。 1 4 论文的结构安排 论文共分七章： 第一章绪论，首先介绍了课题的研究背景及来源，之后介绍国内外l c d 驱 动控制芯片的研究现状，指出设计拥有自主知识产权的彩屏手机用t f t - l c d 驱动 v i 西北j 业大学硕十学位论文 第一章绪论 控制芯片的意义，最后介绍了论文的主要内容。 第二章一首先对t f t - l c d 显示驱动原理进行了研究，之后完成了手机用 耶t l c d 驱动控制芯片控制电路功能需求分析和概要设计，将整个控制电路分成 三个单元：时序产生单元、行编码映射及显示地址产生单元、显示控制单元。 第三章时序产生单元的设计。根据t f t - l c d 驱动芯片的时序特点，首先 定义相关时序，包括显示时序和控制时序。之后通过对比时钟选择、时钟同步以 及全局异步局部同步三种异步多时钟电路的设计方法，结合手机用n 7 t l c d 驱动 控制芯片自身的特点，提出了针对该类芯片内异步多时钟控制电路的解决方案并 采用门控时钟、状态机重构、低功耗状态编码等低功耗设计方法进行了改进。门 控时钟的引入通常会影响电路的可测试性，针对该情况作者进一步改进了电路结 构减少了门控时钟对可测试性的影响。 第四章行编码映射及显示地址产生单元的设计。显示过程中需要确定栅极 驱动器中的哪一行被驱动，这需要控制电路产生相应的行编码。行编码被输出至 栅极驱动电路中的译码电路，经电平转换驱动对应行。当栅极驱动器中的哪行被 驱动确定后，需要确定本行的显示数据。这需要控制电路产生相应的显示数据在 内置g r a m 中的地址。为扩大芯片的应用范围。设计了行编码跌射及显示地址产 生单元使芯片不仅能够支持多种绑定方式、扫描方式而且支持分屏、滚屏等操作。 第五章一显示控制单元的设计。对t f t - l c d 驱动控制芯片中g a _ t ed r i v e r 、 s o u r c ed r i v e r 以及g a m m 校正电路结构进行分析后，完成显示控制单元的设计。 第六章- 首先给出了一种基于功能覆盖率的手机用t f l 二l c d 驱动控制芯片 控制电路分层自检测验证环境的构建方法，然后以该验证环境为依托说明如何使 用该验证环境进行控制电路的验证。 第七章一一结束语。总结了论文的工作。 v 两北1 。业大学硕十学侍论文第二章手机用t f r - l c d 原理及控制电路结构 第二章手机用t f t l c d 原理及控制电路结构 本章结合t f t - l c d 显示驱动原理，完成了手机用t f t - l c d 驱动芯片控制电 路的功能需求分析，给出了控制电路的设计依据。本章首先介绍了t 兀：l c d 显示驱 动原理，接下来介绍了手机用t f t l c d 驱动控制芯片，之后完成了控制电路的功 能需求分析，最后针对控制电路功能需求，介绍了控制电路的结构划分。 2 1 液晶显示原理 液晶是由奥地利植物学家莱尼茨尔( f - r e i n i t z e r ) 在1 8 8 8 年首先发现的，它是一 种几乎完全透明的物质，同时呈现固体与液体的某些特征。二十世纪六十年代起， 人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或折射。经过反 复测试，1 9 6 8 年液晶显示器件在美国被发明，随后l c d 液晶显示屏面世。按物理 结构，常见的液晶显示屏可以分为扭曲向列型州s t e d n e m a t i c ( t n ) 。超扭曲向列 型s u p e r t 、i s t e d n 锄a t i “彩色超扭曲向列型c o l o r 血ls u p c r 州s t e d n e i n a t i c 以及 薄膜晶体管型1 1 l i nf i l mt r a l l s i s t o r ，前三种属于无源矩阵l c d ，最后一种属于有 源矩阵l c d 。所谓的无源矩阵l c d 是指将垂直正交的控制信号送至l c d 的行和 列，其显示寻址是通过一对晶体管控制一列或一行。而有源矩阵l c d 是指为每个 像素分配一个晶体管( 开关元件) 和一个存储电容，通过对电容的充放电来控制每一 个像素。四种l d 中t n 型液晶显示原理最为基本，其他类型的l c d 显示原理与 其类似。 2 1 1 t n 型l c d 显示原理 t n 型l c d ( 如图2 1 所示) 将液晶置于两片导电玻璃之间，依靠两个电极之间 的电场驱动引起液晶分予扭曲向列的电场效应，以控制光源的投射或遮蔽功能。 若加上彩色滤光片则可以显示彩色影像。原理如下：液晶分子按配向膜的沟槽方 向依次旋转排列，若电场未形成，光线顺利地从偏光板射入后按液晶分子排列方 向前进，从另一端射出。如果电场形成，液晶分子配向发生变化从而阻止光线通 过，进而得到明暗对比的影像。 8 西北t 业大学硕士宁位论文第二章手机用t f l ：l c d 原理及控制电路结构 k 图2 1 t n 型l c d 结构 2 1 2 t f t 型l c d 显示原理 图2 21 1 f t - l c d 切面结构图阻删 图2 - 2 为t f t - l c d 切面结构图，液晶位于上下层玻璃之间，形成平行板电容 c l c ( c 印a c i t o ro f l i q u i dc r y s “) 大小约为o 1 p f o 实际应用中，当平行板电容充好电 后，c l c 无法将电压保持到下一次对该电容充电，由此引起电压变化影响显示。因 此设计中会添加存储电容c s ，常见的存储电容架构有两种c s ga _ t e 和c s c o 姗o n ，其主要差别在于存储电容是利用ga _ t e 走线还是利用c o m m o n 走线形成， 图2 3 是二者的等效电路 c o nc o m m o n 的等效电路c so ng n t e 的等效电路 图2 3 c s o n c o m m o n 与c s 0 咀g a t e 的等效电路 9 伯北r 业大学硕十学伸论文第二章手机用t f t l c d 原理及控制电路结构 整块t f t _ l c d 显示面板电路架构如图2 4 所示t f t - l c d 的子像素单元由t f t 开关，存储电容、像元电极、公共电极和数据走线等组成。彩色显示时在液晶表 面加入彩色滤光片，三个子像素单元组成一个像素点，每个子像素对应红( r ) 、绿 ( g ) 、蓝( b ) 三基色中的一种。子像素一般排列在水平方向( 即行驱动电极上) 。 r ；二_ j t o g a t e d v 盯 j _ j _ 1 工1_ 厂、- 工j _ 、- 工 _ 厂、- 工，、- 工 j _ 1 i _ 工 丫丫丫丫丫丫 j -j _上 j _ 、- 工，、i_ 厂、- 工，1 i - 工 j _ 、- 工 j _ 、- 工 丫vv u v v l j -上 j _ 1 工音_ 厂、- 工_ 广、_ 工，、- 工j _ 、- 工 j 1 工1 k 罗v 丫v丫 j 寺 j _ - 厂、_ 工、- 工_ 广、_ 工 _ 厂、_ 工j _ 、- 工- 厂、- 工 丫v丫丫vv 、一， t bs o u r c e d d v e r 圈2 - 4t f t 液晶面板等效电路 t f t 器件和m o s 器件的工作原理一致。耵叮在显示过程中起到电子开关的作 用，t f t 的栅极接在行扫描线上，t f t 的源极接在列驱动线上，叮的漏极接在 液晶的予像素电极上，这样当加在行扫描线的电压为该行的选通电压时，该行的 所有t 被选通，列驱动线上的信号就能够通过t f t 加到液晶的子像素电极上驱 动液晶工作。液晶对彩色滤光片透过的光具有选通作用，像素电极加电之后，阻 止三色光通过，不加电时让光线穿透，此时可以通过控制加在子像素电极上的电 压来控制液晶对光线的选通程度。该电压( 称之为灰度电压) 与显示数据一一对应， 通过改变显示数据，即可调节子像素灰度大小。从而使r 、g 、b 三色不同灰度的 光互相叠加，显示多种不同的颜色。 要驱动t f t 液晶显示屏，需要两组信号：列驱动信号和行扫描信号。这两组 信号分别由两种驱动电路来提供，即列驱动器( s o u r c ed r i v e r ) 和行驱动器( g a = 峙 d r i v e r ) 。列驱动器负责r 、g 、b 三色数据的接收、采样和保持，经d a 转换后输 出驱动液晶的具体电平信号。行驱动器产生逐行扫描信号，从而实现对l c d 显示 像素的寻址。除此之外，行、列两个驱动电路需要控制电路提供正确的时序和控 制信号，需要内置图像存储器来存储显示数据，需要内置电源电路生成所需的工 作电压和驱动电压。 l o 砷北t = 业大学硕十学付论文第二章手机用t n l c d 原理及控制电路结构 2 2 液晶极性变换方式 如果上下极板之问的电压被长时间固定在一个极性，液晶分子特性会被破 坏，从而无法根据电压的不同产生配向，也就不能形成不同的灰度，影响正常的 显示。因此，每隔一段时间，需要调整液晶两端的电压，避免因某一极性的电压 固定时间过长，破坏液晶分子特性。如果显示画面始终保持不变，即形成的灰度 不变，可以采用正负电压交替驱动的方法解决上述问题。这里的正、负电压是针 对c o n l l n o n 电极，当显示电极的电压高于c o m m o n 电极时，称为正极性，当显示 电极的电压低于c o m m o n 电极时，称为负极性。与正、负极性相对应，有一组相 同亮度的灰度。当上下玻璃之间的压差绝对值固定时，不管是显示电极的电压高 还是c o m m o n 电极的电压高，表现出来的灰度一致。两种电压交替驱动，液晶分 子转向完全相反。有效解决了因电压长时间固定在某一极性而破坏液晶特性。 液晶面板极性变换方式相似之处在于在下一次画面更新前改变极性。大体可 分为如下四种 1 、帧翻转 整个画面相邻点有完全一致的极性。 则下一帧所有相邻点驱动电极为负极性。 2 、行翻转与列翻转 一帧中相邻行或列的极性完全一致。 3 、点翻转 如果该帧中相邻点驱动电极为正极性， 相邻帧对应行或列极性完全相反。 每个点与自己相邻的四个点极性相反。 4 、d e l t a 翻转 以r g b 三个点形成的像素为单位，每个像素与相邻四个像素极性完全相反 极性变换方式确定后，极性变换可通过c o i i l i n o n 电压不停变动，同样也可以 达到让c l c 两端压差固定不变的方法实现。需要指出的是如果极性电压可变，则 面板极性变换只能选用帧翻转或行翻转。如果使用的是列翻转或点翻转，则只能 采用c o m m o n 电极固定不变的方式。原因在于首先c o m m o n 电极位于与显示电极 不同的另一块玻璃上，面板上所有的点c o m m o n 电压全部接在一起。其次g a t e d r i v e r 的操作方式是将同一行的所有t f t 打开，随后s o u r c ed r i v e f 对该行显示点 进行充电。由于本行的所有显示点c o i 砌o n 电极全部接在一起，如果c o 姗o n 电 极电压可变，无法在同一行t f t 上同时作到显示正极性和负极性。而列变换和点 变换在一行的显示点上，要求每个相邻的点极性不同。因此c o m m o n 电极电压变 化的方式仅适用于帧翻转和行翻转。而c o m m o n 电极电压固定的方式无如上限制， 由于c o f 姗o n 电极电压一直固定，只要s o u r c ed r i v e r 能将电压充到比c o m m o n 大 两北丁业大学硕十学位论文第二章手机用t f l c d 原理及控制电路结构 即可得到正极性，比c o 衄o n 电压小就可得到负极性。因此c o m m o n 电极电压固 定的方式适用于各种面板极性变换方式。 2 3 手机用t f t - l c d 驱动控制芯片 2 3 1 功能单元 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一_ 1 野 厂_ 卜 图2 5 典型的液晶显示系统 手机用t f t - l c d 将图像存储器电路( g r a m ) 、模拟单元电路如g a t ed r i v c r 、 s o u r c ed r i v e r 、电源模块、内部0 s c 、数字单元电路如接口电路、控制电路等单片 集成。t f t - l c d 驱动控制芯片采用c o g 封装与t f t l c d 组成显示模组( 如图2 6 所示1 。 并韶接口 图2 6 t f t - l c d 驱动控制芯片与t f t - l c d 屏组成显示模组 本课题所设计的彩屏手机用t f t - l c d 驱动控制芯片主要功能单元如图2 7 所 示，各单元概述如下： 接口电路：接口电路支持i i l t e l8 0 系统8 9 1 6 1 8 b “并行传输模式，串行传输模 式( s p i ) 和独立的高速接口传输模式。根据数据源的不同( m p u 请求写入或高速接 口1 ，接口电路完成系统接口与高速接口之间的切换。一旦接口类型确定，数据通 过接口电路写入，这包括来自m p u 的指令以及来自系统接口的显示数据或直接来 自高速接口的显示数据。来自m p u 的指令被写入控制寄存器组，而显示数据被写 入内置g 删。 控制寄存器组：m p u 通过系统接口改变控制寄存器相应控制位完成对 1 2 两北工业大学硕十学伊论文第二章手机用t f t - l c d 原理及控制电路结构 t f t - l c d 的配置和控制。 内置时钟信号产生电路( o s c ) ：用于产生稳定的内部时钟信号。 t f t l c d 控制电路( t c o n ) ：该部分是整个显示控制部分的核心。用于产生正 常显示时所需的显示时序信号和控制芯片其它单元使之协调工作的控制信号。 r g b 接口v s y n c 接口系统接口 控制寄存器组接口电路 01 内置时钟信号产生电路 地址计数器 ( o s c ) ( a d d r e s sc o u n t e r ) 上 t t f r _ l c d 控制电路 ( t c o n )内置图形数据存储器 ( g r a m ) 刊内置电源电路 g a m m a 校正电路 上 ，1rr1r、 g a 协d r i v e ，s 0 u r c ed r i v e r 图2 7 课题所设计的t f l 二l c d 驱动控制芯片顶层结构示意图 g l 认m ：g r a m 用来存储来自m p u 或外部高速接口的显示数据，如果图像数 据无变化，可有效减少m p u 的读写次数。 内置电源电路：对输入电压进行d c d c 转换，产生整个芯片动作的工作电压 和驱动电压。其中，工作电压包括低、中、高三种模拟电路的正电源、负电源和 数字电路的正电源等。驱动电压包括行、列驱动电压和液晶公共电极驱动电压等。 电源电路利用l d o 线性稳压电路来进行降压和稳压，利用电荷泵电路来进行升压 和反压 g a m m a 校正电路：由于光在t - l c d 的传输过程中扭曲形成s 形曲线【恤删， 为了消除这种现象，在盯t _ l c d 中引入了g 锄m 电路来补偿光在t f t - l c d 传输 两北一【业大学硕十学停论文第二章手机用t f t - l c d 原理及控制电路结构 中的扭曲范围，实现对整个t f t - l c d 显示屏上图像亮度的控制。由于不同的 t f t - l c d 屏具有不同的光电响应特性，为满足不同t f t - l c d 屏的需要，本课题设 计的g 锄m a 校正电路根据屏特性的不同，不仅可以灵活调整g a m m a 曲线的幅度、 斜率、还可以通过微调进一步调节g a n l m a 曲线。 s o u r c ed r i v e r 电路：是一个d a 转换电路，根据图像存储器中的6 数据选出 g a m m a 校正电路中的与之对应的灰度电压，从而生成列驱动信号。其输出直接与 t f t 的源极走线相连并通过1 下t 给液晶充电。 g a t ed r i v e r 电路：由g a t ed r i v e r 单元电路并联而成，相邻的g a t ed r i v e r 依次 打开，驱动t f t _ l c d 对应行。 2 3 2 芯片工作过程 手机用盯t - l c d 驱动控制芯片加电复位后，依据规格要求的控制寄存器的初 始值进行初始化，内置时钟信号产生电路、内置电源电路启动，待输出稳定后， 内部时钟信号产生电路给出稳定的同步时钟信号，内置电源电路产生芯片各单元 所需工作电压。 接口单元通过系统接口将来自m p u 的指令写入控制寄存器组中对应控制寄存 器，并将系统接口请求写入或外部高速接口请求写入的数据写入内置g r a m 控制电路( t c o n ) 根据控制寄存器中相应控制位的值生成显示时序信号和控制 时序信号。其中显示时序信号主要用于同步显示操作，表明显示中一帧、一行开 始或结束。控制时序信号表明单元电路的动作情况，比如何时将g a t ed r i v e r 单元 电路所需行编码锁存。 g a t ed r i v e r 、s o u r c ed r i v e r 、g a n 蛐a 校正电路等根据来自t c o n 的时序信号协 调动作。控制电路根据m p u 的显示配置产生当前显示行对应的行编码，该编码经 g a t ed r i v c r 中的译码电路译码后经电平转换驱动对应的行；根据控制电路产生的 显示数据在内置g ra m 中的地址将显示数据锁存至s o u r c ed r i v c r ，之后s o u r c e d r i v e r 根据图像存储器中的6 位数据选出g 锄m a 校正电路产生的灰度电压，从而 生成列驱动信号完成显示。 2 3 3 芯片设计流程 单片集成的t f t - l c d 驱动控制芯片是复杂的混合信号大规模集成电路芯片， 集成了数字、模拟和存储器多种电路类型，使用了低、中、高压三种工艺，单片 集成的t f t - l c d 驱动控制芯片设计流程如图2 8 所示。 西北t 业大学硕十学付论文第二章手机用t f t - l c d 原理及控制电路结构 芯片设训规格书 夏疆j 委f 卜_ 1堇兰墨丝丝盐 数字电路癫代码编写仿真 数字电路自动综合 数字电路带时延特性仿真 1 砷i n g 特性 值 模拟电路模块设计( s c h e m a b c ) 葵拟电路模块仿剥 一模拟电路全体仿真 o n e c h l d 功能验证 二二二 二二二二 模拟电路版图设计 数宁电路自动版图设计 o n e - c h l d 版图设计 版图设计验证( d r 掣l v 彰e r q a c 特性后仿真 图2 _ 8 单片集成的吁t - l c d 驱动控制芯片设计流程 2 4 控制电路功能需求及结构划分 由于芯片用于电池供电的移动设备，基于对电池寿命和待机时间的考虑， m p u 可通过功耗管理降低其功耗开销。芯片支持三种工作模式，分别是普通模式、 s l e 印模式和s t a n d b y 模式。如果一段时间内不需要显示。m p u 可通过指令控制芯 片进入s l e 印模式，在该模式下只有对电源部分的控制指令能被执行，显示数据在 内置g r a m 中被保持，内部显示操作停止但内部时钟信号产生电路仍然工作。如 果长时间不需显示，m p u 可通过指令控制芯片进入s t a n d b y 模式，在该模式下包 括内部时钟信号产生电路在内的与显示相关的电路均停止工作，由外部接口送入 的同步时钟信号此时也不会被接收。该模式下只有启动内部时钟信号产生电路以 及唤醒指令能被执行( 通过执行唤醒指令，芯片从s t a l l d b y 模式切换回普通工作模 式) 。 对应于芯片不同的工作模式，控制电路需要产生或终止相应时序信号与控制 信号。 2 4 1 控制电路功能需求 不同工作模式下控制电路的主要功能如下所示 s t a n d b y 模式：无同步时钟信号同步( 内部同步时钟产生电路停止、外部送入的同 两北r 业大学硕十学俯论文第二章手机用t f t - l c d 原理及控制屯路结构 步时钟信号不被接收) ，控制电路停止工作。 s l e e p 模式：存在同步时钟信号，但要求控制电路通过停止产生显示同步信号及控 制信号关闭显示操作。 普通工作模式： l 、对应于系统接口、外部接口，控制电路采用不同的同步方式同步内部显示操作。 2 、根据显示画面的特点，采用不同的方式产生极性翻转信号，使得芯片支持帧翻 转、场翻转以及n 行翻转( 场翻转：采用帧翻转时，如果画面内容更新频繁可 能会出现轻微的闪烁，称之为f l i c k e r i x 。删引起f l i c k e r 的原因是画面灰度电压 在画面更新时产生变化。为减轻此影响，引入分场模式，即将原来的一帧分为 三场，相邻场极性相反) 。 3 、对显示过程中行读操作的支持。显示过程中需要将内置g r a m 中一行数据锁 存至s o u r c ed r i v e r ，控制电路需要产生内置g r a m 扫描请求信号以及所需显示 数据在内置g r a m 中的地址。不存在滚屏操作时，该地址与当前扫描行数一 致。存在滚屏操作时，该地址需要根据当前显示是否分场进行计算 4 、对g a t e d r i v e r 的控制。根据当前是否采用外部接口、当前显示是否分场、g a t e d r i v e r 扫描方式以及当前扫描行产生ga _ t ed r i v e r 启始扫描地址和行编码。行编 码经译码电路译码后经电平转换，驱动g a t ed r i v e r 某行打开。需要说明的是如 果存在分屏操作，两子屏幕外的区域称为非显示区眦8 0 3 】，t c o n 需要对非显 示区g a _ t ed r i v e r 扫描方式加以控制，控制非显示区g a l ed r i v e r 按正常方式驱 动、隔帧驱动或关闭非显示区g a t cd r i v e r 。 5 、对s o u r c ed f i v e r 的控制。s o u d c ed 晰e r 根据图像存储器中的6 数据选出g 舢a 校正电路中的与之对应的灰度电压，从而生成列驱动信号。t c o n 根据当前显 示需求控制其最终的输出电压：灰度电压、公共极电压或地。如果存在分屏操 作，t c o n 同样需要对非显示区s o u r c ed r i v e r 的输出进行控制。 6 、对e q 电路的控制。对于不同的显示数据，s o u r c