（电路与系统专业论文）手机用TFT彩色液晶显示Source+Driver电路优化设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北l 业大学硕士学位论文 摘要 摘要 由于具有低电压、低功耗、薄型轻便、易于彩色化和被动显示的优点，hs 日 液晶显示器件已得到广泛应用。其中t f t - l c d 由于具有高分辨率、全彩色、显 示品质优异的特点，已成为液晶显示领域中的主导显示方式。现在t f t - l c d 已 经被广泛应用于各种显示设备中，尤其是以手机为代表的个人信息终端中。 t f t - l c d 驱动控制芯片作为手机m p u 与手机t f t - l c d 显示屏之间的接口电路， 控制并驱动着t f t - l c d 显示屏的彩色显示，其性能直接影响着显示画面的质量 和系统功耗。 论文的研究内容是国家“8 6 3 ”资助项目“用于彩屏手机的液晶显示驱动控 制电路芯片歼发”课题的部分。论文首先研究了有关液晶显示尤其是t f t - l c d 方面的驱动原理的有关知识，并在此基础上给出了本芯片的总体结构和功能模块 的划分。其次，研究了有关y 校正的有关资料。详细地阐述了本芯片中可编程调 节的y 校正电路的设计方法和在设计中采用的一些关键技术。再次，针对所研发 的t f t - l c d 驱动控制芯片设计了应用于彩屏手机t f t - l c d 屏的s o u r c ed r i v e r 电路，并通过分析t f t - l c d 屏的等效负载模型，研究了s o u r c ed r i v e r 电路的优 化设计方法。最后通过s y n o p s y sh s p i e e 仿真工具，将所设计的y 校正电路和 s o u r c ed r i v e r 电路合在一起进行了联合功能和特性仿真验证，仿真结果表明电路 完全满足设计需要和应用要求。 通过本论文的研究为设计具有自主知识产权的t f t - l c d 驱动控制芯片积累 了经验，也为s o u r c ed r i v e r 电路的优化设计提供了一种方法。 关键词：t f t - l c d 彩色液晶显示，驱动i c ，y 校正，s o u r c ed r i v e r ，优化设计 h s p i c e 仿真 西北工业大学硕：b 学位论文 摘要 a b s t r a c t n o w a d a y s ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) h a sb e e nu s e dw i d e l y f o ri th a s p e c u l i a r i t yo fl o wd r i v i n g - v o l t a g e ，l o wp o w e r ，t h i na n dp o r t a b l e ，c o l o r f u la n d n o n - e m i s s i v e i nt h el c df i e l d ，t f t _ l c di st h ed o m i n a n to n e ，b e c a u s ei th a sm a n y m e r i t s ，s u c ha sh i g hd i s p l a yp e r f o r m a n c e ，f u l lc o l o r , h i g hp e r f o r m a n c ea n ds oo n 。 t f t - l c dh a sb e e nu s e di nv a r i o u sd i s p l a ye q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l yi nt h ep e r s o n a l i n f o r m a t i o nt e r m i n a ls u c ha sm o b i l ep h o n e a st h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nm p uo f m o b i l ep h o n ea n dt f t - l c d p a n e l ，t f t - l c dd r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gi cc o n t r o l sa n d d r i v e st h ec o l o rd i s p l a yo ft h et f t - l c dp a n e l ，i t sp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e st h ed i s p l a y q u a l i t ya n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o no f t f t - l c dp a n e ld i r e c t l y t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o ni sa p a r t o fn a t i o n a l 8 6 3 p r o g r a m _ r e s e a r c ho nt f t - l c dd r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gc o n t r o li cf o rc o l o r e d d i s p l a ym o b i l ep h o n e ”，w h i c hi s c a r r i e do u tb yn w p ua v i a t i o nm i c r o e l e c t r o n i c s c e n t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ed r i v i n gp r i n c i p l e so f l c d e s p e c i a l l yt h et f l c da r e d i s c u s s e df i r s t l y , b a s e do nt h ep r i n c i p l e s ，t h ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o nb l o c ko ft h ei c a r ea n a l y z e d t h e n ，t h et h e o r i e so fg a m m ac o r r e c t i o na r er e s e a r c h e d ，a n dt h ed e s i g n m e t h o da n ds o m ek e yt e c h n o l o g yo ft h ep r o g r a m m a b l ea d j u s t m e n tg a m m ac o r r e c t i o n c i r c u i tu s e di nt h ei ca r ea l s od e s c r i b e d a n dt h e n ，t h es o u r c ed r i v e rc i r c u i tb a s e dt h e i ca r ed e s c r i b e d ，b ya n a l y z i n gt h ee q u i v a l e n tr cl o a d i n gm o d e lo ft h et f t - l c d ，t h e o p t i m i z e dd e s i g nm e t h o do f t h es o u r c ed r i v e rc i r c u i ti sd i s c u s s e d f i n a l l y , t h er e s u l t s o fs y n o p s y sh s p i c es i m u l a t i o nb a s e do nt h ed e s i g n e dg a m m ac o r r e c t i o nc i r c u i ta n d t h es o u r c ed r i v e rc i r c u i ta r eg i v e n t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t e t h a t d e s i g n e d c i r c u i tc a l ls a t i s f yt h e s p e c i f i c a t i o n s a n dp r o p e r t i e s r e q u i r e m e n t s o f t f t _ l c dd r i v e r 【c t h i sd i s s e r t a t i o nh a sc o n t r i b u t e dt od e s i g n i n gt h et f t - l c dd r i v i n ga n dc o n t r o l l i n g i c f u r t h e r m o r e ，t h ed i s s e r t a t i o na l s oh a sp r o v i d e dag o o ds o l u t i o nt od e s i g nt h e s o u r c ed r i v e rc i r c u i t k e yw o r d s ：c o l o rt f t - l c dd i s p l a y , d r i v e ri c g a m m ac o r r e c t i o n ，s o u r c ed r i v e r o p t i m i z e dd e s i g n ，h s p i c es i m u l a t i o n 西j e ，1 ：业人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景与来源 第一章绪论 1 9 5 8 年美国t i 公司试制成功了第一块集成电路，近6 0 年来以集成电路 为基础的微电子技术的发展及应用所带来的惊人进步在人类历史上是空前的。如 今，集成电路已被视为与钢铁、石油工业同等重要的、具有战略意义的国家命脉 工业，其技术水平和产业规模已成为衡量一个国家经济发展、技术进步、工业先 进、国防实力的重要标志，微电予技术已成为当今世界上最活跃的生产力之一。 集成电路的发展经过了小规模、中规模、大规模到超大规模，其规模从几个 门电路发展到几万、几十万甚至上百万个门，集成度和复杂度越来越高。臼上世 纪8 0 年代中期，出现了专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) ，给用户、设计者及生产者提出了一个新的概念，现已成为集成电路发展 的重要趋势。其特点就是提倡用户自行设计i c ，而集成电路生产厂家则象印刷 厂一样，为用户生产有自主版权的a s i c 芯片。由于a s i c 的高集成度、高可靠 性、高保密性。以及为特定的需求专门设计，大大提高了整机的性能降低系统 成本，增强整机产品的竞争能力。近几年来，又提出了要求用户在系统设计阶段 就应考虑使用a s i c 来实现这样能够大大提高系统的性能。如今，在电子产晶 中。用不用a s i c 、用多少a s i c 己成为衡量电子产晶技术水平的重要标志i l 。 。 我们所研制的应用于彩屏手机的t f t - l c d 液晶显示驱动控制电路芯，；属于 a s i c 范畴。 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f 1 常生活r 1 1 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 ) 技术已经逐渐占据平面显示的主要领域。 近几年，液晶显示行业发展迅猛，同时随着互联网技术成熟，个人便携信息终端、 g p r s 以及可视电话、游戏机等产业的发展，l c d 业界迎束了期盼已久的飞速发 展。在中国，随着经济的快速发展，信息化水平的不断提高，中国l c d 的潜猩 市场相当巨大，现在已经在工业、交通、金融以及某些商用领域得到广泛的应用。 现在，被称为产业之纸的l c d 和产业之米的集成电路的结合，使l c d 技术在 2 l 世纪将持续发展。 酒北r 业大学硕士学位论文 第一章绪论 液晶显示器件由于具有体积小、重量轻、低电压、低功耗和低辐射等特点 因而具有十分广阔的市场前景，其中t f t - l c d ( t h i n f i l m t r a n s i s t o r - - l c d ：薄腹品 体管l c d ) 在l c d 领域占很大的市场，有其独特的优势。t f t 要求提高锃示质量 和响应速度，减少阴影产生，改善性能价格比；同对要求低功耗、高密度安装、彩 色显示等，并要求降低基材成本和提高灵活性口。i 。 作为t f t - l c d 显示模组的关键部分之一的驱动控制i c ，它是手机t f t i 。c d 显示屏与手机m p u 之间的接口电路，一直是左右液晶显示画质好坏的关键部件。 西北工业大学航空微电子中心所研发的应用于彩羼手机的驱动控制芯片，兼容 = = 1 前流行的t f t 驱动i c ，支持指令编程，支持完成各种复杂的显示和控制。本课 题来源于西北工业大学航空微电子中心所承担的国家“8 6 3 ”资助项目课题 “应用于彩屏手机的t f t 液晶显示驱动控制芯片r 开发”谋题。该课题的主要任 务是设计一个拥有自主产权的用于彩屏手机的液晶显示驱动控制电路芯片。本论 文的目的在于研究和设计应用于彩屏手机的液晶显示驱动控制电路芯片中的v 校正电路和s o u r c ed r i v e r 电路，并对s o u r c ed r i v e r 电路结构进行了优化设计研 究。 1 2 国内外研究现状 c r t ( 阴极射线管) 自问世以来已经有1 0 0 多年的历史，由于c r t 具有极 为优异的显示性能和批量生产技术带来的低价格特点，c r t 一庭占据着电子显示 器件的霸主地位。但是c r t 也存在着明显的缺点，那就是体积大，工作电压高， 因此c r t 已经同益无法满足人们对于显示机器小型化和低功耗的要求。出于液 晶显示器件l c d 具有以下两个优点： 1 、实现了低工作电压和低功耗，使之与c m o s 集成电路的耦合成为可能。 2 、适应了时代的需求一一薄型化，改进了对比度实现了特性优异的彩色显 示。 因此，l c d 逐渐成为人们研究的热点。尽管目前c r t 仍然占据着电子显示 器件的霸主地位，但是随着l c d 技术的成熟和发展，已经有越来越多的迹象表 明l c d 已有取代c r t 的趋势，例如现在已经兴起了l c d 电视和l c d 个人电脑 显示器f 钉。 在l c d 领域内由于t f t - l c d 即薄膜晶体管液晶显示屏具有驱动电压低，功 耗消耗小，反应速度快，显示画面质量好等优点，目前被“泛应用于手机、p d a 等山电池驱动的便携式电子仪器中，以满足摄像、游戏和视频等动念影像播披的 ， 西北上业人学硕士学位论文第章绪沦 要求，并且已经成为彩屏手机的酋选显示设备，将在未来的3 g 手机中会得到j “ 泛应用。随着3 g 手机以及无线数据通信的普及和发展，能够显示高分辨率高画 质动态图像的t f t 彩色液晶显示器具有广阔的市场前景和发展空间。 手机用t f t - l c d 驱动控制：苍片是手机t f t - l c d 显示屏与手机m p u 之间的 接口电路，控制和驱动着显示屏的彩色显示，其性能直接影响着显示画面的质量 和系统功耗。现在国际上许多著名的电子公司都已经先后开发出了具有自主知识 产权的t f t - l c d 驱动芯片，例如韩国s u m s a n g 公司，闩本h i t a c h i 公司， 以及台湾的s o l o m o n 公司都已经开发出了成熟的商业芯片系列。长期以来， t f t l c d 驱动芯片技术都掌握在这些国外的公司中。 我国在这方面的研发力度和水平与国际上均存在较大差距。目静我们国家已 经成为全世界最大的手机生产国和手机出口国。虽然我们能够生产出大量的手 机，但是我们在其中能得到的利润却非常有限，究其原因，主要是因为在我们f 产的手机中，许多关键技术和关键部件的依赖于进口。尤其是现在生产的绝大部 分手机都是采用的t f t - l c d 作为显示屏，而t f t - l c d 屏非常重要的核心部件驱 动控制芯片我们却没有自己的芯片，只能依赖于进口，由于进口芯片价格昂贵， 货源短缺，导致手机生产企业利润空间小，核心竞争力低的现状。尽管国内也有 机构开始类似芯片的研制，但往往仅限于研究阶段，还远来达到商业应用阶段。 因此，研制具有自主产权的t f t 彩色液晶显示器驱动电路芯片的开发，将有助 于解决目前我们此类芯片主要依赖进口的局面。 1 3t f t - l c d 的发展趋势 目前薄膜晶体管寻址的液晶显示器( t f t l c d ) 以其大容量、商清晰度和全色 彩的视频显示已经逐渐成为当前显示领域的主导技术。现在t f t - l c d 已经由第一 代生产线( 3 0 0 r a m x 4 0 0 m m ) 发展到第七代生产线( 1 0 0 0 m m x1 2 0 0 m m ) ，每换代次 玻璃蒸板面积增加1 7 ，1 9 倍，平均每3 年增加1 8 倍。主要产品中笔记本电脑屏幕 主流尺寸己经采用了1 5 时；在台式电脑上l c d 将继续取代c r t 并且1 7 时们i 旨主 流，对于1 9 时和2 1 时的需求也会有很大的增长；l c d 电视已f 1 益受市场青睐2 0 0 4 年总销量为1 0 0 0 万台，估计2 0 0 8 年将达4 5 0 0 力- 台，2 0 0 9 年为6 0 0 0 万台，并r 3 0 寸到4 0 时产品增长迅速。从t f t l c d 面板的生产能力看，近十年t f t l c d 显示 器的发展重心一直围绕在1 0 时以上的面板，三星与索尼合作的第7 代生产线在 2 0 0 5 f 乒2 月已投入生产，三星自己的第7 代生产线将在2 0 0 6 年开始使用。此外还仃 夏普的第6 代生产线和l g 的第7 代生产线。截至到2 0 0 6 年底，将有1 2 条i 。c d ，卜产 西北i ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 线投入生产，其中至少有3 条是第7 代生产线7 一i 。这表r j j l c d 面板将会有很强的 生产能力，将大大推动l c d 面板的出货量。相比之下，小尺寸显示器缺乏关注， 单价不仅偏低，出货量也远不如大尺寸面板，所要求的性能也是原地踏步，能衔 生的附加价值有限。 但是从1 9 9 9 下半年开始，市场已经可以明显感觉到小尺寸显示器势力抬头， 2 0 0 0 年以来继续持续这样的发展趋势。小尺寸面板的爆发力源于移动电话及 p d a ，近年来全球手机市场呈现爆炸性需求，其功能要求多元化，铆如：由单色 迈向多色，进而彩色；增加影像能力，象素快速响应等等；在面板性能提离的同 时，又得兼顾耗能的改善。小尺寸t f t l c d 的其他应用领域还包括数码相机、摄 影机、p d a 等消费类电子产品。 以手机为代表的消费类电子产品的兴起必然会引起t f t l c d 显示器件需求 量的增长。t f t - l c d 驱动控制芯片作为手机t f t o l c d 显示屏与手机m p u 之间 的接口电路，是手机中必不可少的部件，因此小尺寸t f t l c d 市场的需求量的 增长必然会引起t f t l c d 驱动控制芯片需求量的增长。 1 4 设计思路及手段 专用集成电路( a s i c ) 按照不同的分类方法可以有不同的分类。如果按照 应用特性分类，a s i c 可以分成三种：数字a s i c 、模拟a s i c 和数模混合a s i c t 卜2 1 。 本课题所研制的芯片属于数模混合a s i c 范畴，即在芯片中同时包含数字电路和 模拟电路。如果按照芯片的制造方法分类，a s i c 也可以分为三种：全定制a s i c ( f u l l c u s t o ma s i c ) 、半定制a s i c ( s e m i c u s t o ma s i c ) 、可编程a s i c ( p m g r a m m a b l ea s i c ) ，本课题所设计的芯片属于全定制a s i c 。 a s i c 的设计般有两种方法：t o p d o w n ( 自顶向下) 的设计方法，b o t t o m u p ( 自底向上) 的设计方法l 引。随着芯片功能的日益强大，晶体瞀数量的指数增 加以及片内逻辑的空前复杂，现在的设计大都是将两种设计方法相结合，很少纯 粹使用单一的设计方法。两种方法相辅相成，以自顶向下为主，首先应该在高层 次上定义一个系统，然后对该系统进行逻辑划分，最后才去实现划分后的低层次 的逻辑。整个系统实现后必须进行功能模拟，最后才能进行版图设计和验证，得 到具体的实际电路。而某些局部模块的单元电路，则可以采用其它入或厂商玎发 好的、已经锝到了充分验证的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) ，增加了设计的安全性， 并缩短了设计周期；而某些对芯片性能和功能至关重要的模块则完全以臼底f 曲 1 的方法进行设计，保证了芯片所需的某些特性。 两j e 工业大学硕士学位论文旃章绪： 本文所研究的是芯片中y 校正电路和s o u r c ed r i v e r 电路的设计，属于模拟电 路的范畴，在设计中采用的是t o p d o w n 和b o t t o m u p 相结合的设计方法，首先 先进行系统设计，在系统设计的基础上进行功能模块的划分，然后对于功能模块 进行设计。通过对功能模块的仿真验证，在保证功能模块正确无误的基础上搭建 上层模块，最终形成顶层电路，最后通过电路的数模混合o n e c h i p 仿真对设计电 路进行仿真验证以保证设计电路的正确性，整个设计过程都是在e d a 工具的帮 助下完成的。 1 5 论文研究工作 本论文的目的是通过了解t f t - l c d 液晶照示的原理，研究和设计我们所研 发的“应用于彩屏手机的液晶显示驱动控制电路芯片”中的7 校正电路和s o u r c e d r i v e r 电路，并在此基础上研究了s o u r c ed r i v e r 电路的优化设计方法。作者所作 的工作包括以下几点： ( 1 ) 研究了有关液晶驱动尤其t f t - l c d 的驱动技术的有关资料，在 熟悉驱动技术的有关知识的基础上，同小组的其它成员一起研 究了t f t - l c d 驱动控制芯片的系统设计并进行了功能分块。 ( 2 ) 研究了有关7 校正的相关资料，由于y 校正电路的作用是产，l 三 驱动t f t - l c d 的灰度电压，可以认为是s o u r c ed r i v e r 电路的一 部分，在设计中将t 校正电路集成在开发芯片中。 ( 3 )针对所研发的t f t - l c d 驱动控制芯片，设计了应用于彩屏手机 t f t - l c d 屏的s o u r c ed r i v e r 电路，分析了s o u r c ed r i v e r 电路结 构。通过分析t f t - l c d 屏的等效负载模型研究了大尺j j t f t - l c d 屏和小尺寸t f l c d 屏下s o u r c ed r i v e r 电路的不同， 并设计了几种不同的电路结构。通过分析比较，研究了s o u r c e d r i v e r 电路的优化设计方法并给出了本芯片中的s o u r c ed r i v e r 电路结构。 ( 4 ) 仿真验证。通过s y n o p s y sh s p i c e 仿真工具，将所设计的y 校正 电路和s o u r c ed r i v e r 电路合在一起进行了仿真，验证了设讨电 路的正确性。 两北：业大学硕士学位论文第一章绪 沦 1 6 论文的安排 本论文的研究对象是应有于彩屏手机的t f t 彩色液晶显示s o u r c ed r i v e r ( 包 括t 校正电路) 的优化设计，因此本论文主要围绕着对y 校正电路设计和s o u r c e d r i v e r 电路的优化设计展开。论文的安排如下： 第章绪论。主要介绍了本课题的研究内容、背景和意义，以及国内 外在该领域的研究现状，并对t f t - l c d 的发展趋势作了简单介绍。 第二章t f t - l c d 液晶显示原理及驱动电路。本章介绍了液晶显示和驰 动的基本原理以及t f t l c d 的结构和工作过程，并给出所设计的t f t - l c d 驱动 控制芯片的整体设计方案。 第三章y 校正电路设计。首先介绍了t 校正的基本原理，然后详细地叙 述了本芯片中可编程调节的了校正电路的设计方法，并对其电路和工作原理进行 了分析。 第四章s o u r c ed r i v e r 电路的优化设计。详细阐述了本芯片中s o u r c e d r i v e r 电路的功能和结构，并研究了针对不同尺寸t f t - l c d 屏幕下的s o u r c e d r i v e r 的优化设计方法。 第五章仿真分析。通过在s y n o p s y sh s p i e e 仿真环境下对所设计的y 校 正电路和s o u r c e d r i v e r 电路进行了联合仿真和分析验证了设计电路的正确性。 第六章结束语。总结了全文中所完成的工作。 龋北，l ：业大学硕士学位论文第二章t f t - l c d 液晶显示与驱动原理 第二章t f t l c d 液晶显示与驱动原理 驱动原理是设计驱动电路的理论基础，本章主要针对液晶显示尤其是 t f t - l c d 的驱动原理和驱动方法进行介绍，并在此基，1 1 1 1 上给出了所研制的应用 于彩屏手机的t f t - l c d 驱动控制芯片的总体结构描述和各模块的功能分析。 2 1 液晶显示概述 2 1 1 液晶显示的历史与发展 液晶最早是由奥地利植物学家莱尼茨尔( e r e i n i t z e r ) 在1 8 8 8 年首先发现的， 他在测定有机物的熔点时，发现胆茁醇苯酯溶化后会经历一一个不透明的浑浊液态 阶段，进一步加热，浑浊液态变成透踢的各向同性液态。第二年，德国物理学家 莱曼( o l e h m a n n ) 用偏光显微镜观察这些胆茁类化合物，发现了这些乳白色浑 浊液态具有晶体所特有的的双折射现象，并据此将其命名为液晶口4 l ( l i q u i d c r y s t a l ) 。 液晶是由杆形分子、盘形分子等不具有球对称性的分子组成的部分有序排列 的物质。它既不同于分子排列完全混乱的各向同性液体，也有别于分予排列完全 有序的晶体。这种介于晶体与液体之刚的分子排列以及分子本身的特殊形状与性 质，导致了液晶同时呈现出液体与晶体的特性，甚至远比它们更复杂的特性。- 一 方面，液晶具有流体的流动特性；另方面，液晶又呈现出晶体固有的空闻各向 异性。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：枯土状的s m e c t i c 液晶，细柱形 的n e m a t i c 液晶和软胶胆固醇状的c h o l e s t i c 液晶1 3 - 6 1 。这三种液晶的物理特性备 不相同，而第二类的细柱形的n e m a t i c 液晶最适于用来制造液晶显示器。 由于液晶是液态，分子排列结构不像固态液晶那样坚固，在外电场作用f ， 分子排列状态很容易发生变化。因此利用外加电场即可改变液晶分子取向产生 光的调制，改变入射光的强度以形成不同的灰度，这就是液晶显示的基本原理。 这种山电场产生的光调制现象叫做液晶的电光效应( e l e c t r o o p t i ce f f e c l ) ，它是液 明北上业人学硕士学位论文 第一二章t f t - l c d 液晶显示与驱动原理 s _ _ 日_ _ _ _ _ - _ t il t 自_ 目e j _ _ - 日- ，_ 目，日_ _ e _ z _ t e j j _ _ t e 自l 毫 晶显示的基础。 随着液晶显示器件的广泛应用，液晶显示技术也取得了长足的发艘现在存 液晶显示器件中使用最多的三种技术为：扭曲向列型( 即t n 型：t w i s t e d n e m a t i c ) ，超扭曲向列型( 即s t n 型：s u p e r t w i s t e d n e m a t i c ) 以及薄膜晶体管 型( t f t 型：t h i nf i l m t r a n s i s t o r ) 舯。t n l c d 技术出现在上世纪7 0 年代， j 要应用于电子手表、计算器当中。出现在上世纪8 0 年代的s t n l c d 产品在 盟示品质上相比t n l c d 有了很大的进步。但是随着实际应用的需要，这两类 产品已经逐渐无法满足人们的需要。这两类显示器件显著优点是低功耗，制造成 本比较低廉，但缺点是交叉效应严重，并且电光响应的时间比较长，这给多路驱 动造成了困难，使其在大信息量的视频显示中受到了限制，因此这两类液品显示 器件多用于较为低端的显示设备中。 t f t 型液晶显示器件克服了扭曲向列型和超扭曲向列型液晶显示器件电光 响应的时间比较长的缺点，具有高对比度的特点，因此t f t 型液晶最示器在使 携式信息终端和多媒体终端中得到了广泛的应用，但是t f t 型液晶显示器的制 造成本较高，因此t f t 型液晶显示器多用于离端的显示设备中。 2 1 2 液晶显示原理 图2 - 1液晶显示的原理 液晶显示的显示原理如图2 ，1 所示，它是将液晶置于两片导电玻璃之洲靠 两个电极间的电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源投射 或遮蔽功能，在电源关开之问产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片 则可以显示彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶电进会沿着沟礴 曲此工业大学硕士学位论文第一二章t f t - l c d 液晶显示与驱动原理 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 基板没有电场时光线透过偏光板跟着液晶作9 0 度的扭转，通过下方偏光扳， 液晶面板显示白色( 左图) ：当玻璃基板加入电场时，液晶分子就会产生配向变 化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，经过下方偏关板时光线被遮蔽，光线无 法透过，液晶露板显示黑色( 右图) 。液晶显示器便是根据此电压的有无、离低， 使面板达到显示的效果口“。 2 2t f t - l c d 显示原理 2 1 1t f t l c d 的结构 图2 - 2t f l c d 的构造 l c d 可以分为无源矩阵l c d 和有源矩阵l c d ，t f l c d 属于有源矩阵 l c d 。t f t - l c d 显示屏的基本结构如图2 2 所示。在两块间距为几微米的玻璃基 板之问封入液晶，构成液晶盒。这两块玻璃基板，一块是滤光片基板( c f ) ，用 红、绿、蓝( r 、g 、b ) 三原色滤光片构成象素，并在滤光片上制作透明共用电 极，另一块是t f t 基板，在此基板上制作了矩阵式薄膜品体管，用来开关象素 电极的电压信号。为了使液晶层保持一定的厚度，在两块玻璃基板之间放有透明 隔垫，例如聚酯膜片或玻璃小球。两块玻璃基板外侧，装有偏光轴互相垂直的两 块偏光板，用以调制背光源发出的光。用得最多的是常白模式即在象素电极上 加信号电压时象素显示黑色，不加电压时显示白色。背光源发出的光，在通过偏 光板、t f t 基板和滤光片后会衰减，整个显示屏的光利用率不到3 f 5 _ 6 l 。 西北 _ = 业入学硕士学位论文第二章t f t - l c d 液晶显示与驱动原理 数据线 数据线 ( s o u r c edr i v e r ) ( s o u r c edr i v e r ) 个显五i 点 几秸示迫辐i _ j 1 昂，i h 桶 t f i i 1 丌：l 濉 卜溉i 瘫 l 一- j 毒买赢 一个显示点 酋) 显永电撮 厂 显电极 啊ll ” g jt c s r 丁丁c 奢 公v 按c 电o m 蟋l v l 公v 姓t o 电r n 桎 v l j e r ) l 图2 3 彩色r f t - l c d 的象素单元结构与等效电路 彩色t f t - l c d 液晶显示屏的显示点的结构与其等效电路如图2 3 所示，其 中虚线框中的部分表示一个显示点的结构，每个t f t - l c d 的显示点由t f t 、阵 列基板侧液晶显示电极、公共电极以及封闭在两者之间的液晶材料构成。每一个 彩色象素( p i x e l ) 由相邻的三个显示点组成，这三个相邻的显示点分别显示r 、 g 、b 三原色，可以各自拥有不同的灰度变化。 在上下两层玻璃问夹着液晶，便会形成乎行板电容器，称之为c l c ( c a p a c i t o r o fl i q u i dc r y s t a l ) 。它的大小约为0 i p f ，但是实际应用中这个电容并不能够将电 压保持到下一次再更新画面数据的时刻。也就是说当t f t 对c l c 电容充电完毕 时，c l c 电容并无法将该灰度电压保持住一直到下一次t f t 再对此点充电的时候 ( 以一般的6 0 h z 的面面更新频率为例，则需要保持约1 6 m s 的时间1 。这样一束， 电压就有了变化，所显示的灰度就会不正确。因此一般在t f t - l c d 面板的及计 上会再加一个储存电容c s ( s t o r a g ec a p a c i t o r 大约为0 5 p f ) ，以便让充好电的电胍 能保持到下一次更新画面的时候。 薄膜晶体管( t f t ) 的作用是把显示象紊和数据线很好的分隔开来。t f t 本 身只是一个使用晶体管制作的开关。它的主要工作是决定l c ds o u r c ed r i v e rj 二 的灰度电压是不是要充到这个显示点上来。至于这个显示点要充到多高的电压， 以便显示出怎样的跃度是由外面的l c ds o u r c ed r i v e r 来控制的。 当我们控制液晶扭转光线的多寡，就能造成光线明暗。控制施加到液晶的电 压，就能调整光线的穿出量。若要显示彩色的影像，就要在光线穿出前透过某一 颜色的彩色滤光片就能获得需要的颜色。若要产生全彩的影像，就需要光的三原 色r 、g 、b 三原色排在一起进行组合。液晶屏幕是由许许多多的小的象素组成 的，每个象素都有r 、g 、b 的滤镜来控制色彩的变化就像电视机样由于 曲北工业大学硕士学位论文 第_ 二章t f t - l c d 液晶显示与驱动原理 光点c t i d , 并且排列的很紧密，眼睛接收时就会将三个颜色混合在一起，再加l ：不 同明暗的调整( 控制液晶的扭转角度) 从而形成所要的颜色。t f t l c d 为每个 显示点都安排一个薄膜晶体管来控制电场的变化，使得它对于色彩的控制更加有 效，而不会有被动式矩阵屏幕对于快速移动的影像会产生模糊不清的效果。 2 1 2t f t - l c d 的驱动方式 l c d 主要有三种驱动方式：静态驱动方式，动态驱动方式，以及有源矩阵 驱动方式。t f t - l c d 属于有源矩陴驱动方式【5 l 。 有源矩阵驱动也叫做开关矩阵驱动。这是一种在显示面板的各个显示点j 二都 设置开关元件和信号存储电容以实施驱动的方式，其目的在于提高显示的性能。 在每一个显示点上都有一个开关，这样我们就可以完全独立的驱动每个显示点。 有源矩阵驱动方式中有三端型和双端型之分，双端型使用的是二极管，三端型使 用的是场效应晶体管。t f t 属于三端方式，其连接示意图如图2 - 4 所示，t f t 的 栅极与扫描线相连接，漏极与信号线连接，源极与象素电极相接。利用次一行 方式依次扫描栅极，使一个栅极上所有t f t 一下子处于导通状态，从取样保持 电路，通过漏极总线将信号提供给各信号存储电容。各象素的液晶被存储的信号 激励至下一个帧扫描周期时为止。 y i y 2 y 、，m y m x fx?xsx n lx n l a裔：= ：j e 千一一 飞飞! j v c o n t 占fv e o 和ff l a泰 一一一一一 h屯i l v 占tv * 南tv e o 蓓t f t f t 液晶屏 1 a _ ，、飞 裔 勺 3 ； v o o m 4 - iv c o n f 6 i l 图2 4t f t 显示屏连接示意斟 t f t 没有了简单矩阵那样的扫描电极数的限制，更适应与火型化显刁同时 蝇北工业大学硕士学位论文第一二章t f t - l c d 液晶显示与驱动原理 液晶激励时间可以很长，亮度高，响应时问也很快，因此与 i n 型和s t n 型相 比，t f t 型更加具有优势。 2 1 ，3t f t 一1 _ 0 0 的工作过程 t f 3 - l c d 的工作过程如下f 1 0 j ： t f t 显示屏连接方式如图2 4 所示，在t f t - l c d 中为了显示任意图像，用 m 个行电极和n 个列电极交叉构成m x n 点排列的显示矩砗，以m 个 j 电极和 n 个列电极控制m x n 个显示点可以得到任意文字、图形和图像。由于点阵画面 上的图像数据量庞大，在图像的发送端会把图像数据按时间坐标进行分解，并且 转换成按时间顺序串行的信号，接收端显示器按时间顺序接受串行的信号，并把 它处理成能显示的图像，将这个过程称为“扫描”。在驱动m x n 矩阵的t f b l c d 时，将扫描电路的寻址信号送入栅线y 1 ，y 2 ，y 3 ，y m ，将数据电路的数据 信号送入数据线x l ，x 2 ，x 3 x n 。t f t - l c d 面板的t f t 放在基板上的栅线 和数据线的交叉点上，用栅极总线选通某一行的象索，从数据线上输入模拟的灰 度电压信号。 t f t - l c d 的驱动采用“逐行扫描”的方式，可以顺序选通某一个总线y i 的显示点，例如选通栅线y 1 上的的象素，则接通y 1 上的所有的t f t ，从y l 起 按顺序选到y m ，称为一帧。将一帧的时间进行分割，则每个栅极分给一定的时 间( 称为选通时问) t l ，t 2 ，t 3 ，t w ，重复进行相同的动作，完成帧图像的 驱动。数据线x l ，x 2 ，x 3 ) ( n 的数据信号，由寻址信号通过控制丌关的t f t 写入到象素电容c l c 和存储电容c s 上成为象素电压。象素电压与公共电极l 的 电压之差显示图像，然后，关断栅极总线y i 上的所有t f t 秘出y t 所选择的象 素，可保持到下一个寻址信号到来为止，直到再一次写入数据信号更新画面。所 以，由于液晶上保持着数据信号施加的电压，实质上液晶在一帧时间内作静念动 作。 每一帧周期内，除了正在被寻址的扫描行外，所有其它行的t f t 栅极皆为地 电位，t f t 处于截止状态，存贮在这些象素电容上的电荷基本不变，灰度也就不 变，一直到下一帧到来为止。m 行这样的信号依次传输到矩阵液晶显示屏上从向 构成一帧图像。每帧重复一次上述过程，图像刷新一次。在行凹扫时问的a ，行 存贮电容c s j - 的电荷全部放电完毕，而后重新充电存入下一行图像信号。 西北工业大学硕士学位论文第二章t f t l c d 液晶显示与驱动原理 2 3t f t - l c d 液晶显示驱动控制芯片设计概述 2 3 1 总体设计 在所研制的t f t - l c d 液晶驱动控制芯片的过程中所采用的设计流程为：从 整个芯片的功能要求出发进行系统定义和设计，然后在此基础上对芯片功能进行 层次化的模块划分，直至划分为较为简单的底层功能模块：然后完成各模块的功 能描述、设计要求；最后从最底层模块开始，对于模拟电路部分，采用原理围输 入法进行设计，对于数字电路部分，采用v e r i l o g 硬件描述语占进行功能描述的 设计方法，完成底层功能模块的设计，并进步由底层次模块构成上一层次模块， 直至构成最高层，实现整个芯片的功能。对于每层次的模块，应采用v e r i l o g 语言或基于所设计的电路原理图，并根据该模块的具体要求进行仿真测试，从而 对该模块进行功能仿真以验证设计的准确性，直至完成整个芯片的功能仿真测 试。 本课题所设计的t f t - l c d 驱动控制芯片的主要作用是为液晶显示器提供时 序信号和显示数据，是手机m p u 与液晶显示系统之间的接口。控制芯片既叮以 接受m p u 的直接操作，又可以独立控制并驱动液晶显示。以上为液晶控制的基 本要求，鉴于手机l c d 显示的实际需要口3 1 ，所设计的t f t - l c d 专用驱动控制 芯片具有以下主要功能： 1 ) 分辨率1 3 2 r g b 1 7 6 d o t 2 ) c o l o r = 2 6 2 k ( 2 0 2 6 2 6 ) 色8 ( 2 2 2 ) 色( 可编程控制1 3 ) 内置g r a m ：1 3 2 1 7 6 1 8 b i t = 4 1 8 k b i t s 4 ) 内置可编程控制y 校正电路 5 ) 8 9 1 6 1 8 b i t6 8 0 0 系列8 0 8 0 系列的并行接口，串行接口 6 ) 多种显示方式( 可编程控制) 7 ) 支持行反转及帧反转驱动 8 ) 具有低电流节电方式 9 ) 内置o s c 时钟信号发生电路 1 0 ) 内置t f t l c d 驱动电源电路，d c d c 升压电路 1 1 ) 输入电源电压：v d d = 2 3 3