TFT液晶显示屏原理

传统电视机采用 CRT 作为图像的显示器件 它体积大 重量重 屏幕尺寸受限 制等缺点 目前在电视机上的应用已经逐步被薄而轻的液晶和等离子显示屏取 代 这样我们从事电视维修的技术人员就必须尽快的掌握被称为平板电视的液 晶 等离子电视的维修技术 目前在家庭中 液晶电视和 CRT 电视一样 一般是用来接收电视台播放的模 拟电视节目 把接收下来的模拟电视节目 经过处理 由显示器重现图像 但 是作为液晶电视机和 CRT 电视机的本身 两者则有巨大的区别 首先图像显示器件 CRT 电视采用的是一个体积较大 厚度大的显像管 液 晶电视则采用的是一块显示面积较大 厚度很薄的液晶显示屏 厚度小于 10 公 分 可以悬挂在墙上所以也成为平板电视 在电视机的信号处理电路上 除高频头电路 中频放大电路 视频检波电路 以外 视频小信号处理电路已经完全不同了 普通的 CRT 电视机一般采用的是 模拟电路来处模拟信号 高清 CRT 除外 液晶电视是采用数字的方式来处理 模拟信号 并且计算机软件技术 总线技术及大规模数字集成电路的大量应用 等 电视机的电原理图越来越计算机化 我们原来的维修人员基本上缺乏数字 电路的知识 对图纸也越来越看不懂 也无法去分析故障 在开关电源电路上 为了克服 CRT 电视机开关电源电流波形的畸变而引起的 电磁干扰 EMC 和电磁兼容 EMI 问题 目前生产的液晶电视均采用了 PFC 技术 这样具有 PFC 功能的开关电源其电路原理及结构异常复杂 而且对于属 于被动发光的液晶显示屏 还要有一个对液晶显示屏背光灯供电的背光高压板 这两项也是我们维修人员必须要过的一道门槛 在所用的元器件上 比较突出的是在开关电源等大功率电路中采用了性能优 秀的 MOS 管 取代过去常用的大功率晶体三极管作为开关管应用 电源部分的 故障率大大降低 但是由于 MOS 管和普通大功率晶体三极管特性的不同 激励 及周边电路也完全不同 对我们维修人员也是一个新的课题 从上述看 要掌握液晶电视的维修除了要了解液晶屏成像的简单道理外 最 主要的还是要掌握 CRT 电视机原来没有应用过的新技术 新电路 新元器件的 知识 看懂电路并能分析电路原理 并掌握新型元器件的结构 性能 正确的 应用方法 了解一下数字电路的基本知识 这样 修理液晶电视和原来修理显 像管电视机一样得心应手 甚至还要简单 本文重点就是前期 CRT 电视没有的新技术 新知识入手入以通俗语言全面详 细介绍 最后以典型液晶电视进行整 机电路分析及故障检查 故障分析乃至 故障排除方法及典型案例 引导大家逐步掌握液晶电视机的维修技能 本书的 目的是 从原理的讲解为主 以提高维修人员分析问题及处理问题的能力为目 的 认识到基层知识的重要性 逐步改善 不按原理分析故障 盲目修机的现 象 本书的特点是 复杂的原理均配以大量的图片 以 看图识字 的方式学 习新知识 新技术 在介绍液晶显示屏的工作原理之前 先把液晶究竟是什么 液晶控制光线的道 理是什么简单的介绍一下 1 液晶是什么 液晶是一种有机化合物 是液体 但是其分子具有固体水晶 水晶石 分子的 特性 水晶石的分子对光具有优秀的投射和折射性能 用水晶石制造的镜片 镜头都是性能优秀 昂贵的 液晶的分子除了对光有优秀的特性以外 并且对电场有极其敏感的特性 把 液晶的分子放置在电场中间 改变电场的方向及强度 分子也会随同电场方向 的改变产生扭曲 就好像我们熟知的铁屑对磁场极其敏感一样 把铁屑放置于 吸铁石的磁场中 改变吸铁石的方向 铁屑也随之扭曲一样 2 液晶对光线的控制作用 上一节介绍了 液晶的分子有两项重要的特性 一是对光有很好的透过性 二是对电场非常敏感 研究人员就是利用了这两项特性 研制出了液晶显示屏 当一个长棒型的液晶分子由一端射入光线是 由于液晶分子有良好的透光 性能 光线可以顺利的由另一端射出 下图 A 所示 当液晶分子在电场的作用 下发生扭曲 则阻碍光线的通过 下图 B 所示 此时 可以通过改变电场的强 度 达到控制液晶分子扭曲的角度 从而达到控制通过光线的强度的目的 也 就是达到了 在荧光屏上控制像素点亮度的目的 A B 3 现代 TFT 液晶屏 液晶分子对光的控制作用 对于现代的 TFT 液晶屏 液晶分子对光线的控制作用 和上述原理略有不 同 是用整齐排列的液晶分子在电场的作用下 排列的分子产生扭曲 从而带 动光波扭曲 达到控制光线强度的目的 这一原理用一两句话语 说不清楚 下面会详细的重点描述 希望大家细心的品味 体会 弄明白其中的道理 这 样修理分析故障 就更胸有成竹了 第一章 液晶显示器及成像原理 一 显像管 CRT 是什么样的显示器件 显像管 俗称 CRT 它是一个电真空器件 由涂有荧光粉的屏 电子枪及一个 真空的腔体组成 是一个体积较大的玻璃椎体 成像原理是 依靠电子枪发射 高速电子束流 轰击荧光屏产生光点 图像信号的控制使电子束流强弱变化 在荧光屏上产生 亮 暗 变化的光点 这光点就是像素 再依靠偏转 作用使电子束在荧光屏上进行规定的扫描 把 亮 暗 变化的光点按规 定的顺序排列起来形成图像 如图 1 1 1 所示 显像管属于显示屏主动发光的 模拟显示器件 图 1 1 1 二 液晶是什么样的显示器件 液晶屏上面的图像是怎样产生的呢 液晶到底是一种什么东西呢 液晶屏是什 么结构 液晶是一种有机化合物 是液体 但是其分子具有固体水晶石分子一样的光 学特性 我们知道水晶石对光有优秀的透射性能 那么液晶的分子对光也有优 秀的透射性能 同时液晶的分子对电场又极其的敏感 类似于铁分子对磁场敏 感的现象 液晶分子周边的电场发生变化 液晶的分子会随其变化产生扭曲 通过液晶分子的扭曲可以使通过的光线受到控制 通过 阻断 从而形成图像 液晶显示器就是利用液晶的这两项重要特性使图像的显示成为现实 液晶屏就是众多的液晶分子排列在一个平面上 图像信号分别控制相应的分 子扭曲 从而在这个屏幕上形成图像 和 CRT 显示器不同的是 液晶显示屏是把图像信号先由一个时序控制电路转 化为 水平 行 和 垂直 列 的驱动信号 再加到液晶屏的矩阵电 路上 经过 寻址 把在液晶屏上产生能影响光线通过的 点 排列成图像 类似于电影的胶片 再在背光的作用下形成明亮的图像 液晶的这种驱动 方式称为 矩阵 驱动方式 如图 1 2 1 所示 在图 A 中可以看出 液晶屏的 驱动电路有列驱动和行驱动 由时序控制电路 俗称 T CON 电路 把数字的图 像信号转化成列 行驱动信号 列驱动信号是反映图像内容的像素信息 行驱 动信号是驱使上下扫描的位移脉冲 一行一行的驱使列信号的显示 一行线上 的列信号是同时显示的 这一点和 CRT 上一行像素信号是逐个显示的不同 图 1 2 1B 所示 液晶的本身并不能发光 它只能对通过的光进行控制 为了产生逼真明亮 的图像 所以液晶电视的显示屏都有一个高亮度 光谱范围宽类似太阳光的背 光源 一般采用组合冷阴极荧光灯 CCFL 作为液晶显示屏的背光源 当背光 电路出故障时 我们迎着光亮可以看到液晶屏上有图像的影子 这一般就可以 判断为液晶屏的背光供电板损坏 如图 1 2 2 所示 这个背光源供电电路 是 液晶屏特有的专用电路 做在一块电路板上 由整机的开关电源供电 24V 产 生 1000V 左右的高压 功率较大是液晶电视故障率较高的部件 A B 液晶显示框图 矩阵 显示 图 1 2 1 液晶显示器件的功耗很低 这是它的突出优点 液晶显示器的耗电量主要 在背光灯部分 但是它的显示控制电路 俗称时序控制电路 比较复杂 不 过现在有专用的集成电路与液晶显示屏配套并做在屏内部 形成一个整体的液 晶屏显示器件 故障维修率极低 背光不亮 屏上只有暗影 背光 正常 屏上图像清晰明亮 三 液晶的成像原理 1 光 自然光 偏振光 显像管 液晶屏 等离子屏都是是一种把图像电信号转换为明亮图像的电光器 件 特别是液晶屏 液晶的本身是不发光的 但是液晶的分子可以在电信号的 作用下控制光线的通过 也就是控制了一个像素的亮度 液晶的分子是怎么控 制光线的通过 首先要对 光 有所了解 光是什么 光是一种物质 是能量 是电磁波 是波长在 380 毫微米 nm 纳米 到 780 毫微米之间的一段电磁波 如图 1 3 1 这一段电磁波刺激人的眼睛 人 眼就会有感觉 这种感觉就是 亮 也就是光感 人眼就是一个电磁波接收器 380 毫微米到 780 毫微米这一段波长的电磁波同时射入人眼 就会有白光的感 觉 当某一单一波长的电磁波射入人眼 人眼就有色光的感觉 例如 770 毫微 米波长的电磁波射入人眼 人眼就感觉是红光 比红光波长再长的电磁波人眼 就看不见了 这就是红外线 550 毫微米电磁波射入人眼就有绿光的感觉 385 毫微米的电磁波射入人眼就有紫光的感觉 比紫光波长再短的电磁波人眼就看 不见了 这就是紫外线 从 780 毫微米到 380 毫微米这一段内部不同波长的电 磁波分别射入人眼 人眼就会有 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫光的感觉 同 时射入人眼就是白光的感觉 既然光是电磁波那么它就是一个正弦振动的无线电波 它的振动面不只限于一 个固定方向而是在各个方向上均匀分布的 振动的方向就有垂直的水平的 45 度角的 135 度角的等等 总之是多方位的集合 如图 1 3 2 所示 这种光叫做 自然光 太阳 电灯 日光灯 液晶屏的背光灯等普通光源发出的光 都是自 然光 光的振动面只限于某一固定方向的 垂直的或水平的或其它方向振动的 叫做 偏振光或线偏振光 如图 1 3 3 所示 图 1 3 1 图 1 3 2 垂直方向振动偏振波 水平方向振动偏振波 图 1 3 3 自然光和偏振光对人眼的刺激效果是相同的 人的眼睛是无法鉴别射入眼睛的 光是自然光还是偏振光 2 液晶屏的组成结构及原理 液晶屏的基本构造及组成 液晶屏是一块薄薄地图像显示屏 组成结构比较复杂 是由多层不同作用的薄 片组成 有偏振片 配向膜 滤色片 液晶层 背光板等 要弄明白液晶的成 像原理必要把最主要的 偏振片 配向膜及液晶层的构造和原理搞清楚 图 1 3 4 所示就是液晶屏的最主要组成的断面示意图 图 1 3 4 图 1 3 5 从图中可以看出最前面是偏振片 由上至下 偏振片的下面是配向膜 液晶 层 配向膜 偏振片 最下面是提供光源的背光灯 在这其中 偏振片有两片 配向膜有两片 两片偏振片构造不同 两片偏振模构想也不同 液晶层在配 向膜的中间 光线由下部背光灯射入 穿后过偏振片 配向膜在液晶层受到电 信号控制的液晶分子的控制再穿过配向膜及前偏振片 我们看到的就是图像 图 1 3 5 所示是前后偏振片纹理结构和上下配向膜沟槽结构的不同及液晶分子 扭曲的关系 3 偏振片 能透过偏振光的透光片就叫偏振片 偏振片是特制的透光 玻璃或薄膜 片 上面特制密集的垂线 如图 1 3 6 和密集的水平线 如图 1 3 7 作为液晶屏用的偏振片是聚乙烯醇高分子化合 物薄膜作为片基制作 图 1 3 6 图 1 3 7 偏振片具有这样的特性 只允许和偏振片上线条平行的光振动波通过 如图 1 3 8 所示 其它振动方向的光波全部被阻止通过 如图 1 3 9 所示 偏振片 上能透光的方向称为偏振片的透光轴 也就是说 和透光轴平行的偏振光可以 通过偏振片 图 1 3 8 图 1 3 9 当自然光要通过偏振片时 偏振片只允许自然光中振动面和偏振片透光轴平行 的通过 如图 1 3 10 所示 偏振片实际上是一个滤波器 偏振光滤波器 也称 为 极化滤波器 图 1 3 10 我们可以用眼睛透过一块偏振片 不管上面的线条是什么方向 去看室外的景 物 只会看感到亮度略有下降外 其它没有任何异样的变化 就像带了一副很 浅的有色眼镜 把两块透光轴相同的偏振片重叠在一起 观看景物和上面用一 块观看景物是一样的现象 如图 1 3 11 所示 透过第一块偏振片的偏振波也可 以顺利透过第二块偏振片达到人眼睛 但是如果要用两块透光轴相互垂直的偏 振片重叠在一起 再观看景物 或者光源 这就什么也看不见了 如图 1 3 12 所示 为什么看不见了 图 1 3 11 图 1 3 12 这个道理大家已经很清楚了 在图 1 3 12 中 用用两块透光轴相互垂直的偏振 片重叠在一起 观看景物 这时景物的自然光中的和第一块偏振片透光轴平行 的水平偏振光 透过第一块偏振片后 是无法透过第二块偏振轴垂直的偏振片 的 就好象没有光线穿透过来 所以看到的只能是黑屏 这个道理搞清楚了 液晶屏的成像原理也就非常容易了 4 液晶屏的控制作用 根据上述的道理 两块透光轴相互垂直的偏振片重叠在一起光线是不能通过的 此时保持两块透光轴相互垂直的偏振片的位置不变 只要把通过第一块偏振片 的水平偏振光扭曲 90 度 变成垂直的偏振光就可以穿过过第二块偏振片 如图 1 3 13 所示 液晶屏的作用就是控制由 A 偏振片透过的偏振光 扭曲还是不扭曲 从而决定 是否能穿过 B 偏振片 液晶的分子在周边施加电场和不加电场就可以控制分子 扭转 90 度 同时带动通过的光振动波扭转 90 度 使水平的偏振波变成垂直的 偏振波 或者使垂直的偏振波变成水平的偏振波 就达到了用电信号控制光线 亮 与 暗 的目的 如图 1 3 14 所示 图 1 3 13 图 1 3 14 我们如果把这一个偏振波看成形成一个像素点的光源 那么在一个平面上 众 多的偏振波由图像电信号在液晶屏中进行控制 就在 B 偏振片这一面看到一幅 图像 5 配向膜 在两片偏振片是中间有两片透明的配向膜 配向膜的中间充满液晶的分子 配 向膜贴近液晶分子的一面有规则的开槽 液晶的分子正好可以平卧在里面 如 图 1 3 15 所示 以一个像素区域为例说明 两片配向膜的开槽是相互垂直的 这样靠近下面一片配向膜的的分子平卧的方向和靠近上面一片配向膜分子平卧 的方向正好也是相互垂直的 分子的形状是长棒形状 两片配向膜之间有一 定的距离 并且充满液晶分子 那么 最上面和最下面相互垂直的两个分子之 间的分子则是逐步的由水平向垂直扭转 如图 1 3 15 所示 此时如果有一和下 面分子平行的偏振光由下面经过液晶分子射入 就会随着液晶分子的扭转方向 扭转 90 度 由上面射出 如图 1 3 16 所示 可以看出 偏振光经过液晶层发 生了 90 度的扭转 这是液晶分子在常态下没有电场及外力的作用下 液晶分子 对通过偏振光的作用 扭转 90 度 图 1 3 15 图 1 3 16 前面说过 液晶的分子对电场及其敏感 在电场的作用下液晶的分子要产生扭 曲 现在我们看看在液晶分子周边施加电场的情况下液晶的分子会有什么变化 对 通过的偏振光又有什么影响 我们在液晶分子的两边设置两个电极 并且施加电压 这样在液晶分子周边就 形成相应的电场 此时液晶分子在电场的作用下 改变了排列的方向 不受沟 槽的限制 全部竖立排列 如图 1 3 17 所示 图 1 3 17 图 1 3 18 此时如果有一偏振光由下面经过液晶分子射入 偏振光就不再受液晶分子扭转 控制 直接由上面射出 如图 1 3 18 所示 可以看出 施加电场的液晶分子 液晶分子重新排列 偏振光经过液晶层就不发生任何扭转 保持原方向 角度 由上方直接射出 这是液晶分子在有电场及外力的作用下 液晶分子对通过偏 振光的作用 角度不变 通过上面的介绍可以得到如下结论 偏振片的作用是 只允许和偏振轴平行的偏振波通过 配向膜的作用是 在无电场的情况下 规范液晶分子排列 使一个像素区域一 层分子 逐步扭曲 90 度 并带动通过的偏振波也扭曲 90 度 液晶层的作用是 在有电场的情况下改变液晶分子排列以控制偏振波的振动轴 向 6 液晶屏成像过程 对于液晶屏 只要理解了 偏振片和配向膜及液晶分子在电场下的作用 液晶 屏的成像原理也就明白了 图 1 3 19 图 1 3 19 所示 是液晶屏的液晶分子上不加电信号时的光线通过情况 图 1 3 20 所示是在液晶屏的液晶分子施加电信号时光线通过的情况 液晶屏的液晶分子不加电信号时光线通过情况 由下面背光源射出的自然光经 过下偏振片后 允许和偏振片偏振轴平行的水平偏振光通过 水平偏振光向上 穿过下配向膜进入液晶分子层 由前所述 液晶分子层是充满在两片刻有相互 垂直沟槽的配向膜之间 贴近配向膜的液晶分子则平卧在配向膜的沟槽中间 由于上下配向膜的沟槽是相互垂直 所以液晶层的最上面分子和最下面分子是 相互垂直的位置 这最上面和最下面相互垂直的两个分子之间的分子则是逐步 的由水平向垂直扭转 如图 1 3 19 中液晶层分子扭转状态所示 下面射入的水 平偏振光进入液晶层后 向上随液晶分子的扭曲排列 也逐步扭转 90 度变成垂 直偏振光 图 1 2 19 中的扁平带则是偏振光的示意图 经过上偏振模射出 此时 上偏振片的偏振轴方向 正好和射出的偏振光平行 所以偏振光顺利的 通过偏振片射出 液晶屏在不加电信号控制的情况下 光线可以顺利的通过 图 1 3 20 液晶屏的液晶分子在施加电信号时光线通过情况 由下面背光源射出的自然光 经过下偏振片后 允许和偏振片偏振轴平行的水平偏振光通过 水平偏振光向 上穿过下配向膜进入液晶分子层 此时由于电信号的施加 在液晶分子周围形 成相应的电场 电场的产生 改变了液晶分子排列的次序 原来的扭曲排列 变成竖立的平行排列 如图 1 3 20 中液晶层分子排列状态所示 分子之间排列 关系不再扭曲 由下面射入的水平偏振光进入液晶层后 向上的传递也就不再 产生扭转现象 而是仍旧按照原来射入的水平角度 经过上偏振模射出 此时 上偏振片的偏振轴方向 正好和射出的偏振光相互垂直 所以偏振光无法通过 偏振片射出 液晶屏在施加电信号控制的情况下 光线受到阻碍不能通过上偏 振片 此时我们看到的是无光 以上谈到的是产生一个像素光点的光线控制情况 在一个液晶屏上千千万万个 这样的被单独控制的液晶分子排列在一起 分别受图像电信号产生的电场控制 偏振光的扭曲分别随图像电信号产生的电场变化 这样上配向膜射出的偏振波 的角度也就相应变化 上偏振片对这些偏振角变化的偏振光进行通过和阻止控 制最终在上偏振片上形成图像 上偏振片也就是液晶屏的屏面 7 图像的灰度控制 灰度就是图像的层次 一幅逼真的不失真的图像都有丰富的层次 也就是在荧 光屏上组成图像的每一个像素光点必须是能由亮到暗逐渐的变化的 也就像普 通的 CRT 荧光屏上面的光点是受到 CRT 阴极和栅极电位差控制的 逐步改变其 电位的大小 电子枪射向荧光屏的束电流也逐步变化 荧光屏上光点的亮度也 逐步变化 对于液晶屏来说 因为液晶屏是被动发光 这就是在液晶屏上必须 控制每一个像素点对光线通过的穿透率 对于这种扭曲型分子排列的液晶来说 当扭曲 90 度时 光线几乎全部通过 当分子在弱电场的作用下 分子的排列略 有改变时 就只有部分光线能通过 这样只要适当的改变施加电压的强度 就 可以达到控制通过光线强度的目的 这样也就达到了控制图像灰度的目的 8 液晶显示屏的种类 常见的液晶显示屏有 TN LCD 扭曲向列型液晶显示器件 STN LCD 超 扭曲向列型液晶显示器件 DSTN LCD 双层超扭曲向列型液晶显示器件 和 TFT LCD 薄膜场效应管液晶显示器件 四大类型 其中第一种 TN LCD 和第二种 STN LCD 及第三种的区别是在配像模之间的液晶分 子扭曲 旋转 的角度不同 TN LCD 在配像模之间不加电场情况下 液晶分子从上到下的扭曲角度是呈 90 度的排列 在控制扭曲角度时要采用较高的电压 而且扭曲角度控制比较粗糙 灰度控制只可以达到 16 级 4 位 控制反映时间约 30 毫秒 50 毫秒 STN LCD 在配像模之间不加电场情况下 液晶分子从上到下的扭曲角度可以超 过 90 度达到 270 度 在控制扭曲角度时要采用较低的电压 控制灵敏度高 省 电 但是扭曲角度控制比较精细 也就是灰度控制可以达到 64 级 6 位 字 符显示也比 TN 型的细腻 同时也支持基本的彩色显示 DSTN LCD 是在 STN 型基础上改进提高了彩色显示能力 由于支持的彩色数有 限 所以也称为伪彩显 控制反映时间约 100 毫秒 多用于早期液晶电视 摄 像机的液晶显示器掌上游戏机等 以上三种液晶显示器件 从控制的灵敏度和反映的速度及彩色显示能力是都不 适合作为现代高质量的电视图像的显示 TFT LCD ThinFilmTransistor LCD TFT 是薄膜晶体管的英语缩语 TFT LCD 是指薄膜晶体管液晶显示器件 意即每个液晶像素点都是由集成在像素点 后面的薄膜晶体管来驱动 从而可以做到高速度 高亮度 高对比度显示屏幕 信息 是目前最好的 LCD 彩色显示设备之一 其效果接近 CRT 显示器 是现在 液晶电视 笔记本电脑的主流显示设备 TFT 的每个像素点都是由集成在自身 上的 TFT 来控制 是有源像素点 因此 不但速度可以极大提高 而且对比度 和亮度也大大提高了 同时分辨率也达到了很高水平 图 1 3 21 所示即为一个 像素元 TFT LCD 组成结构图 图中 最下面是背光源 偏振片 TFT 电极板 配像模 液晶层 共用电极 滤色片 偏振片 和前述不同的是控制液晶分子 扭曲的电极为 TFT 电极 为了达到彩色显示的目的 在上偏振片下面增加了 RGB 三色滤色片 三组扭曲的分子组成一个像素点的显示 图 1 3 21 9 TFT LCD 的原理 TFT LCD 与 TN LCD 组成结构和对通过光线的控制原理基本一样 所不同的是 控制液晶每一个像素点的电路上增加一个 TFTMOS 管 开关 其作用是控制液 晶分子扭曲的电压经由这个 开关 再去控制液晶分子的扭曲 在一幅液晶显 示屏上几十万个这样的受控液晶单元有规律的排列组合起来 我们只要按照图 像恢复的次序控制 开关 的 通 与 断 就仍然可以和类似 CRT 一样 一行一行 一帧一帧的进行图像的重现了 TFT 电极板的构造 上面的共用电极是一块透明的电极片 整个屏幕有一根引线引出 TFT 电极板 是下电极片是一个透明玻璃基片 在表面光刻出正交的行 扫描 线和列 信 号 线 线的交点制作一只薄膜场效应管 TFT 和一个像元电极片 控制一个 像素单元的电极片 TFT 的源极 D 和列 信号 线相连 称为 源极驱动 电极线 像素信号输入 栅极和行 扫描 线相连 称为 栅极驱动电极线 输入垂直扫描驱动信号 如图 1 3 22 所示 图 1 3 22 和 CRT 一样 一个像素是由 RGB 三个色点组成 液晶显示屏一个像素显示也是 由三个受控扭曲的透光分子加滤色片组成 图 1 3 23A 就是一个 TFT LCD 像素 显示的组合 可以看到在这个组合中 有三个 TFT MOS 管控制 RGB 三色点 图 1 3 23B 是一组中的一个子像素电路结构 图 1 3 23A 图 1 3 23B 在图 1 3 23B 中 MOS 管道栅极接行扫描控制信号 源极接列控制信号 控制 液晶分子扭曲的图像信号 漏极接控制液晶扭曲的 TFT 电极板 共用线是接 上共用电极板 共用电极板和接漏极的 TFT 电极板形成的分布电容 电容上的 电压就是控制液晶分子扭曲的电压 由于上共用电极板和下 TFT 电极板之间 的分布电容的存在 等效电路如图 1 3 24A 和 1 3 24B 所示 公共线 公共线 图 1 3 24A 图 1 3 24B 在图 1 3 24 图中可以看出 行驱动信号实际上是开关的驱动信号 由行驱动信 号控制图像信息的列驱动信号对等效电容充电 以形成控制液晶分子扭曲的电 场 当行扫描信号到来时 开关 被接通 列驱动信号通过开关对电容进行充电 行扫描信号过去后 开关 断开 电容两端所充的电压不能被释放继续维持 这个电压形成的电场 持续的控制着液晶分子的扭曲 直到下一场时间行扫描 信号来到时 接通 开关 由下一场的该位置的列驱动信号来刷新电容储存的 电压 也就是说 TFT 液晶屏上一场图像像素点的亮度可以维持一场时间 这完 全是由于 TFTMOS 管在电容充电后 TFTMOS 管即断开 切断了电容放电的回路 使电容上的电压得以长时间保存 所形成的电场也得以长时间保持 液晶分子 扭曲的状态也长时间保持 所以该分子的透光度在一场时间也稳定不变 也不 同于 CRT 像素的亮度是靠荧光粉的余辉来维持 使该像素点的亮度 颜色 稳定不变 能呈现高质量图像的原因所在 这就是 TFT 液晶屏的优势所在 液晶屏时序控制电路 T CON 原理分析及维修 液晶屏时序控制电路 T CON 板 一 概述 电视机已经诞生了近 70 年 在电视研制发明的过程中 发明了显示图像的显像 管也就是我们常说的 CRT 在这近 70 年中一直采用 CRT 作为电视机的图像显示 器件 电视信号的标准 组合 编码方式也是围绕 CRT 的显示方式进行 在 CRT 上利用扫描按照一定的时间顺序逐行 逐点排列像素点 利用显示屏上 荧光粉的余晖最后形成我们眼睛能看到的图像 电视图像信号的像素信息的传 送也是按照 RCT 显示要求 按时间的顺序逐个传送的 也就是说 目前电视传 送的图像 像素 信号是一个按时间先后排列的串行的信号 后面文中提到的 串行信号 和 并行信号 是指像素信号的排列方式 并非数字信号 bit 位 串行 并行的概念 在 CRT 电视机中 经过解调还原的图像信号直接加到 CRT 的阴极上就可以了 如图 1 所示 图 1 现在的液晶电视 是一种平板电视 采用了液晶显示屏作为图像的显示器件 和 CRT 显示屏不同的是 液晶显示屏是属于被动发光显示器件 屏幕本身的像 素点并不能主动发光 它只能作为光的开关 控制通过光通量的大小 液晶屏 的作用类似于电影胶片的作用 在重放图像时 图像信号在液晶屏上产生类似 电影胶片的图像 还必须有背光源才能有明亮的图像显现 图 2 所示 液晶屏 上的图像也是和 CRT 一样是由像素组合而成 而这种把 CRT 显示的信号转换为 液晶屏显示的信号电路就是本文要介绍的 时序控制电路 T CON 图 2 液晶屏上的图像虽然也是把像素点进行组合排列以形成图像 但是其排列组合 的方式完全不同于 CRT 的扫描成像方式了 它是一种矩阵的显示方式 图 3 所 示 结构特点是 在显示屏上 水平排列一排和垂直显示像素数相同的行电极 垂直排列一排和水平显示像素相同的列电极 行电极线和列电极线相互垂直 其交叉点就是一个像素点的位置 现在的 16 9 高清显示屏 水平行电极线有 1080 根 垂直列电极线有 1920 根 那么 这一个像素点的 点亮 就必须在 这个像素点的行电极线和列电极线同时加电压 该点才会发光 另外和 CRT 还 不同的是 一行信号的像素排列 CRT 是由左至右扫描按照时间顺序逐个排列 液晶是把一行信号的像素点同时出现在屏幕上 没有时间的先后 也就是对于 一行像素信号来说 CRT 显示的是串行像素信号 液晶显示的是并行像素信号 如图 3 所示 图 3 由于 CRT 和液晶的显示方式不同 激励信号像素排列方式也不同 现在的电视 信号是为 CRT 扫描显示制定的标准 所以把现在的信号直接加到液晶屏上显示 图像肯定是不行的 就必须把原来供 CRT 显示使用的串行的图像信号转变为并 行的信号才能由液晶屏正常的显示图像 所以目前的采用液晶屏作为显示器电 视信号的电视机都有一个把串行像素信号转变为并行像素信号的专用电路 叫 时序控制电路 英语称为 timing control 缩语为 T CON 所以我们简称为 提康 板 外来语 这个 时序控制电路 的位置在电视机图像输出和液 晶屏之间 类似于原来 管尾的视放板的位置 对于这块 时序控制电路 前期的液晶屏均安装在液晶屏的内部 和液晶屏 背光管及屏周边驱动电路制 作为一个整体 工艺水平比较高 屏不易拆开 这块 时序控制电路 板也不 易损坏 所以维修人员关注的不多 现在国内的厂家 均把这一块 时序控制电路 移出在液晶屏外 和前端信号 处理板做在一起 我们在进行电路分析和维修也必须对这块电路进行分析和判 断 二 时序控制器 T CON 电路的组成 图 4 的虚线框是一个液晶显示屏的内部框图 内部主要组成有 时序转换电路 列驱动电路 行驱动电路 等组成 各部的作用是这样的 1 时序转换电路 是把电视机送来的数字图像信号进行分解 重新组合 变成为液晶行 列驱动电路所需要的控制信号 数据信号和辅助信号 分别送 往液晶屏的 列驱动电路 和 行驱动电路 2 列驱动电路 把时序转换电路送来的列控制信号和图像数据信号 经过 取样 存储 极性变换 D A 变换 灰度形成最终形成一行一行并行的液晶屏 驱动的模拟像素信号 在行同步脉冲控制下 一行一行的加到液晶屏列电极线 上 3 行驱动电路 在 时序转换电路 的控制下 把行驱动脉冲逐个的加到 行电极上 如图 3 中的行驱动旋转臂所示 顺时针旋转 由上至下逐行驱动行 电极 脉冲加到那个电极 那个电极这一行就同时显示一行的像素信息 这样 行驱动电路由上向下移动一个周期 即显示一场图像 这个过程类似 CRT 的垂 直扫描 4 列驱动电路 行驱动电路 的位置 在液晶屏上 行驱动电路和场驱动电路都是集成电路 直接安装在液晶屏的周 边 如图 5 所示 图 5 是一块 1280 1024 显示标准的液晶屏 也就是在垂直 方向要能显示 1024 个像素 水平方向要显示 1280 个像素 这样在屏内部水平 方向就要有 1024 根行电极线 垂直方向就要有 1280 3 RGB 3840 根列电极 线 对于行驱动电路来说 行驱动集成电路就必须有 1024 个输出端连接在液晶 屏的行电极线上 由于目前还没有这么多引脚的集成电路 所以目前都采用多 块引脚较少的集成电路级联应用 例如 目前 1280 1024 液晶显示屏的行驱动 均采用了多块型号为 EK7309 的行驱动集成电路共同来完成整个行驱动任务 这 是一块专门为液晶屏行驱动而设计生产的集成电路 每块 EK7309 有 256 个输出 引脚 采用 4 块这样的芯片级联应用 输出引脚正好是 1024 256 4 1024 恰好满足了行驱动的要求 同样对于 1024 768 的液晶屏 行驱动电极线有 768 根 要求行驱动电路有 768 路驱动引脚 那么采用 3 块 EK7309 集成电路正 好也满足行电极线的驱动要求 256 3 768 同样 对于 1280 1024 液晶显示屏的列驱动也是采用多块集成电路级联应用来 达到列驱动的要求 目前的液晶显示屏均为彩色显示屏 图像的彩色重现是应 用了三基色原理 每一个像素显示的列电极有 3 根 R G B 因为 1280 1024 液晶屏水平方向要显示 1280 个像素 而每个像素有 RGB 三根列电 极 那么水平方向列电极线的总数是 1280 3 3840 根 目前也没有一块引脚这 么多的集成电路来完成它 也是采用多块集成电路级联应用来完成列电极的驱 动任务 现在采用比较多的列驱动集成电路型号为 EK7402 这也是专门为液晶 屏列驱动而设计生产的专用集成电路 每块集成电路的驱动引脚有 384 个输出 引脚 采用 10 块这样的芯片级联应用 输出引脚正好是 3840 384 10 3840 恰好满足了液晶屏列驱动的要求 同样对于 1024 768 的液晶屏 列驱动像素数为 1024 个 同样由于是彩色屏 列电极线 有 1024 3 3072 根电极线 那么采用 8 块 EK7402 集成电路正好也满足列电极 线的驱动要求 384 8 3072 图 6 所示对于现在 16 9 的高清液晶屏 1080 1920 要求垂直方向显示 1080 个像素 行电极线为 1080 根 水 平方向显示 1920 个像素 列电极线为 5760 根 也是采用多块集成电路级联 应用来完成的 图 4 图 5 图 6 三 时序转换电路及行 列驱动电路工作原理 时序控制与数据转换电路 前面介绍到液晶屏的显示驱动电路 主要有 时序转换电路 行驱动电路 列驱动电路 电视机输出电路送来的数字图像信号 首先进入时序转换 电路 时序转换电路把接收到的 LVDS 信号还原为数字 R G B Rbit0 7 Gbit0 7 Bbit0 7 信号及行 场同步信号 然后重新变换 组合 输出 行驱动电路 及 列驱动电路 需要的一系列信号 这些信号有 列驱动电路 需要的信号 DATA 奇 偶像素并行或串行的每基色 6 位或 8 位的数据 像素信息 信号 STHR STHL 由左至右列位移或由右至左的列位移起始控制信号 CLK 列位移时钟信号 POL1 POL2 数据信号极性反转的控制信号等 以上这些信号控制列驱动电路产生按行为单位一排一排的并行的像素信息信号 加到列电极线上 行驱动电路 需要的信号 DIO1 DIO2 行位移起始控制信号 CLK 行位移时钟信号等 以上这些信号控制行驱动电路产生由屏上方逐步向下扫描的逐行驱动电极线的 驱动信号 把列驱动电路送来的像素信号逐行排列 由上向下扫描一次 显示 一幅图像 图 7 所示 图 7 从上述可以看出 液晶显示屏的行驱动电路的作用主要是产生行驱动脉冲并且 由上向下逐行的加到行电极线上 把列驱动送来的的像素信号一行一行的由上 向下排列 列驱动电路的主要作用是把时序转换电路送来的图像数据信号转换 成按行并行的像素信号 在行脉冲控制下一排一排的输出在屏上显示 1 行驱动电路工作原理 图 8 所示是行驱动集成电路的工作原理 行驱动电路实际是一个由 D 触发器组 成的双向位移寄存器 工作过程如下 在行驱动电路中 由时序转换电路送来的 SCLK 是行频时钟信号 其频率等于行 频 送来的 DIO1 是行位移起始控制信号 DIO1 脉冲顶部宽度等于行的正程 时间 而 DIO1 的重复时间是场周期 也就是 DIO1 的频率是场频 图 9 所示 以 EK7309 为例介绍行驱动电路 由 SCLK 信号及 DIO1 信号产生液晶屏驱动信号 的原理如图 8 所示 图 8 图 9 在图 8 中简要显示 EK7309 内部输入 SCLK 信号和 DIO1 信号 输出行驱动位移信 号工作过程的框图 在 EK7309 内部主要有一系列 256 个 由 D 触发器组成的 输入和输出相串联的位移寄存器 从图中可以看出 SCLK 行频时钟信号进入集 成电路后加到每一个 D 触发器上 DIO1 行位移起始控制信号则只加到第一个触 发器的输入端 第一个 D 触发器的输出信号在输出 Q1 输出 的同时又进入第 二个 D 触发器的输入端 DIO1 是由第一个触发器输入在 SCLK 的控制下逐个后 移 以此类推 D 触发器的作用是 当 SCLK 信号每一个上升沿来一次 D 触发器就反转一次 DIO1 输入信号就由输入端传递到输出端一次 如图 10 所示 当第一个 SCLK 信 号的上升沿来到时 加到触发器 D1 输入端 这个信号在 SCLK 上升沿的触发下 把信号传递到 D1 的输出端 1 由 Q1 输出 并且又同时进入第二个触发器 D2 的输 入 2 端 当 SCLK 信号的第二个上升沿来到时 这个 DIO1 信号又经过 D2 的输入 2 端传递到 D2 的输出 2 端 在由 Q2 输出的同时 又进入下一个 D 触发器的输 入端 这样来比较一下 Q1 和 Q2 的输出 Q1 和 Q2 波形一样只是在出现的时间 上 Q2 落后于 Q1 一个 SCLK 周期 SCLK 是一个连续的触发波 连续不断的控制 内部所有的 D 触发器反转向后传递 DIO1 信号 并输出端输出在每一个 D 输出端 出现的 DIO1 信号 但是在一个场周期只有一个 DIO1 信号 一个 DIO1 信号就不 断的随 SCLK 的触发向后传递 这样由 Q1 到 Q256 端就都有 QIO1 输出 只不过 在时间上逐个的滞后一个 SCLK 的时间周期 一块 EK7309 可以有 256 路行驱动 信号输出 对于对于 1024 768 的液晶屏 采用 3 块 EK7309 级联 接力 应用 正好完成了液晶屏垂直方向 768 根行电极线的驱动 图 11 所示 通过上述介绍 可以看出液晶屏的行驱动电路的作用就是起到类似 CRT 显示的场扫描作用一样 目前液晶电视屏均采用 AD120 芯片作为栅极驱动 采用 FPD33584 芯片作为源 极驱动 图 10 图 11 2 列驱动电路工作原理 液晶屏列驱动电路的结构 工作原理比行驱动电路复杂地多 最终加到液晶屏列驱动电极线上的信号 是以一行像素为一排 并行 的模拟 的信号 它以一行时间为单位同时加到列电极线上 时序转换电路按照列驱动电路和行驱动电路的要求 对液晶电视机的前 端电路送来的图像视频信号 LVDS 进行重新排列 组合 变换 并向列驱动 电路提供了 DATA STHR STHL CLK POL1 POL2 等一系列控制信号 列驱动电 路把这些控制信号再转换为一排一排的像素并行排列的模拟信号加到列电极线 上 这一过程是在一块专门的列驱动集成电路内来完成的 典型的列驱动集成 电路型号是 EK7402 图 12 显示的就是 EK7402 的内部框图 图中显示了由时序 转换电路送来的 DATA STHR STHL CLK POL1 POL2 信号如何转换成液晶屏驱 动信号的过程 我们下面根据这个图来介绍列驱动电路工作原理及屏信号形成 的过程 图 12 在图 12 中有 64 位双向移位寄存器 384 取样锁存器 384 输出锁存器 384 译码器 384 输出缓冲等几个主要的电路 1 64 位双向移位寄存器 输入 STHR 信号及 CLK 信号 STHR 信号在 CLK 信号的 控制下输出对图像数据信号 DATA 进行一行取样的取样信号 2 384 取样锁存器 64 位双向移位寄存器送来的取样信号在这个 384 取样锁存 器中对 DATA 图像像素数据信号 R G B 进行一行取样 成为并行的一行像 素信号 并进行存储 384 表示这块集成电路中可以进行 384 路信号取样 3 384 输出锁存器 前面取样锁存器 取样的一排一排信号存储在这个锁存器 中 由这个输出锁存器在行驱动电路送来的行时钟信号 SCLK 控制下 一行一排 一行一排的输出像素信号 一个 SCLK STB 信号的上升沿 控制一排信号输 出 4 384 译码器 实际上是一个把数字信号转变为模拟信号 D A 的转换电路 因为液晶屏最终是控制亮度的强弱产生图像 其驱动信号必须是模拟信号 5 输出缓冲 信号在此电路中完成一定的信号幅度放大及和液晶屏的阻抗匹配 除了以上 5 个主要的信号处理电路外 还有几个配合上述电路完成信号处理的 辅助电路 在图 12 的框图中的 逻辑控制 数据反转 灰阶电压及伽马矫正电 路 逻辑控制 根据时序转换电路送来控制信号 生成 EK7402 中各功能电路的片使 能信号 数据反转 液晶屏内部控制分子扭曲以达到控制光线的强弱 可以是直流电压 分子向一个方向扭曲一定的角度 也可以是幅度相同的交变电压 正 反向扭 曲一定的角度其控制光线的作用是相同的 但是在交变电压的控制下 液晶屏 的寿命要大的多 所以把图像数据信号经过 POL1 POL2 进行逐行极性变换后再 进行取样 以达到延长液晶屏的使用寿命 灰阶电压 最终在把数字信号转换成模拟信号的过程中 要求模拟信号的振幅 随图像的明暗变换线性的变化 这个变化的标准就是参照灰阶电压来完成 灰 阶电压由低向高有多个级别标准的电压 根据液晶屏的显示 位 早期 6 位 64 级灰度显示 现在达到 8 位 256 级灰度显示 的不同 电压级别数量不同 6 位屏灰阶电压产生 10 个电压标准供 D A 变换译码电路使用 伽马 校正 也就是说液晶屏的液晶分子的透光度 和液晶分子上所加的 电压并不是一个线性关系 也就是说电阻分压阵列产生的 V0 V63 灰阶电压不是 线性递增的关系 它的递增关系必须是和液晶屏的透光度 有一定的线性关系 这样电阻分压阵列的电阻的阻值分配是要符合液晶分子透光度的 64 个等分值 这就叫伽马 校正 上面介绍了列驱动各个电路的功能 下面介绍各电路的工作原理 64 位双向移位寄存器 是利用时序转换电路送来的列位移起始起始控制信号 STHR STHL 和列时钟信号 CLK 对触发器 D 触发 产生后续电路需要的取样脉冲 输出 CLK 和 STHR STHL 信号的标准 图 13 显示 CLK 和 STHR STHL 信号的标准 CLK 的频率由液晶屏的分辨率决定 当液晶屏的显示标准是 1024 768 标准时 也就是一行的像素数是 1024 个 CLK 频率是 22 5 兆 计算方法如图 13 所示 STHR 的波形和时间标准也 如图 13 所示 图 13 工作过程 CLK 是作为触发信号 加到每一个触发器上 STHR 作为移位信号 加到第一个触发器的输入端 当 CLK 的脉冲前沿来到 触发器即触发 把 STHR 信号向右移动一位 移动后的信号除了向下一个触发器输入端传递 同时也作 为取样信号输出 这样每到来一个 CLK 信号脉冲上升沿 STHR 信号即右移一位 在一行时间内只有一个 STHR 信号 当 STHR 在 CLK 的控制下由最左边移动到最 右边 也就是一行时间的结束 在这一段时间内 每一个触发器都获得一次把 STHR 信号移动的机会 并输出一次 STHR 信号 输出的是并行的信号 但是相 邻 STHR 信号在时间上相差一个 CLK 信号的一个时间周期 图 14 所示 注意图 14 中输出信号 D1 D2 D3 D4 之间的时间关系 也就是 D1 先输出 D2 后输出这样以此类推 一排倾斜排列的并行信号 图 14 在 64 位双向移位寄存器中每一个 D 触发器的输出端都有一个脉冲输出 D1 D2 D3 这个脉冲我们把它称为取样信号 因为在下面的锁存 电路中我们就靠这个取样信号来控制取样锁存器的输入开关 对 DATA 图像数据 信号 R G B 进行取样 取样信号到来瞬间 取样锁存器内部锁存器 1 上面 的 3 个开关接通 RGB 信号进来 取样信号过去 这三个开关断开 RGB 信号就 被保存在内部并送往下面的输出锁存器 时间上按 CLK 时间周期逐个向后移一个位置的取样信号 进入下面的锁存器 对极性反转电路送来的经过极性反转的 DATA 图像数据信号 RGB 进行取样 由于取样信号 D1 D2 D3 在出现的时间上逐个后移 这个后移的时间间隔和 DATA 图像数据信号 RGB 的像素排列的时间顺序相同 频率上都和 CLK 信号 同步 一个 D 脉冲对应两个像素 一个 D 脉冲对应一组 DATA RGB 数据信 号 图 15 这个取样信号 作为下面取样锁存器的输入开关 控制着进入锁存器是 DATA 数 据信号 图 15 所示 由于 DATA 数据信号是串行信号 而 64 移位寄存器输出的 取样信号 D1 D2 D3 时间间隔正好是和 DATA 的像素信号一一对应 这样 当 D1 脉冲到来时 D1 最先到来 取样锁存器 1 的输入开关打开 DATA 数据信 号进入锁存器 1 被存储 当 D2 出现时 锁存器 2 被打开后续的 DATA 数据信号 进入锁存器 2 存储 此时 D1 消失 锁存器 1 随即被关闭 这样以此类推在取样 信号 D1 D2