毕业设计TFT-LCD显示技术电路设计和仿真

摘要随着薄膜晶体管液晶显示技术的快速发展，它具有性能优异、批量生产性好、自动化程度高、原材料成本低等优点，因而被广泛应用于许多领域。在这样的背景下，对其驱动电路也提出了更高的要求。本文旨在设计和仿真薄膜晶体管液晶显示器的列驱动电路。设计结构分为数字部分和模拟部分，主要包括六个部分：双向移位寄存器、数据寄存器、数据锁存器、电平移位、数模转换和输出缓冲器。首先，我将对列驱动电路的原理和工作过程有一个透彻的了解。然后，在参考现有经验的基础上，提出了本次设计的总体结构和功能模块的划分。其次，利用Multisim和Cadence仿真工具对设计方案的结果进行了验证。最后，在各个模块的基础上，建立了整个芯片的结构框图。电路设计采用Multisim和Cadence工具进行仿真。仿真结果表明，所设计的驱动电路基本满足液晶显示器的性能要求。关键词：列驱动；薄膜晶体管；伽马校正；数模转换摘要随着薄膜晶体管液晶显示技术的迅速发展，它具有大规模生产、自动化程度高、原材料成本低等诸多优点，在许多领域得到了广泛的应用。在这种背景下，对驱动电路也提出了更高的要求。本文旨在进行薄膜晶体管液晶显示器列驱动电路的设计和仿真设计，结构分为数字部分和模拟部分两大部分，包括双向移位寄存器、数据寄存器、数据锁存器、电平位移、数模转换和输出缓冲器六个部分。我们将首先对列驱动电路的原理和过程进行深入的了解。然后，在借鉴以往经验的基础上，本文设计了总体结构和功能模块的划分。其次，我们使用Multisim和Cadence仿真工具来验证设计结果。最后，在每个模块的基础上，我们创建了整个芯片的框图。电路设计采用Multisim和Cadence工具进行仿真，仿真结果表明驱动电路设计基本满足液晶显示器的性能要求。关键字：列驱动；薄膜晶体管；校正；数模转换第一章导言1.1液晶显示技术的发展1888年，奥地利植物学家伦纳德在测量有机物质的熔点时首次发现了液晶。他经常从胡萝卜中提取胆固醇。有一天，他注意到加热一种苯甲酸胆固醇引起的颜色变化：当加热到145摄氏度时，这种固体化合物慢慢融化成一种带有厚厚的白云的液体。加热后，温度升至179摄氏度。浓稠的白色混浊的特征消失了，变成了一种清澈透明的液体。这种化合物似乎有两种不同的熔点。当化合物冷却时，同样的现象反复出现，但顺序相反，最终形成固体晶体。后来，他发现有机物在熔化后加热时会从透明的白色混浊液体变成透明的透明液体，这是对液晶的最初理解。莱尼泽的发现直接将液晶呈现在世界面前。很快，德国物理学家莱曼观察到这些液体也会显示出各向异性晶体的所有双折射，所以他把它们命名为“液晶”。作为显示屏的材料，早期的液晶非常不稳定，作为一种商业产品，还有许多问题需要解决。因此，制造商一直在寻找更好的方法来改善液晶显示器的性取向。技术进步为这一切提供了可能性。经过近40年的发展，液晶显示技术正在走向成熟。20世纪60年代早期，人们发现充电的液晶会改变其分子排列，从而导致光的扭曲或折射。经过反复实验，人们发现了光电效应，即向列相液晶的透明薄层通电后会变得混浊。随着时间的推移，越来越多的实验使人们对液晶结构的特性和应用有了更深入的了解。最后，第一个液晶显示器于1971年发明，这是最初的TN_LCD，或扭曲向列液晶显示器。这项技术已经在许多领域迅速普及和应用，包括计算器和电子表。美国人是第一个提出薄膜晶体管液晶显示器技术的人，并且从此走上了舞台。然而，薄膜晶体管液晶显示器技术的真正发展是在1993年，当时日本率先大规模生产薄膜晶体管液晶显示器。液晶显示器开始向低成本、低成本方向发展后，薄膜晶体管液晶显示器开始向高端进一步发展。1997年，日本完成了第一批第三代大尺寸薄膜晶体管液晶显示器生产线。目前，薄膜晶体管液晶显示器因其重量轻、平板、低功耗、无辐射、显示质量优异等特点，其应用领域正在逐步扩大。与此同时，随着应用领域的扩大，对液晶显示器的要求也朝着大尺寸、高分辨率和高色彩的方向发展，这也促使人们研究和开发新的驱动方案，如当前新的集成电路驱动技术。1.2薄膜晶体管液晶显示器的主要技术特征自1960年发明以来，薄膜晶体管液晶显示器不断得到改进和发展。它直到20世纪20年代才真正发展起来。它是一种使用新材料和新工艺的大规模半导体全集成电路制造技术。薄膜晶体管是一种大规模半导体集成电路，通过溅射和化学沉积在非单晶片如玻璃或塑料衬底上，形成制造电路和加工薄膜所需的各种薄膜。随着近年来薄膜晶体管技术的日益成熟，彩色液晶平板显示器也发展迅速，并于1991年成功地转变为笔记本电脑面板。液晶显示器迅速成长为主流显示器，从此进入液晶显示器时代。从1991年的第一代，发展到现在的第九代甚至第十代生产线。相应地，面板尺寸、像素数量和像素数量密度也以类似于摩尔定律的比例增加。特别是进入第五代生产线后，面积和产能不断扩大，薄膜晶体管液晶显示器成为主流。当然，这项技术仍在不断改进，工艺越来越简化，生产效率越来越高，这直接使得价格越来越低。薄膜晶体管液晶显示器之所以能够发展如此之快，是与其自身的特点分不开的。它主要有以下四个特点：(1)适用范围广：可在较大温度范围(-20至50)内正常使用，经过温度强化处理后的薄膜晶体管液晶显示器低温工作温度甚至可达-80。同时，它可以通过移动终端或桌面终端显示。甚至可以使用投影。这是一款性能卓越、功能全面的全尺寸显示终端。(2)良好的适用特性：薄膜晶体管液晶显示器产品也具有更高的安全性和可靠性，并且由于其平板而更轻、更方便。此外，薄膜晶体管液晶显示器还具有功耗极低、节能、易升级、寿命长、分辨率高、显示方式多样等优点。(3)薄膜晶体管液晶显示器制造技术自动化程度高，具有大规模工业化生产的良好特点。目前，薄膜晶体管液晶显示技术已经基本成熟，大规模生产的产量极高。同时，它也很容易集成和更新。由于它是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，因此具有很大的发展潜力。目前有非晶、多晶硅和单晶硅薄膜晶体管液晶显示器，将来肯定会有其他材料的薄膜晶体管。(4)环保特性好：最重要的是它没有辐射，不会损害使用者的健康。随着液晶电子书的出现，无纸办公和无知印刷时代开始了，这是人类生活方式的一场革命要了解国内外薄膜晶体管液晶显示器的比较，让我们先来看看世界各地大尺寸薄膜晶体管液晶面板的市场份额。从下图可以看出，台湾、韩国和日本占据了这个市场，而中国显然还很年轻。图中显示，韩国在2001年的大型液晶显示器出货量上超过了日本，成为世界上最大的液晶显示器生产国。此后，它稳稳地排在第一位，并保持了在市场上的主导地位。然而，美好的时光并没有持续多久。韩国受到台湾企业的重创，尽管2002年第一季度市场份额出现逆转。从下半年开始，随着韩国国内企业的第五代生产线正式投入批量生产，韩国市场份额再次上升，最终以39.9%排名第一。从技术上讲，薄膜晶体管液晶显示技术目前已经成熟，困扰液晶平板显示器的三大问题：视角、色饱和度和亮度已经解决。让我们来比较一下中国、日本和韩国的薄膜晶体管液晶显示器产业的技术现状。从上面我们可以清楚地看到目前中国大陆与台湾、韩国和日本之间的发展差距。在这种情况下，我们不能依赖进口。世界液晶显示器产业的现状和发展方向决定了中国大陆液晶显示器产业发展的规模和前景。中国大陆液晶显示器产业的发展比日本、韩国和欧美发达国家晚了近20年。然而，中国大陆液晶显示器产业的发展有其独特的特点和局限性，主要包括以下特点：(1)中国大陆薄膜晶体管液晶显示器产业发展迅猛，良性循环可能性低，产业链不均衡，生产线设备落后。(2)中国大陆的液晶显示器产业从一开始就得到当地政界的大力支持。需要大力发展和生产用于工业发展的相关上游材料。(3)中国崛起的平板显示器产业将逐渐成为世界平板显示器产业的核心。中国平板显示器产业的发展也将面临艰巨的挑战。与此同时，中国的液晶显示器产业仍然是全球关注的焦点。到目前为止，中国只能生产用于电脑显示器和笔记本电脑的中小型面板产品。全球市场份额不到10%，没有大尺寸液晶电视面板的生产能力。与几乎同时起步的韩国和台湾相比，中国的薄膜晶体管液晶显示器产业差距巨大，需要大力发展。1.4研究的内容和意义随着液晶显示器的蓬勃发展，薄膜晶体管液晶驱动芯片行业迎来了巨大的市场，其中最明显的是薄膜晶体管液晶驱动芯片的增长。为了在这个巨大的市场中占有一席之地，中国集成电路产业面临着发展的机遇和挑战。为了更好地掌握工业发展的主动权。根据这一发展趋势的要求，本文研究并设计了薄膜晶体管液晶显示器的列驱动电路。借鉴现有产品的一些设计经验，按照数字电路和模拟电路的设计流程以及“自上而下”的设计思想，将芯片划分为层次化的功能。然后输入并模拟各功能模块的原理图。最后，根据芯片数据提出的功能和性能指标，对芯片的功能和性能进行了仿真验证。本文使用的仿真和验证工具是Multisim和Cadence，数字部分和模拟部分采用原理图输入方式。根据工作原理，整个电路分为六个模块：双向移位寄存器、数据寄存器、数据锁存器、电平转换器、数模转换器和输出缓冲器。前两部分是数字模块，后两部分是模拟模块。在第二章中，本文将首先介绍源驱动芯片的工作原理和系统架构。第二章将介绍数字电路的设计。第四章介绍了电平转换模块和模拟电路的设计。第五章给出了SXGA TFT_LCD源驱动芯片的系统实现。第六章是对总体设计过程的总结，并给出了今后的一些改进。第2章至第5章的每个部分将从其工作原理、结构、性能指标和仿真结果进行介绍，并液晶显示器的面板由20多种材料和部件组成。面板的厚度小于1厘米，非常薄、轻且短，不同类型的液晶显示器所需的材料也不同。基本上，液晶显示器的结构就像三明治。如图所示，液晶盒通常包括玻璃基板、滤色器、偏振片、配向膜、印刷电路板和其他材料。当注入液晶材料时，形成液晶显示装置。液晶显示原理液晶是一种有机化合物，在固体和液体之间有规则的分子排列或取向。它具有液体的流动性和晶体的双折射性，并在电场的作用下改变其分子排列。液晶的特征是规则的分子取向和分子间不规则的相对位置。前者使液晶具有晶体所具有的各向异性，而后者使液晶具有液体所具有的流动性。液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，通电时打开，使液晶排列变得有序，这样光可以很容易地通过，而不通电时，排列变得无序，从而阻止光通过。如下图所示：薄膜晶体管液晶显示器的成像原理是采用“背透”照射。当光源照射时，光向上穿过下偏振片，光通过液晶分子传导。由于上下火层的电极是场效应晶体管电极和公共电极，当场效应晶体管电极导通时，液晶分子的排列状态也会发生变化，通过遮光和透光达到显示的目的。然而，由于场效应晶体管的电容效应，可以保持电位状态。以前透明的液晶分子将保持这种状态，直到场效应晶体管电极再次通电以改变它们