华中科技电子显示技术04_LCD驱动原理.ppt

08.06.2020,1,2.1液晶与液晶显示器(LCD),2.2液晶用于显示的物理性能,2.3LCD的各种显示方式及其工作原理和特性,2.4各种类型的液晶材料,2.6LCD的各种驱动方式,2.7LCD的技术发展动向,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,2,2.3.9彩色LCD的各种显示方式,第二章液晶与液晶显示器,彩色LCD显示方式，根据其彩色生成原理不同，可以按下表进行分类。,08.06.2020,3,能动型彩色LCD是通过能动元件液晶盒的双折射性及二色性的变化，借助偏振片的作用，直接产生色相的变化。,第二章液晶与液晶显示器,在彩色虑光器方式和彩色光源方式中，作为受动元件的彩色滤光器及彩色光源是彩色的生成源，作为能动元件的液晶盒仅起到光开关的作用。因此，这种方式的彩色LCD一般称为受动型的LCD。要求起光开关作用的液晶盒的透射光基本上是无色的，即要求是黑白(B/W)光开关。,08.06.2020,4,液晶显示的三种方式:,1.反射式,反射式可以利用外光,节省功率,TN液晶器件一般工作在反射式,如图所示。入射光先穿过液晶盒,然后被反射器所反射。反射器由一个漫反射器和一个镜面组成,它们粘附在底玻璃外表面上。当两个偏振片正交,器件工作于正性显示时,不加电时光通过上偏振片,变成线偏振光,经过液晶层时,偏振方向转过900,刚好可通过下偏振片到达反射器,反射回来的光偏振性没有改变,又再次穿过液晶盒和上偏振片到达人眼。当加上足够高的电压后,液晶分子将与电场平行,光的偏振面不再发生旋转,所以光不能穿过液晶盒到达反射面。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,5,反射式显示即使在阳光直射下也不会被冲刷。然而,当在暗处或在背景亮度不够高处观察液晶器件,需要加别的人工光源。为此常在漫反射板的边缘处装一个小灯泡。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,6,2.透射式,TN型液晶也可以工作于透射式,如图所示。液晶盒上方的偏振片为线性起偏器,下方的偏振片为线性检偏器。它们的偏光轴互相平行,并都与顶部基片内表面处的液晶分子取向一致。当未加外电场时(驰豫态),人射光到达盒的底部时,光的偏振面将与检偏器的偏光轴垂直,光线被检偏器挡住了,从背面看过去液晶盒不透明,如下图所示：,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,7,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,8,加外电场后,人射光经过液晶盒时不发生旋转,能从检偏器穿过,液晶盒仿佛是透明的,如图下所示：,所以透射式液晶是将光源、放在显示器之后,显示器调制人射光。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,9,3.投影式,投影式液晶显示器起投影仪中幻灯片作用,对投射光源起调制作用,所以称为液晶光阑。早期液晶光阑是将液晶盒与光敏层组合在一起,中间隔一层遮光层。光敏物质为非晶硅、Se、CdS等光电导膜。利用光电导层接收不同光量时,电阻改变,从而调制加在液晶上的电压。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,10,后来采用可电写人的CCD,但是现在多采用液晶盒加有源矩阵。特别近年来发展很迅速的LCOS(LConSilicon)更是投影式的典型。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,11,彩色LCD的显示方式,2.3.9.1彩色虑光器方式的彩色LCD,如图2-22所示，使具有B/W光开关功能的液晶盒与红绿蓝（RGB）多色虑光器相组合，利用加法混色就可以实现多色显示或全色显示。通常在马赛克形、条形三角形布置的RGB的各像素间，设有黑色矩阵条，这种设置的目的在于提高对比度。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,12,这种方式彩色LCD的整体透光率是相当低（5%）的，目前解决问题的办法是设置背照光（2-22）。背照光除可使彩色LCD的辉度提高之外，与彩色虑光器相组合还具有提高色纯度的作用。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,13,上述彩色虑光器方式的彩色LCD可用于画面对角线尺寸1英寸到20英寸左右的彩色显示器，且经研究开发已达实用化。目前已广泛用于带摄像的照相机、小型彩电、壁挂式彩电、OA（办公室自动化）设备、家用信息终端、工业用PC、台式PC、测量医疗设备、电视游戏机、卡拉OK产品及飞机和轮船及火车座位上的电视、便携式电视、便携式DVD、军事装备、个人数据助理（PDA）、汽车引导系统等。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,14,2.3.9.2彩色光源方式的彩色LCD,这种方式的彩色LCD由作为颜色生成源的彩色光源和具有B/W光开关功能的液晶盒相组合而形成。图2-25为一具体实例。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,15,2.4.1实用液晶材料,2.4.1实用液晶材料LCD开发初期，在液晶材料方面的最大要求是寻找不加热就能使用的液晶室温液晶的合成。此后，LCD进入实用阶段，随着其应用领域的多样化，以及各种各样新型液晶显示方式的诞生，除了液晶的使用要考虑温度之外，下列条件也是实用液晶材料合成和调制中必须要考虑的。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,16,从低温到高温都表现为液晶相，能在很宽的温度范围内使用；具有优良的化学稳定性及光化学稳定性，使用寿命长；粘度低，具有优良的高速响应性；介电各向异性大，适于低电压工作；双折射率的大小适合于显示对比度的增加；弹性系数均衡，适合于多路传输驱动；分子排列的有序度高，适合于提高显示对比度。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,17,上述这些条件对于基于各种显示方式的LCD来说应该说是共同的要求。当然，对应不同类型的LCD，因所用液晶的类型、介电各向异性的正负、双折射率的大小、有无必要采用添加剂等当然会有所不同(参照表2-1)。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,18,2.4.2混合液晶材料,实际上，单纯一种液晶化合物要满足某类LCD的所有性能要求是相当困难的。因此，实际应用中，并不是简单地使用单纯形式的液晶，而是将几种不同种类的液晶相混合，构成多成份混合液晶，通过组成、成份等的调整，以适应特定的显示方式，实现所要求的特性、功能等。根据特殊要求，在这些混合液晶中还可进一步添加导电剂、二色性染料、手性剂等。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,19,这种多成份液晶的混合方法，并不仅仅是对每种单体液晶所具有的特性、功能等进行简单的加成，而是要求产生单体液晶单独所不能实现的某些性能。例如，可以通过多成份液晶混合，使液晶相的温度范围扩大等。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,20,2.5.1LCD的构造,10m左右厚的液晶层夹于两块玻璃基板之间构成三明治结构,对于不需要偏振片的显示方式及透射型LCD要从如图所示的结构中去掉偏振片及反射板。透射型LCD需要附加背面照明光源(backlight)。而且，对于彩色显示LCD，一般要在透明电极和玻璃基板之间增设RGB多色滤色器层。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,21,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,22,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,23,2.5.2LCD的构成材料,透明电极基板可以采用涂覆有氧化铟及氧化锡透明导电膜(ITO膜)的玻璃板、塑料片或塑料膜。一般要求其光透射率在90以上，表面电阻从10到数百欧姆。而且，显示图形电极大多数由全透明电极基板经光刻制成。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,24,封接材料一般使用热硬化性环氧树脂封接剂，但对可靠性要求特别高的情况，也有时采用玻璃封接剂等。控制液晶盒间隙的隔离子一般采用颗粒状或纤维状的玻璃或塑料。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,25,大部分LCD中所必需的偏振片，是用碘及二色性染料染色的延伸聚乙烯醇膜与醋酸纤维素保护膜做成的夹层结构，且多为片状，其透光率为4050，偏光度一般为98左右。而且，光反射板与偏振片往往做成一体结构。滤光器有各种不同种类，如防反射用的及隔断紫外线用的滤光器，以及彩色显示用的彩色滤光器等。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,26,第二章液晶与液晶显示器,Stripe,Triangle,ArrangementofColorFilter,08.06.2020,27,据法国媒体报道，传统的LCD面板都是用红，绿，兰三种透光大小来控制颜色的液晶阵列。所以平时所说的液晶面板都是RGB的。但是也有一些特殊的例子，三星，京东方现代，以及最近LG-Philips都在制造一种称为RGBW的液晶面板，其中多出来的W代表白色。虽然以前出现的RGBW面板都是小尺寸的，并且一般都面向手机，但是这次LG-Philips的却有26寸大小。虽然还不知道它的具体细节，但是根据猜测它的亮度会更大，这对于那些用于公众场所的屏幕来说意义重大。（2005）,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,28,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,29,LCD与驱动电子电路的电气连接方式有承插式连接器、弹性连接器、柔性连接器、各向异性导电膜等。透射型LCD所必需的背照光源有冷阴极型和热阴极型荧光灯、有机EL、LED、白炽灯等。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,30,2.5.3液晶分子排列的作用、种类及分子排列方法,2.5.3.1分子排列的作用及种类均质垂直分子排列：液晶分子与双方基板表面都呈垂直的排列；均质平行分子排列：液晶分子与双方基板表面呈平行，且呈同一方向的排列；,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,31,倾斜(tilt)分子排列：液晶分子相对于双方基板表面呈一定角度倾斜，且呈同一方向的排列；混合(hybrid)分子排列：液晶分子与一方的基板表面垂直，与另一方的基板表面按同一方位呈平行排列，全体分子的排列均在两基板间发生连续的90的扭转；,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,32,扭曲(twist)分子排列：液晶分子与双方的基板表面都呈平行排列，但其排列方位在两基板间发生90转动，因此全体分子的排列方位在两基板间发生连续的90扭转；平面型(planer)分子排列：液晶分子排列的螺旋轴与双方的基板表面呈垂直的排列；聚焦圆锥(focalconic)分子排列：液晶分子排列的螺旋轴与双方的基板表面呈平行的排列。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,33,2.5.3.2分子排列的方法通过下述三种分子取向处理可以得到分子取向基板，由2块这种分子取向基板的不同的组合，可以构成不同的液晶盒。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,34,垂直取向处理：通过对基板表面处理，可使液晶分子的长轴方向与基板表面垂直排列；平行取向处理：通过对基板表面处理，可使液晶分子的长轴方向与基板表面平行排列；倾斜取向处理：通过对基板表面处理，可使液晶分子的长轴方向与基板表面只按确定的角度倾斜排列。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,35,在基板表面变形处理法中，一种方法是用棉布等沿某一方向轻轻摩擦，一般是在对基板表面通过平行取向剂直接处理之后，再经摩擦处理，通过这种方法可使液晶分子的平行排列方位取向一致。另一种方法是用氧化硅等取向剂相对于基板表面以一定倾斜方向蒸发沉积，蒸镀角小(520)时可实现液晶分子的倾斜排列，蒸镀角大(2045)时可实现平行排列。,基板表面直接处理法，是在基板表面涂布取向剂溶液，再通过加热干燥等去除溶剂，从而在基板表面形成取向剂的薄层,基板表面间接处理法，是将取向剂溶入液晶中，使其随液晶一起注入液晶盒，溶于液晶中的取向剂被基板表面吸附，形成取向剂层。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,36,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,37,2.6.1驱动电极的结构,7段电极，它由前基板上的7个段电极和后基板上的一个公共电极构成。通过在各段上选择性地施加电压，可以显示09中的任一个数字。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,38,在显示模拟图形时，可将多个段电极并用，排成一列或排成图形进行显示。当经常显示某些特定的符号或图案时，可按其形状做成固定图案电极来使用。,LCD电极结构固定图案电极(符号显示、图案显示),段电极(数字显示、模拟图形显示),矩阵电极(字符显示、图形显示、电视画面显示),第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,39,图2-32为矩阵电极结构示意图，利用这种电极可以显示任意图案。矩阵电极由一方基板上的带状行(扫描)电极(Xn)和另一方基板上的带状列(信号)电极(Ym)构成。通过选择性地在由扫描电极与信号电极组成的任意交点(像素)上施加电压，就可以实现对字符、图形、电视画面等的显示。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,40,图2-32矩阵电极结构,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,41,第二章液晶与液晶显示器,静态驱动多路传输（单纯矩阵）驱动LCD的驱动方式有源矩阵驱动热寻址驱动光寻址驱动,08.06.2020,42,2.6.2静态驱动,静态驱动，是指对要显示的各个段电极分别、且同时驱动的方法。因此，全体段电极中的每一个都要有各自独立的驱动电路元件，在显示段电极和公共电极上，在显示期间，都要施加连续的电压。,图2-34静态驱动波形的实例,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,43,静态驱动器原理,在静态驱动的液晶显示器件上，各液晶像素的背电极BP是连在一起引出的，各像素的段电极SEG是分立引出的。,若在BP上加入一个正电压(如5V)，在要显示段上加入OV电压，使该段像素电极间电压为5V，呈显示态。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,44,而在不显示段上加入与背电极BP相同的电压5V，则该段像素电极间电压为OV，呈不显示态。,在实用中是在背电极BP上加入一个正脉冲序列，在显示段(SEGf)上加入与背电极脉冲相位差为1800的等幅正脉冲序列，在该像素上产生5V(或-5V)的显示驱动脉冲序列,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,45,在不显示段(如SEGe)上加入一个与背电极脉冲同相位的等幅正脉冲序列，在该像素电极间产生OV电压差，从而形成液晶显示的交流驱动。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,46,在电路上实现上述驱动波形是比较容易的，即利用一个异或门，将序列脉冲接到异或门的一个输入端，另一个输入端A为控制电压，如图所示。当A=“1”时为显示，A=0时为不显示。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,47,集成块CD4055是一位BCD七段液晶显示驱动器，是一个很好的例子，其原理如图所示。,数据由输入端D0、D1，D2、D3进入，经过缓冲器(BUFFER)，加到BCD-七段译码器，转换成七段字型数据,去控制七个异或门，七个异或门的输出端为集成块的a、b、c、d、e、f、g七个输出端。BPl为序列脉冲输入端，与七个异或门另一个输入端连接，同时又经过一个非门由BP0脚输出接到显示器的公共电极，即背电极。CD4055内部没有振荡器，所以使用CD4055需外接一个振荡器。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,48,2.6.3多路传输驱动,多路传输驱动适合于使用比较多的段电极的情况以及构成矩阵电极的情况，为时分割驱动或动态驱动。而且，相对于有源矩阵驱动来说，也可称其为单纯矩阵驱动。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,49,例如，由7段电极构成、用多路传输驱动显示12位数字的场合,位电极X1，X2，X12,段电极Y1，Y2，Y7,引线端子数总共为19个，与静态驱动的场合相比，前者的数目可大幅度减少。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,50,但是，由于多个段电极共用一条驱动线，显示段电极以外的段电极上也施加有各种不同的分电压，这显然会降低显示的对比度。为了克服这种交叉（Crosstalk)效应，在液晶的多路传输驱动方式中，一般采用所谓“电压平均化法”。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,51,当所施加的电压大于Vth较多，而液晶显示器的电光曲线又不够陡峭时，附近未被选中的像素也会部分呈现显示状态，这就是液晶显示器在无源多路驱动时固有的交叉效应。,交叉效应的英文是crosstalk，原来是指多路通信中两条互不相干线路之间的“串音”现象。在液晶显示器的多路驱动中也有类似的现象,即当一个像素上施加电压时，附近未被选中的像素上也会有一定电压。,(1)交叉效应,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,52,为了说明问题，举一个最简单的22矩阵，如图所示。在电极X1上加电压Vo，并让Y1电极接地，而让其他电极开路。,等效电路,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,53,然而，当外加电压Vo足够高时，即使它只加在电极Xl和YI间的P11像素上，由图示的等效电路可知，像素P12、P21和P22上也会有Vo/3电压，所以这些像素也会逐渐转变为亮态。这就是交叉效应。随着电极数目的增大，交叉效应的程度会加剧。,如果Vo只是略大于阈值电压,则该电压会全部加在像素P11上，使它变为显示态，而另外的像素仍是未显示态。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,54,抑制交叉效应的措施:,高档液晶显示器件都是矩阵式的多路驱动，其中无源矩阵都具有交叉效应，并且随着行、列数的增加，交叉效应所造成的不良后果也越严重，主要表现在两方面:,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,55,半选择点与非选择点上电压不一样，如-果它们由于交叉效应而变明(或变暗)状态不一样，则造成图面不均匀，这也是不能允许的。,选择点与半选择点电压接近,当外加电压超过Vth后，半选择点也会逐渐呈显示状态,使对比度下降;,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,56,平均电压法:,平均电压法是抑制交叉效应的一种驱动技巧,其原理是把半选择点上的电压和非选择点上的电压平均化，使半选择点电压与非选择点电压相同。这就是在多路驱动技术中普遍采用的平均电压法的实质。,下面求解利用平均电压法在选择点、半选择点和非选择点上应施加多少电压。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,57,如图所示34矩阵,设Xl、X2、X3分别为行电极;YI、Y2、Y3、Y4为列电极;其中X1和Y2为选通电极,因此Xl、Y2为选通点,简写成(1,2)。Xl电极施加电压V1,其余行电极上为0V,Y2施加电压V2,其余列电极为(1/a)v1.,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,58,选择点（1，2）：V1+V2;半选择点（1,1）（1,3）（1,4）：电压为V1-(1/a)V1(2,2)(2,3)（3,2）:电压为V2非选择点：均为（1/a）V1.设加在选择点的电压V0=V1+V2令非选择点电压与半选择点电压绝对值相等，即：V2=（1/a）V1,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,59,令a1b（b1),则可以求得：,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,60,此时各点电压为：选择点（1,2)电压：V0半选择点(2,2)(2,3)（3,2）电压：(1/b)V0;（1,1）（1,3）（1,4）电压:(b-2)/b)V0非选择点电压：(1/b)V0,可见，非选择点电压和部分半选择电压只有选择点电压的1/b，称b为偏压比。此种方法为1/b偏压法。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,61,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,62,有源矩阵驱动,这种驱动方式是在扫描电极与信号电极矩阵交点处的像素位置，附加、集成开关元件及电容器元件(必要时)，目的在于提高对比度和响应性等显示性能。各像素的开关元件及电容器元件分别担当防止“串像”(Crosstalk)的功能和积蓄电荷的功能。因此它们本质上将不受扫描电极数的约束，从原理上讲，可以实现与占空比100的静态驱动接近的液晶显示。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,63,有源矩阵驱动方式,非线性(二端子)元件,场效应三极管(FET)(三端子)型,MOS三极管型TFT(薄膜三极管)型非线性电阻型MIM型二极管型,a-Si型p-Si型CdSe型Te型,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,64,二极管寻址矩阵液晶显示,普通矩阵液晶显示屏的扫描行数存在极限的原因之一在于液晶像素的电容性负载，即具有双向导通性。如果在像素上串联一个二极管，使像素具有非线性特性，就可突破上述极限。,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,65,TFT矩阵驱动LCD,行电极称为栅极母线,列电极称为漏极母线,源极与液晶的象素电极相连,并联的电容增加了液晶象素的弛豫时间.,工作原理:,当扫描到某一行时,该行上的全部FET导通.同时各列将信号电压施加到液晶象素上,即对并联的电容充电.该行扫描过后,各FET处于开路状态,不管以后列上信号如何变化,对未扫描行上的象素都无影响.即信号电压可以在液晶象素上保持接近一帧时间.,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,66,图2-39有源矩阵驱动LCD及其中薄膜三极管(TFT)的结构,FET有源矩阵驱动型LCD基本结构,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,67,第二章液晶与液晶显示器,08.06.2020,68,2.7.1LCD技术发展回顾,自