液晶显示器件驱动基础

1、1 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 液晶显示模块液晶显示模块的的基本基本结构结构 n液晶显示模块（液晶显示模块（LCM）是一种将液晶显示器件、连接件、集）是一种将液晶显示器件、连接件、集 成电路、成电路、PCB、背光源、结构件装配在一起的组件。、背光源、结构件装配在一起的组件。 液晶显示器件：表面蒸镀有液晶显示器件：表面蒸镀有ITO导电的玻璃基板、液晶、导电的玻璃基板、液晶、 偏振片。偏振片。 连接件：导电橡胶、热压导电胶带、连接件：导电橡胶、热压导电胶带、TAB。 集成电路：控制器、行和列集成电路：控制器、行和列驱动驱动器等。器等。 PCB：电源、控制器、行和列：电源、控制器、行和

2、列驱动驱动器等的连接电路。器等的连接电路。 背光源：背光源：LED、CCFL、EL 。 结构件：将上面各部件装配在一起的结构件。结构件：将上面各部件装配在一起的结构件。 2 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 nLCD类型虽然很多，结构也千差万别，但它们的显示原理是类型虽然很多，结构也千差万别，但它们的显示原理是 基本相同的，驱动方法也是基本一致的。基本相同的，驱动方法也是基本一致的。 n可以通过对液晶施加电场，使它的分子排列发生改变，从而可以通过对液晶施加电场，使它的分子排列发生改变，从而 使液晶的光学性质发生变化。这样，就将电信号转变为人眼使

3、液晶的光学性质发生变化。这样，就将电信号转变为人眼 可见的光信号。可见的光信号。 n由于液晶是有机化合物，在固定的电场作用下将发生电化学由于液晶是有机化合物，在固定的电场作用下将发生电化学 反应，从而导致液晶材料的老化及失效。反应，从而导致液晶材料的老化及失效。 n因此，施加在液晶上的电场应为交流电场，从而将电化学反因此，施加在液晶上的电场应为交流电场，从而将电化学反 应抵消掉或降到最低限度。这就大大增加了难度应抵消掉或降到最低限度。这就大大增加了难度。研究表明，研究表明， 长期应用条件下，电信号的直流分量应小于长期应用条件下，电信号的直流分量应小于50mV。 n设计者设计者需要具有模拟电路、

4、数字电路和单片机的基本知识。需要具有模拟电路、数字电路和单片机的基本知识。 3 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 典型液晶显示器件写入机理典型液晶显示器件写入机理 器件类别写入机理写入特点 在被写入象素的两电极间施加一 大于阈值(Vth)的交流电压信号， 使象素电极之间的液晶分子由沿 面排列变为垂面排列；从而使两 正交偏光片不透光，象素变成黑 色 低电压、微功耗。 视角小，响应速度 慢；电光响应曲线 陡度低，因此不适 于多路驱动；多用 于段码及低路数驱 动的字符显示 在被写入象素的两电极间施加一 大于阈值的交流电压，使在电极 之间掺有离子杂质，排列整齐的 液晶在离子流的驱动下形成一个

5、个的液晶涡流（畴），由于这些 涡流对外界光有强烈的散射作用， 从而使原来透明的象素变成乳白 色的散射象素 属电流效应，电流 较大；响应速度慢， 电光响应曲线陡度 低，不适于多路驱 动；因其功耗较大， 现已很少用 4 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 典型液晶显示器件写入机理典型液晶显示器件写入机理 器件类别写入机理写入特点 在被写入象素的两电极间施加一 大于阈值(Vth)的交流电压信号， 使掺有二向色染料，并呈平行沿 面排列的液晶分子和染料分子变 为垂直于玻璃表面，由于二向色 染料从不同方向看颜色不同，顾 可使象素部位改变颜色 基本特性同TN型， 电压稍高，可实现 单彩色显示 在被写入

6、象素的两电极间施加一 大于阈值的交流电压，使在电极 之间原来呈散射态的平面焦锥结 构排列的胆甾相液晶转变为透明 态的垂面排列的向列相液晶，从 而实现显示 有存储性能，响应 快，对比度低 5 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 器件类别写入机理写入特点 在被写入象素的两电极间施加不同 幅值的交流电压，会使电极间原来 排列整齐的液晶分子出现不同程度 的倾斜，因双折射效应会使透过液 晶盒的线偏振光变成椭圆偏振光， 并与检偏振片产生干涉，呈现出随 写入电压而改变的干涉色 没有阈值，可随 驱动电压值改变 颜色 用一束足够强的激光射向器件表面， 使被射部分的液晶分子升温至各向 同性，在去除激光时，将

7、该处极冷， 则该处液晶分子呈焦锥结构排列， 呈乳白散射态，若在撤除激光时将 该处渐冷，则此处液晶分子呈沿面 或垂面排列，为透明态 可用激光写入， 有存储功能 典型液晶显示器件写入机理典型液晶显示器件写入机理 6 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 器件类别写入机理写入特点 在被写入象素的两电极间施加不同 幅值的交流电压，使电极之间原来 呈180270度沿玻璃表面扭曲排列 的液晶分子层中间部分的液晶分子 变为倾斜垂面排列，从而使透过该 处的线偏振光变为椭圆偏振光，并 在检偏处形成干涉色，实现显示 电光响应曲线陡 度高，适用于多 路动态驱动显示； 为有色显示模式， 经滤色或使用延 迟片后也可

8、实现 黑白显示 在被写人像索前后电极之间施加上 一个足够大的交变电压，使在电极 间固化在聚合物中的液晶微珠中液 晶分子按电场方向重新排列。从而 使原呈乳白散射状的像素，变成透 明态 驱动电压较高， 响应速度可以很 快，没有明显阈 值，不适宜多路 驱动 典型液晶显示器件写入机理典型液晶显示器件写入机理 7 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 器件类别写入机理写入特点 在被写人像素电极上施加一个电压 脉冲，使在前后电极间原来呈近晶 Cm相，且沿玻璃面排列的液晶态旋 转一个角，从而使通过的线偏振 光被检偏振片检出，达到显示目的; 因液晶的初始排列和旋转角度后 的排列都是稳定态，故使器件具有 双

9、稳存储特性 具有双稳态存储 特性和磁滞曲线 性响应曲线。响 应速度快;具有 一个记忆阈值， 电光响应陡度高。 适宜实现高路数 动态驱动 以行扫描信号和列寻址信号控制作 用于被写人像素电极上的薄膜晶体 管有源电路，使有源电路产生足够 大的通断比(Ron/Roff)，从而间接控 制像素电极间呈TN型的液晶分子排 列。达到显示目的 经TFT有源电路 间接控制的TN 型器件像素，可 实现高路数多路 显示和视频图像 显示 典型液晶显示器件写入机理典型液晶显示器件写入机理 8 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 LCD驱动方式驱动方式 直接驱动法直接驱动法 (Direction Addressing

10、) 静态驱动法 (Static Addressing) 多工驱动法 (Multiplex Addressing) 有源矩阵驱动法有源矩阵驱动法 (Active Addressing) 9 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 直接驱动法 直接驱动法,是指驱动电压直接施加于像 素电极上,使液晶显示直接对应于所施加 驱动电压信号的一种驱动方法. 由于它相对于有源驱动法中驱动电压是施加于 TFT等有源电路上，在间接对像素电极提供驱 动电压信号，故称为直接驱动法。 10 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 静态驱动法 静态驱动是指在像素前后电极上施加电 压信号时则呈显示状态，不施加电压时 则

11、呈非显示状态。 11 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 静态驱动法静态驱动法 n静态驱动法是获得最佳显示质量的最基本的方法。它适用于静态驱动法是获得最佳显示质量的最基本的方法。它适用于 笔段型液晶显示器件的驱动。笔段型液晶显示器件的驱动。 每段的背电极每段的背电极BP连接在一块，而段电极相互独立；连接在一块，而段电极相互独立； 振荡器的信号经分频后加到背电极振荡器的信号经分频后加到背电极BP上，而段电极的脉上，而段电极的脉 冲信号由显示选择信号冲信号由显示选择信号A与时序脉冲通过逻辑异或产生；与时序脉冲通过逻辑异或产生； A=“0”时，段电极信号与时，段电极信号与BP信号同相，该像素上

12、电场为信号同相，该像素上电场为 零；零；A=“1”时，段电极信号与时，段电极信号与BP信号反相，该像素上建信号反相，该像素上建 立了交流电场，从而实现了显示；立了交流电场，从而实现了显示； 适当调整脉冲电压，可改变对比度。适当调整脉冲电压，可改变对比度。 12 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 序号异或门B端 （LCD的COM） 异或门A端（控制端）异或门输出端 （LCD的段端） 1000 2101 3011 4110 A B 13 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 静态驱动法静态驱动法 14 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 静态驱动法 15 液晶显示器件驱动基础液晶

13、显示器件驱动基础 静态驱动法 16 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 棒状模拟显示静态驱动法 17 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 动态驱动法 n当液晶显示器件上显示像素众多时，把水平一组显示像素的当液晶显示器件上显示像素众多时，把水平一组显示像素的 背电极都连在一起引出，称之为扫描电极，把纵向一组显示背电极都连在一起引出，称之为扫描电极，把纵向一组显示 像素的段电极都连接起来一起引出，称之为信号电极。像素的段电极都连接起来一起引出，称之为信号电极。 n驱动方式上则采用类似于驱动方式上则采用类似于CRT的扫描方法。的扫描方法。 n液晶显示器件上的每一个显示像素都由其所在的行与

14、列的位液晶显示器件上的每一个显示像素都由其所在的行与列的位 置唯一确定。置唯一确定。 n液晶显示的扫描方法是循环地逐行给行电极施加选择脉冲，液晶显示的扫描方法是循环地逐行给行电极施加选择脉冲， 同时在列电极上给出该行显示数据转换成的选通或非选通的同时在列电极上给出该行显示数据转换成的选通或非选通的 驱动信号，从而实现该行所有显示像素的显示。驱动信号，从而实现该行所有显示像素的显示。 n这种扫描驱动方式就是动态驱动法。这种扫描驱动方式就是动态驱动法。 18 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 占空比 我们把所有扫描行电极各施加一次扫描电压的 时间叫一帧。 假设一帧的扫描行数为N，扫描时间为

15、1，那么 一行所占有选择时间为一帧时间的1/N。这就 是液晶显示驱动的占空比系数，也称为占空比 （Duty） ，一般占空比等于扫描电极数N的倒 数，即1/N。 19 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 交叉效应 在动态驱动方式下,某一液晶像素(选择点)呈显 示效果是由施加在行电极上的选择电压与施加 在列电极上的选择电压的合成实现的. 与该像素不在同一行和同一列的像素(非选点) 都处在非选状态下，与该像素在同一行或同一 列的像素均有选择电压的加入，称之为半选择 点。 该点的电场电压处于液晶的阈值电压附 近时，屏上将出现不应有的半显现象，使得显 示对比度下降，这种现象叫做“交叉效应” 20

16、液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 平均电压法 21 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 平均电压法 22 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 偏压 行半选点和非选点上的电压均为显示电 压VLCD的1/a。这1/a就称为偏压系数，也 称为偏压偏压（Bias） 显示亮度显示亮度 平均电压法驱动工作电压范围平均电压法驱动工作电压范围 23 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 最佳偏压法 作为选择点时，在一帧时间内，只有一行的时间施加电压为V0，其余N 1行时间内施加电压为 ，所以作为全选择点的均方电压为 0 1V a f t t f rms dtV t V 0 2 1 1

17、1 )(1 1 2 2 2 0 2 0 2 00 Na a V Na V NV N V n 34 1 )(1 21 2 2 2 0 2 0 2 0 2 0 aaN a V Na V NV a a N V ff 作为非选择点时，在一帧时间内，总有一行的时间处于半选择点，施加 的电压为 ，其余N1行时间内施加电压为 ，所以作为半选 择点的均方电压为 0 1V a 0 2V a a 24 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 最佳偏压法 由于液晶对比度是透过率之比，透过率又正比于 施加有效电压值，所以让我们用施加有效电压比 值来分析一下对比度(显示质量的重要标志)与驱 动路数N和偏压比a之间的关

18、系。 12 1 2 2 Na Na V V off on 25 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 最佳偏压法 我们由上式作出有效电压比Von/Voff和偏压比a 的关系曲线 26 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 最佳偏压法 1Na 这就是有效电压比Von/Voff最大时，偏压比a必须满足的条件 我们把a代入前式，得 1 1 N N VV offon 27 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 最佳偏压法 我们把这个比值称为优值我们把这个比值称为优值。显然，优值与驱动路数关系密。显然，优值与驱动路数关系密 切，下图为优值切，下图为优值与驱动路数与驱动路数N之间的关系曲线之间

19、的关系曲线 28 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 最佳偏压法 从上图可以看出不同占空比情况下分别对应不同的最佳 偏压，所以我们称之为最佳偏压法。公式 被称 为多路驱动铁的定律。 1Na 从上面的关系可以看出随着驱动路数N的增加，有效电压 比会减小，如上图所示，它将急骤趋近于1。此时，显示对比 度将趋于0，使其不能识别。 为此，只有提高液晶显示器件的阈值特性的陡度。因为只 有在液晶显示器件电光响应曲线很陡的情况下，当选通有效电 压Von/非选通有效电压Voff即使趋于1时，其电光效应的通/断 透过值才能拉得很开，呈现好的对比度。 29 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 最佳偏压

20、法 为此，又引进阈值陡度P: P=Vsa/Vth 由前面的由前面的公式公式可以求出最大驱动路数可以求出最大驱动路数Nmax与陡度与陡度P的关系的关系 2 2 2 max 1 1 P P N 由于液晶阈值和饱和电压一般均由产品说明中给出，所以， 该公式是设计点阵液晶显示器件的主要依据。在液晶产品说 明书中有时并不是Vsa, Vth，而是V10,V50,V90，它们分别代表 了光电响应10%,50%,90%时的电压。而P值也不再用Vsa/Vth 表示，而是用V90/V10表示。 30 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 常用偏压法 偏压法 这是钟表上常用的一种动态驱动法。由于钟表一般使 用3

21、位笔段形显示，像素点不多，又是低压驱动，所以 使用两路驱动即可以满足要求。此时N为2,占空比为1/2， 虽然用1/2偏压不会实现最佳有效电压比，但l/2偏压却使 设置更简洁、更适合于手表的低电压。此外，因液晶的 阈值陡度已远远超过两路驱动的要求，所以使用1/2偏压 是完全合适的。 31 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 常用偏压法 1/3偏压法 作为计算器和仪表用液晶显示器，一般都是多位 笔段式显示，有时位数多达10位以上，因此多用三路 驱动、四路驱动方式。从最佳偏压法得知，偏压比为 1/3时，本应是1/4占空比才是最佳偏压，但由于1/3占 空比时的三路电极排布要比四路排布容易得多，而

22、且 三路电极排布还可以比四路电极排布多获得一个显示 像素，所以一般均通用1/3偏压,1/3占空比驱动法。 32 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 常用偏压法 5级、6级偏压法 作为点矩阵液晶显示器件的驱动，所需行扫描占空比远比 1/2,1/3要高得多，有时达100线至几百线以上。以100线为例， 其最佳偏压比应为1/11,因此若严格按最佳偏压比设计，不仅 会使行驱动与列驱动器驱动电压相差很远，而且会增加电源 电压级别，这对行、列驱动器的设计、制造增添了麻烦，增 加了成本，对电源的设计也会带来麻烦。所以,对这种多路点 阵液晶一般都偏离最佳偏压法，使用5级或6级偏压，并用极 性倒相方式使行

23、、列驱动电压实现平衡。 33 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 灰度显示法 灰度显示法灰度显示法 空间灰度调制空间灰度调制 时间灰度调制时间灰度调制 面积灰度调制面积灰度调制 帧灰度调制帧灰度调制 脉冲灰度调制脉冲灰度调制 34 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 灰度显示法 空间灰度调制 将一个像素划分为若干个单独可控的“子像素”，控制子像 素被选通数量，便可实现灰度显示。 35 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 灰度显示法 这种方法是不需要特殊的驱动、控制技巧，但有很大的 缺点： 不可能将一个像素分割成很多个子像素，因此不可能不可能将一个像素分割成很多个子像素，因此不

24、可能 产生很多的灰度级；产生很多的灰度级； 增加了微细加工的成本，或者以牺牲分辨率为代价；增加了微细加工的成本，或者以牺牲分辨率为代价； 增加驱动、控制电路数量。增加驱动、控制电路数量。 36 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 时间灰度调制 在一个时间单位内，控制显示像素选通、截止的时 间长短，从而实现灰度显示。 灰度显示法 帧灰度调制 以数帧为一个时间单元，控制显示像素选通的帧数，即 可实现灰度调制。例如，取4帧为一个时间单位，从全部选 通到全部不选通可以实现5个灰度级别。 这种方法的缺点是会引起灰度级别的闪烁，由于液晶 相应速度慢，不可能用增加帧频来解决，所以必然导致活 动图象显示

25、变得慢。 37 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 灰度显示法 帧灰度调制 调制数据脉冲的宽度，即可以实现一个个像素上的灰度 调制。由于液晶对过窄的脉冲不能响应，所以一般限于以4 位移位寄存器调制16级灰度，即列信号的宽度有16种组合。 38 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 提高大容量液晶显示器件图象质量的方法 分割矩阵法 39 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 多重矩阵法 提高大容量液晶显示器件图象质量的方法 40 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 线反转技术 提高大容量液晶显示器件图象质量的方法 41 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 双频驱动法 提

26、高大容量液晶显示器件图象质量的方法 介电常数和 42 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 提高大容量液晶显示器件图象质量的方法 43 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 有源矩阵驱动法 有源矩阵的驱动与前面所讲直接驱动方式不同。 由于在有源矩阵液晶显示器件每个像素点上都制作了 一套有源器件，所以对这种器件的驱动是对每个像素 点上有源器件的驱动，它的驱动原理与直接驱动法是 不同的。 有源矩阵液晶显示器件根据其有源器件的种类不同 有三端型和两端型，而且每一类型又因所用材料、工 艺不同还可以分出若干类型。不过比较常用的，技术 发展最成熟的是一种用薄膜晶体管制作的三端型有源 矩阵型器件，通常称为TFT液晶显示器件。我们将以 TFT为例介绍有源矩阵驱动法。 44 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 有源矩阵驱动法 N N P 金属 漏极 栅极 源极 绝缘氧化物 半导体 G D S 关断时 导通时 45 液晶显示器件驱动基础液晶