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1、TFT-LCD面板驱动介绍,第一部分：了解TFT LCD,光阀的概念平面场效应管（TFT）TFT基板彩色滤光片,（1）上偏光片,（2）彩色滤光片,（4）间隙,（3）配向膜,（5）液晶体,（6）TFT板,（7）下偏光片,（9）框胶,（8）银胶,LCD内部结构剖面图,光阀的概念,1、光的偏极化,（如大图所示）光可是做一种电磁波，以电场和磁场相互垂直而交互振荡的方式向前传播。电场在某个方向上振荡，振荡的幅度愈大，光所具有的能量愈大（见图a）。在自然界中的光，光的能量分布在各个振荡方向上(见图b)。某个方向上振荡的光可以分成两个垂直方向上的分量(见图c)，而自然界中的光既然由各振荡方向的光所组成，故可
2、以将两个垂直方向上的分量加总，从而得到最简单的方式来表示振荡（见图d）。,2、偏光片,偏光片的作用，是让在某个方向上振荡的光通过，而把在其垂直方向上振荡的光挡住。（也就是说：光的振荡方向与偏振轴相平行的100%通过，而当光的振荡方向是处于平行与垂直之间时，只有部分光通过。通过的分量多少是由光的振荡方向与偏振片其轴的夹角决定的。）,自然光：沿着Z轴方向传播，其振荡方向是垂直与Z轴的各个方向。,偏振片：其偏振轴是与X轴平行的。,穿透光：是沿着Z轴方向传播的，但是此光的振荡方向只是平行与X轴的。,3、偏光片组,如下图所示。第一块偏振片也称为起振片，仅让在某个方向上振荡的光通过。第二块偏振片也称为检偏
3、片，再把所通过的光挡住，既可以阻绝光的进行。（此时从右侧看检偏片是没有光线通过的，即是黑屏。）,起偏片,检偏片,4、液晶的作用,液晶具有双折射的特性，而且在不同的电场下，会有不同的排列方式。因此，当光通过液晶时，会受其影响而改变或保持起振荡方向。,当液晶不改变光的振荡方向时，光无法通过第二块偏振片而被关闭。而当液晶将光的振荡方向改变时，此时光可以分成两个分量，虽有一个分量无法通过第二块偏振片，但是仍然由一个分量可以通过第二块偏振片，从而相当于打开状态。因此，可藉由施加电场来改变液晶的排列方式，来实现光阀的作用。,5、电压透射率关系,通过上面的介绍，我们非常清楚知道控制液晶的光阀的透射率，其最简
4、单最有效的一种控制方式：是利用施加电场来改变液晶分子的排列方式,而使得穿透液晶的光的相位随之改变，即达到了控制光通量的目的-“光阀”的功能（必须与偏光片组结合使用）。,透射率T%,电压 V,TFT LCD电压 透射率关系,IPS的意思：将液晶分子的长轴设定在与偏光片平行的方向上，藉由电场控制其旋转角度，进而改变透光率-横向控制模式,从右图可以看出，加在液晶两极的电压发生改变时，即可改变液晶光阀的透射率，这就是液晶光阀与电压交互作用而制成显示器的原理。TFT LCD 的灰度等级是由电压控制来设定的，所要显示的灰度阶度越多，电压的控制就要越精确。而液晶模式的透射率对应电压的斜率愈大，电压的控制也要
5、愈精确。,平面场效应管（TFT）,1、TFT的结构与工作原理,目前绝大部分的TFT LCD中所使用的平面场效应管都是采用非晶硅（amorphous silicon,a-Si:H）所制成的。非晶硅型TFT具有一个栅极（gate),一个源极(source),与一个漏极（drain),主要的结构是一个非晶硅半导体薄膜，此半导体层与栅极电极之间隔着一个栅极绝缘层，此半导体层的两端，各经过一层N型掺杂的非晶硅层，与源极与漏极电极相连接（实现欧姆连接）。此结构与金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）非常相似，其工作原理也很相近。当栅极施加正电压时，会在半导体层产生吸引作用，形成电子沟道，使源极与
6、漏极之间形成导通状态；栅极电压施加得愈大，吸引的电子也愈多，使得导通电源越大；而当栅极施加负电压时，会将半导体导中的电子排除，且因N+型非晶硅层的阻绝而无法吸引空穴，使源极与漏极之间形成关闭状态。,2、TFT的电流电压特性,如下图所示，为典型的TFT电流电压特性曲线图（漏极-源极之间的电压差为10V），当栅极电压Vgs加至20V时，TFT的漏源极具有超过10的-6次方(A)的电流，当栅极电压Vgs为-5V至-15V时,漏电流小于10的-12次方(A)。,Ids/A,Vgs/V,TFT的电流电压特性曲线图,注：TFT与MONFET的区别略！,TFT基板,TFT LCD基板架构示意图,显示器的画面
7、是由像素所组成，在TFT LCD中的每一个像素需可独立是控制灰度等级。下图所示是TFT基板的示意图，其上面有许许多多的平面场效应管按一定规则组成。每一个TFT的源极都接有一个平面，此平面就是控制液晶旋转所加电压的其中一个电极-称为“像素电极”。而另一个电极是公用的-称为“公共电极”。,数据线,扫描线,像素,像元,公共电极,一个像元的等效电路图,彩色滤光片,彩色图像的像素是由RGB三个基色组成的，而液晶光阀只是控制图像的明暗，不能产生出彩色图像，故彩色的LCD屏是采用附加彩色滤光片（又称“滤色膜”如下图）的方法来实现彩色图像的还原。彩色滤光片在水平方向上均匀分布了多组能滤出RGB三基色的滤光片，
8、将其精确的放置于LCD的面板上（红色滤光片与TFT板的R像元电极一一对应；绿色滤光片。）。在各像元的灰度等级按要求独自的改变后，穿透滤光片就得到像素中该像元所对应基色的亮、色度的参数，该基色信息与其它两个基色的参数相混合，即可还原出此像素的值。进而还原出原始的彩色画面。,彩色滤光片示意图,第二部分：TFT LCD的工作原理,TFT LCD的工作方式极性反转充电电压范围,在TFT LCD 中，每个像素有一个TFT管，其栅极（G)连接至水平方向的扫描线，漏极（D)连接至垂直方向的数据线，源极（S）连接至像素电极。（如图）,TFT LCD的工作方式,工作过程说明：在水平方向上的同一扫描线上，所有的T
9、FT管的栅极都是连接在一起，所以施加电压是连动的。在某一条扫描线上加上足够高的电压时，此线上所有的TFT皆会被打开，此条扫描线上的所有的像素电极与垂直方向上的数据线相连。对应的视频信息经数据线给像素电极充得适当的电压。接着（十几微秒）施加足够大的负电压，关闭TFT直到下次再重新写入,信号。在此期间电荷保存在液晶电容上。与此同时次一条扫描线上变为足够高的正电压。如此依序将整个画面的视频数据写入，再重新自第一条重新写入视频信号（一般此重复频率为60-240Hz）。,1、TFT LCD工作流程,极性反转,我们在讨论液晶光阀时，讨论到以电场控制液晶分子排列从而达到控制透光率的问题。在此需要进一步地加以
10、讨论，以解释在LCD驱动方式中很重要的“极性反转”的概念。,1、什么叫做“极性反转”,施加在液晶分子上的电场是有方向性的，若在不同的时间，以相反方向的电场施加在液晶上，即称为“极性反转”。（在一般情况下，电极的间距是为常数的，而电场方向对应着电位差的正负号，因此“极性反转”也就是意味着：对液晶分子两端施加正负号相反的电位差。）,2、为什么可以“极性反转”,液晶分子在电场中的电偶极矩与力矩：,（图a）,（图b）,（图a）与（图b）是液晶分子在相反电场方向中的受力情况：1、在电场的作用下，分子上的自由电子会受正点极吸引而向正点极移动。2、液晶分子在场强相同、电场方向相反的两个电场中，力矩相等。3、
11、在电场方向发生改变时，液晶分子的旋转方向不变。,液晶分子长轴的电偶极矩；,液晶分子短轴的电偶极矩；,液晶分子长轴的力矩；,液晶分子短轴的力矩。,净力矩公式：,电极化率,真空中的介电常数,液晶分子短轴的介电常数,液晶分子长轴的介电常数,通过上面净力矩的公式可以清楚的看到：在电场方向发生改变时，其净力矩的值不变，即液晶分子的转动方向是没有改变的。因此电位差（电场）的极性方向改变时，并不会影响液晶的排列与透射率。所以可以采用“极性反转”的方式来驱动液晶分子的排列方式。,3、为什么必须要有“极性反转”,液晶的驱动必须要以“极性反转”方式来驱动，有下述两个原因：,（1）取向膜的直流阻绝效应；（若采用直流
12、方式驱动液晶，其绝大部分的电压差会产生在取向膜上，无法改变液晶分子的排列方式，因而也不能控制光阀。）（2）可移动离子与直流残留。（若采用直流方式驱动液晶，可移动离子会趋向其中一个电极运动，一只移动到液晶与取向膜的界面，从而被获取在此界面上。导致与原先的电压-透射率关系发生改变。-称为“直流残留”。致使屏幕的某部分出现“彩色异常”或“黑斑”。）,注：原理介绍略,4、像素阵列极性反转的方式,常见的像素阵列极性反转的方式有：帧反转、列反转、行反转和点反转四种。,充电,1、充电与放电电流,像素电位的设定，在显示器运作的过程中，并不是由零点位开始（只有刚开机才是），而是由前一次更新时所设定的点位开始。在
13、采用极性反转驱动方式时，像素电位的极性在相邻帧中其极性是相反的。当前一次的极性为负时，所需设定的电位极性便是正的，因此，需要对液晶电容做“充电”；而当前一次的极性为正时，所需设定的电位极性便是负的，因此，需要对液晶电容做“放电”。,“放电”的情况：前一次像素极性为正，数据线上所设定的电位极性是负的，因此，像素电极为漏极电压Vd，而数据线电极为源极电压Vs,由于放电过程中数据向上的电位为定值，所以栅极源极电压（Vgs）亦为固定值。,放电：为负值、为固定值,“充电”的情况：前一次的像素极性为负，数据线上所设定的电位极性是正的，因此，像素电极为源极电压Vs,而数据线电极为漏极电压Vd，由于像素电位会
14、随着充电过程的增加而会逐渐的上升（Vs不是一个固定值），所以栅极源极电压Vgs会逐渐的变小，严重时会使充电电流有较为明显的变小，导致对液晶电容的充电时间变长。,充电：为正值、为固定值,2、充、放电时间,我们以屏的物理分辨率136676860为例，此液晶屏的每一行的充电时间约为：1（76860）=21.67(us).然而事实上，真正的充电时间要小于21.67（us）。原因：1、配合视频数据信号的传送时间，在完成一次画面更新之后，下一个画面的数据并不会立即送入到面板，而是会有一段空白时间；类似地，正在完成一行像素数据写入之后，下一行数据也不会立即进行写入，也会留下一段空白时间-此空白时间需依据所采
15、用的视频系统标准而定；2、由于信号的延时效应，需要提早发出关闭信号，是真正有效的充电时间缩短。,注:对像素电极的充、放电时间必须小于液晶屏的真正的充电时间！从而要保证TFT的漏-源极电流，故要保证Vgs的足够高！,电压范围,1、数据驱动IC电压范围,在TFT LCD 中灰度等级越高，需要数据控制IC的控制精确度越高。如6bit（64个灰度阶梯）驱动所需的最小灰阶控制电压约为30mv左右，而8bit(256个灰阶）驱动所需的最小灰阶控制电压约为8mv左右。这个最小电压与液晶的电压-透射率特性有直接的关系。,在实际的TFT LCD驱动上，为了达到极性反转（以液晶驱动需要5V为例），会把公共电极设定
16、在5V左右的电压。数据驱动部分若输出正极性的电压设定在5-10V，而输出为负极性的电压设定在0-5V，因此数据线上最大的充电电压范围为0-10V。这个电压范围会随所使用的液晶驱动电压而有所不同。如IPS（横向电场驱动）模式的液晶需要较大的电压，其数据线上的充电电压范围为0-14V。,2、公共电极电压范围,上面我们所介绍的是公共电极接到固定电位时，其电极电压值一般设定在数据线电压的对称中心。而在实际使用时，考虑到TFT的寄生电容对像素电压的影响，直流公共电极电压一般设定在4.8V左右（在数据线上的电压范围为0-10V变化时）。,液晶屏的公共电极的驱动方式只要有两种：（1）如上所述的是固定的；（2
17、）是变动的。,在公共电极接固定电位时，数据线上的电压变化范围较大，这样对数据驱动IC的选择与功率消耗的降低都是非常不利的。而采用“公共电极电压调变”的方式，就可以弥补上面的不足。,公共电极两种驱动方式的比较图：（下页）,公共电极的电压,正极性,负极性,公共电极的电压,正极性,负极性,公共电极接固定电压时：,公共电极接变动电压时：,在公共电极采用“电压调变”方式驱动时，其电压要求在高电位时，要比灰阶中的最大电压还要大，在低电位时，要比灰阶中的最小电压还要小才行。此方式的缺点：制作与电路的复杂度相对较高，成本也较高。,3、扫描驱动IC电压范围,在TFT打开的时间内，其漏源极应能够通过足够的电流给像
18、素电容充电，所以栅-源极电压要大于截止电压到一定程度，对于一般而言，栅-源极电压通常会设定到10V以上。,在充电过程时，源极电压Vs并不是定值，很有可能Vs与Vd都在接近10V的情况。从而会导致栅-源极电压Vgs小于10V的情况。,所以，Vg通常设定到20V以上。,为了关闭TFT，需使栅-源极电压小于TFT的截止电压。而公共电极在直流驱动时，Vs最低为0V；公共电极在为调变驱动时，Vs最低为-5V。所以，Vg电压要设定在-5V一下。,Vgh,Vgl:行驱动的开关电压,第三部分：TFT LCD驱动系统简介,扫描驱动部分,数据驱动电路时序控制电路,TFT LCD面板,r校正参考电压,时序控制电路,
19、公共电极参考电压,电压源转换电路,数据驱动板,扫描驱动板,.,.,电源,图像信号,注：虚线框内就是逻辑板所包含的内容！,TFT LCD驱动系统示意图,扫描驱动部分,扫描驱动电路的作用是决定扫描线开/关的状态，基本上属于数字型的电路，其框架如下：由移位寄存器（shift register）、逻辑运算器（logic）、电位转移器(level shifter)、数字缓冲放大器（digital buffer）组成。,扫描驱动电路子系统概观示意图,1、移位寄存器（shift register）,作用：将垂直方向扫描的同步信号（V sync）送入第一级移位寄存器，再利用垂直方向的时钟信号（V clock）
20、控制每一个移位寄存器输出状态的时间，即可循序地逐条输出是否要开启对应扫描线的逻辑状态。（移位寄存器可以设计成上下两个方向都可以扫描。其供电电压一般为3V或5V即可。）,移位寄存器输出、入波形示意图：,2、逻辑运算器（logic）,作用：主要是利用output enable信号来缩短扫描线充电时间，以避免信号延迟的影响。（一般有3V或5V电压即可。）,双脉冲扫描,逻辑运算电路波形示意图：,3、电位转移器(level shifter),作用：将3v/0v或5v/0v的低逻辑电压，转移到TFT栅极所需的 20V以上的高开电压与-5V一下的低关电压。,电位转移器输入、输出波形示意图：,4、数字缓冲放大
21、器（digital buffer）,作用：若以电位转移器的输出直接驱动扫描线，其驱动能力 可能不够，因此，加上数字缓冲放大器，目的是增加驱动能力。,数据驱动电路,数据驱动电路的复杂性比扫描电路要多得多。作用：是产生出显示图像所需的控制电压。,数字驱动电路的基本功能区块示意图：,数字驱动电路的动作示意图,数据驱动电路的动作方式：经由移位寄存器（S/R）的控制，以水平方向时钟（H clock）与水平方向扫描同步信号（H sync）来控制其动作时间，逐一开启以闭锁方式是想的第一组数据寄存器（lacth 1）将n-1条扫描线上的像素所要显示的数字化视频数据依序存储在其中，再将一整条扫描线上的像素所要显
22、示的数据，逐一地全部存储在lacth 1之后，配合下一个H snyc,将这些数据同时一起转存到lacth 2中。,在此同时，将这些数字信号利用数/模转换器（DAC）转换成对应的像素电压，在利用模拟缓冲放大器（buffer）放大其驱动能力，最终将此电压写到像素电极上。,再写入像素电压的同时，移位寄存器已经在下一个Hsnyc的启动下，进行第n条扫描线像素视频数据的存储了（由于第n条的数据更新是存储在lacth 1,而第n-1条的电压写入是对应到lacth 2，因此可以同时进行，这也是需要两个寄存器的原因。,1、移位寄存器,在此的移位寄存器与扫描驱动电路中所用的是相同，但是工作的频率会快上百倍。实际
23、频率：我们以6bit的LVDS信号(5组）、屏的物理分辨率1024*768*60Hz为例来估算。,每条线开启时间约为：1/60HZ/768=21.7(ms),扫描开启时间内5组要传送:1024*RGB*6bit=18432(bit),其中每一条线上要传送：18432bit/5=3686.4(bit),估计数据移位寄存器的工作频率约为：3686.4bit/21.7ms=170MHz,2、数据寄存器,这里存储的是数字数据。是使用两个反相器输出与输入互接形成的闭锁（lacth）来记忆。以6bit的1024*768屏为例：共需要6bit*1024*RGB*2组=36864（个）,3、电位转移器（lev
24、el shifter）,图中的L/S区块，表示的是电位转移器。作用就是将数据寄存器输出的低电位提升。如:将0V-5V提升为0V-14V。,4、数/模转换器（DAC）,在此，我们也可以将其称为“电压选择器”。如：电位转换器送出数字信号为100110时，DAC是输出端Vout便会连接到V38；若数字信号为010011时，Vout便会接到V19。如此，就可以将数字信号数据转换成用以驱动像素电极的模拟电压。,我们知道液晶驱动时需要极性反转，所以必须提供正负两个极性的电压，若极性反转的方式是帧反转或是行反转，由于同时间的驱动电压是同极性的，可以利用改变V0-V63的电压来改变电压极性。但若是采用列反转或
25、是点反转，由于同时间的驱动电压不是同极性的，因此需要两组电压选择器各由V0+-V63+和V0_-V63_来产生Vout+和Vout_。,改变参考电压源,两组参考电压源与电压选择器,TFT LCD的电压-透射率关系，会随着液晶模式的不同而改变。为了让驱动IC可以适用于液晶模式的显示器，将参考电压驱动IC的外部参数以产品来设定。若是以这样的做法，参考电压的数目，会随着显示灰阶的增加而增加。以6bit反转型显示器为例：所需的电压包括正负极性会有128组。为了兼顾驱动IC的通用性与合理的参考电压数目，会将大范围的参考电压由外部设定，而将较细部电压放在驱动IC内部产生。,利用电阻分压来产生所需要的像素驱
26、动电压：,什么是曲线？,人眼在比较黑暗的环境下，对亮度变化的敏感程度会比在光亮的环境下高出许多。经过现代的有关视觉的一些实验，得知人眼的感觉与亮度之间的关系公式，大脑的感觉可近似于与亮度的（1/）次方成正比。以数学式表示大脑的感觉（X)与亮度(Y)之间的关系：Y=A*X（）-“曲线”。,为什么做校正？,一般而言，TFT LCD中使用的背光源亮度是一定的，而大脑的感觉反映在曲线上，所以通过上面的讨论我们可以说：在TFT LCD中的曲线校正的意义：是配合液晶的特性来调整DAC参考电压的设定，使视频数据更能符合大脑感觉的需求。,（1）Vref:基准参考电压,实例：校正电压的产生,为基准参考电压供给电
27、源,（1）Vref:基准参考电压,基准电压2.5V,VDA,R46382.5K,R46410.2K,R4652.55K,+,-,Vref,KL431内部框图,等效电路,Vref=(R464+R465)基准电压（2.5V）R465=12.75K2.5V2.55K=52.5v=12.5v,（2）GM1,GM2GMn:gama电压,去屏接口,Gama电压滤波,（2）GM1,GM2GMn:gama电压,数据IC就以此电压作为DAC转换的参考电压,5、模拟缓冲放大器（analog buffer）,作用：增加驱动能力。一般采用运算放大器。,时序控制电路,基本功能：是提供扫描驱动电路子系统、数据驱动电路子系统中所需要的时序控制信号，以及所要显示的视频数据信号。除此之外，利用数字信号处理技术时序控制电路还可以包括一些附加功能：如信号传输形式的转换（LVDS变成RSDS信号）、信号格式的变换（将1024*768转换成屏所需的800*600的格式）。,Thanks,
