pp液晶顯示和驅(qū)動原理綜述

pp液晶顯示和驅(qū)動原理綜述

自19世紀(jì)末發(fā)明crt（布勞恩管理）以來，它一直在變化到20世紀(jì)。隨著電視廣播媒體和計算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，多媒體設(shè)備取得了很大進(jìn)步。而TFT液晶顯示器因其體積小、重量輕、功耗小、無輻射、易驅(qū)動和工作壽命長等優(yōu)點(diǎn),已逐步代替了計算機(jī)CRT顯示器,并向大屏幕發(fā)展,進(jìn)入TV領(lǐng)域,現(xiàn)已形成了一個龐大的顯示器件產(chǎn)業(yè)。我國開始液晶顯示器件研究及應(yīng)用的時間相對發(fā)達(dá)國家較短。目前,國內(nèi)(除臺灣)還沒有生產(chǎn)TFT型液晶顯示器件的公司,許多單位對TFT-LCD還比較陌生,系統(tǒng)地介紹液晶顯示器件工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、應(yīng)用技術(shù)的書籍和專著,可以說少的可憐,無法滿足國內(nèi)專業(yè)技術(shù)人員的餓需要,亦與國內(nèi)對液晶顯示器件的需求量不能適應(yīng)。為了滿足國內(nèi)對液晶顯示器件應(yīng)用技術(shù)的迫切需要,也為了推動我國液晶顯示器件技術(shù)的進(jìn)步,我通過收集有關(guān)資料,歸納整理和進(jìn)行實驗,總結(jié)幾年從事液晶顯示器制造的體會,編寫了全文。1主要知識和內(nèi)部材料1.1海水淡化技術(shù)的分類在自然界中,大部分材料隨溫度的變化只呈現(xiàn)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)。液晶(liquidcrystal)是不同于通常的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的一種新的物質(zhì)狀態(tài),它是能在某個溫度范圍內(nèi)兼有液體和晶體兩者特性的物質(zhì)狀態(tài),也叫做液晶相或中介相,故又稱為物質(zhì)的第四態(tài)。液晶最早是奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾(F.Reinitzer)于1888年發(fā)現(xiàn)的。液晶是一種介于固體和液體之間、具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物,一般最常用的液晶為向列相(Nematic)液晶,分子形狀為細(xì)長棒形,長寬約為1～～l0nm,在不同電流電場作用下,液晶分子會做規(guī)則旋轉(zhuǎn)90°排列,產(chǎn)生透光度差別,如此在電源接通與斷開(ON/OFF)時產(chǎn)生明暗的區(qū)別,依此原理控制每個像素,便可構(gòu)成所需圖像。液晶種類很多,自然界存在的或人工合成的液晶多達(dá)數(shù)千種,但從成分和出現(xiàn)的液晶相的物理條件來看,歸納分類,液晶可以分為熱致液晶和溶致液晶兩大類。把某些有機(jī)物加熱溶解,由于加熱破壞了結(jié)晶晶格而形成的液晶稱為熱致液晶,就是由于溫度的變化而出現(xiàn)的液晶;把某些有機(jī)物放在一定的溶劑中,由于溶劑破壞結(jié)晶晶格而形成的液晶稱為溶致液晶,它是由于液晶濃度發(fā)生變化而出現(xiàn)的液晶相,如小孩玩耍吹在空氣中的肥皂水氣泡,是最常見的溶致液晶示例。目前用于顯示的液晶材料基本上都是熱致液晶。1.2海水淡化特性液晶是桿型分子、盤型分子等不具有球?qū)ΨQ性的分子組成的部分有序物質(zhì)。它不同于分子排列完全混亂的各向同性液體,也有別于分子排列完全有序的晶體。這種介于晶體與液體之間的分子排列以及分子本身的特殊形狀與性質(zhì),導(dǎo)致了液晶呈現(xiàn)出液體與晶體的特性,甚至更加復(fù)雜的特性。一方面,液晶具有流體的流動特性;另一方面,液晶又呈現(xiàn)出晶體的空間各向異性,包括介電特性、磁極化、光折射率等的空間各向異性。液晶分子的部分有序排列還使得液晶具有類似晶體的能承受擾亂這種秩序的切變應(yīng)力。也就是說,液晶具有切變彈性模量。在實際應(yīng)用中,液晶的流動性、介電和光學(xué)性能的各向異性以及液晶的彈性,都是很重要的,他們可控制液晶顯示的參數(shù)。液晶材料有許多技術(shù)參數(shù),包括光學(xué)參數(shù)、和物性參數(shù),主要有介電各向異性△ε、雙折射率△n、體積粘度n、彈性常數(shù)K、相變溫度Tm,Tc和液晶電阻率p等。2深晶圓片式海水淡化技術(shù)TFT液晶是電壓控制型液晶,液晶的亮度對應(yīng)于外加電壓的大小。液晶顯示板的結(jié)構(gòu)見圖3。圖3(b)中,它由兩塊平行的玻璃基板夾于其間的一層晶軸連續(xù)轉(zhuǎn)向90度的液晶層組成。玻璃基板的外側(cè)處理成偏振方向互相正交的偏光鏡層。當(dāng)入射光從偏光板的一側(cè)入射時,光線就成為偏振光,光軸與偏振鏡的軸向一致。偏振光進(jìn)入液晶層后,由于液晶的排列方式使射出的液晶層的偏振光光軸已發(fā)生90度的旋轉(zhuǎn)。與上板偏振光軸向一致,光線得以通過,呈亮點(diǎn)。再看圖3(a),當(dāng)給上下玻璃板加電壓時,液晶分子排列與電場方向一致,旋光特性消失。出射光線的偏振軸方向就與上偏振鏡的光軸正交,光線被阻擋,呈暗點(diǎn)。由此可見,通過控制外加電壓可以控制液晶光點(diǎn)的強(qiáng)弱。TFT型液晶顯示技術(shù)采用了“主動式矩陣”的方式來驅(qū)動。方法是利用薄膜技術(shù)所做成的點(diǎn)晶體電極,利用掃描的方法“主動地“控制任意一個顯示點(diǎn)的亮與暗。光源照射時先通過下偏光片向上透出,借助液晶分子傳導(dǎo)光線。電極導(dǎo)通時,液晶分子就像TN(扭曲)型液晶的排列狀態(tài)一樣會發(fā)生改變,也通過遮光和透光來達(dá)到顯示的目的。聽起來這和TN型液晶的顯示原理差不多,但不同的是,由于場效應(yīng)晶體管具有電容效應(yīng),能夠保持電位狀態(tài),已經(jīng)透光的液晶分子會一直保持這種狀態(tài),直到場效應(yīng)管(FET)電極下一次再加電改變其排列方式為止。而TN型液晶分子一旦沒有加以電場,立刻就返回原來的狀態(tài),這就是TFT型液晶和TN型顯示原理的最大不同。3t結(jié)構(gòu)與驅(qū)動方式3.1薄膜晶片制作TFT液晶的結(jié)構(gòu)見圖4,這是一種非晶硅一薄膜晶體管類型的三端有源矩陣液晶顯示器件。它制作容易,基本玻璃成本低導(dǎo)通比大,可靠性高,容易大面積化。該器件是在兩片玻璃基板之間封入液晶,上玻璃基板是一塊透明公共電極,下玻璃基板要配備上掃描線和尋址線(即行、列線),將其組合成一個矩陣,在其交點(diǎn)上制作薄膜晶體管TFT(ThinFilmTransistor)配置的像素點(diǎn)陣與對應(yīng)的門線和驅(qū)動線兩種電極。門線與TFT晶體管的柵極連接,驅(qū)動器和漏極連接,晶體管的源極與像素電極連接。像素電極與公共電極之間的電壓可控制液晶點(diǎn)的亮度。3.2點(diǎn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動方式tgTFT液晶采用一種稱為點(diǎn)反轉(zhuǎn)的驅(qū)動方式,這可用圖5加以說明:門線與水平方向像素點(diǎn)相通,接對應(yīng)的掃描信號。從頭開始依次在掃描對應(yīng)的時間上,加上門電壓VG。驅(qū)動線與垂直方向像素點(diǎn)相通,接對應(yīng)的數(shù)據(jù)電壓。門線上不同的電平可以對應(yīng)不同的灰度層次。點(diǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動方式中相鄰的驅(qū)動線上的電壓極性是相反的,在一幀掃描期間極性會常常相反,體現(xiàn)交變變化。當(dāng)像素的門線被選中時,驅(qū)動線上的數(shù)據(jù)電壓就加到源極的像素點(diǎn)和保持電容上,一直要到第二幀此點(diǎn)被再次改變電壓。由于保持時間長,使亮度、對比度和響應(yīng)時間等特性都有提高。4器件的驅(qū)動方式液晶顯示器件種類繁多,驅(qū)動方式也各不相同,但是無論哪種類型的器件,不論使用何種驅(qū)動方式,都是以調(diào)整加到像素上的電壓、相位、頻率、峰值、有效值、時序和占空比一系列參數(shù)來建立起一定的驅(qū)動條件進(jìn)而實現(xiàn)顯示的。這里介紹彩色有源矩陣驅(qū)動法。4.1tf型薄膜場驅(qū)動過程由于在有源矩陣液晶顯示器每個像素點(diǎn)上都制作了一套有源器件,所以外施電壓首先是加在薄膜場效應(yīng)晶體管TFT等器件構(gòu)成的有源電路上,對這種器件的驅(qū)動實際上是對每個像素點(diǎn)上的有源器件的驅(qū)動,再間接對像素電極提供驅(qū)動電壓信號。現(xiàn)介紹三端有源器件TFT的驅(qū)動法。圖6為典型TFT型液晶顯示器件的電路原理圖,圖中,S為源極(選擇數(shù)據(jù)信號輸入端);G為柵極(掃描輸入端),D為漏極(場效應(yīng)晶體管輸出端);Cs為補(bǔ)償電容。圖7給出了單個帶TFT像素構(gòu)成的一個a-SiTFT顯示單元的等效電路圖。其源一漏之間電阻滿足:Ron<1.47x106Ω;Roff>3.3x1011Ω時,液晶層的電阻RLC～106Ω,當(dāng)TFT處于導(dǎo)通狀態(tài)ON時,在液晶層的兩端就可以施加一個驅(qū)動電壓。圖8為TFT的特性曲線。圖6圖7圖8,可將TFT有源矩陣液晶顯示驅(qū)動過程描述如下:圖6TFT型液晶顯示器件工作原理圖圖7一個a-SiTFT顯示單元的等效電路a)漏極電壓與漏極電流的關(guān)系b)漏極電流與柵極電壓的關(guān)系當(dāng)柵極G與源極S未被選通時,薄膜場效應(yīng)管TFT處于截止?fàn)顟B(tài),此時Roff值達(dá)3.3x1011Ω,近似斷路,故液晶像素上不能施加電壓,不能顯示。當(dāng)掃描線柵極G被選通,尋址線源極S也被同步選通時,薄膜場效應(yīng)晶體管TFT被打開。此時Ron僅1.4x106Ω左右,顯示像素被信號寫入,寫入的信息電壓由于補(bǔ)償電容Cs和像素本身電容RLC的作用,在撤消寫入后會自行保持一段時間。我們可以設(shè)定,使其保持半幀。下半幀時,改變一下寫入極性,即可以保證液晶處于交流驅(qū)動狀態(tài)。圖9為TFT驅(qū)動時序和波形圖。圖中,Vg為柵極掃描信號;Vid為源極數(shù)據(jù)尋址信號;Vic為圖像信號的中心電位;T0為數(shù)據(jù)信號周期;T1為選通時間;T2為非選通時間。從圖中可以看出,外電路不能直接將電壓施加在液晶像素上,施加在像素上的電壓決定于TFT薄膜場效應(yīng)管的特性。當(dāng)薄膜場效應(yīng)管通、斷的等效電阻比達(dá)到106Ω以上時,則可以滿足液晶像素對通斷比的要求。薄膜場效應(yīng)晶體管TFT是這樣工作的,當(dāng)TFT柵極G掃描被選通時,Vg被接入一個正高壓脈沖,此時同步輸入選址的源極信號是一個圍繞一個中心值Vic的永遠(yuǎn)低于Vg選通脈沖幅值的選址數(shù)據(jù)電壓Vid,TFT薄膜場效應(yīng)晶體管被打開。從源極到接通液晶像素的漏極之間呈一通路,電壓被加到液晶像素電極和補(bǔ)償電容電極上。這時,即使施加電場撤掉,由于電容作用,其像素上施加的電壓也將保持相當(dāng)時間,直至下次選通的到來。若設(shè)置的電容值使其像素選通達(dá)半幀時間,同時使下半幀尋址信號以Vic進(jìn)行反相,則可以實現(xiàn):1)圖9所示,使加在像素上的驅(qū)動波呈交流狀態(tài)。2)驅(qū)動路數(shù)與TFT薄膜場效應(yīng)晶體管特性有關(guān),而與液晶電光響應(yīng)特性無關(guān)。這徹底解決了液晶多路驅(qū)動難的問題。3)從圖9的波形還可以看出,這種驅(qū)動方式?jīng)]有半選通波形,因此也就沒有交叉效應(yīng),以及對比度下降等缺陷。4)此外,這種驅(qū)動也不受液晶電光響應(yīng)速度的影響,可以顯示視頻活動圖像,沒有閃爍也沒有拖尾。綜上,我們可以得到這樣的結(jié)論:所謂有源矩陣驅(qū)動法,實際就是在矩陣像素上制作一個具有開關(guān)特性或非線性特性的器件,然后通過適當(dāng)?shù)倪x通信號,利用其開關(guān)或非線性特性對像素施加驅(qū)動波形,以避免直接驅(qū)動法因半選通造成的交叉效應(yīng)及顯示不清楚等不足。5屏幕驅(qū)動程序5.1并/串變換電路如下圖10是分辨綠1024x768XGA格式,262144色(RGB各6bit)的TFT液晶能夠顯示系統(tǒng)原理框圖。在TFT液晶里,對應(yīng)色數(shù)的bit數(shù)據(jù)分成每個像素傳送,并在液晶模塊里變換成層次電壓。電腦和液晶模塊點(diǎn)的接口信號則為高速傳送,并采用低噪聲的低電壓差分信號LVDS(LowVoltageDifferentialSignaling)。如圖11是LVDS發(fā)送和接收電路組成的構(gòu)成。LVDS的圖像數(shù)據(jù)可對應(yīng)到24bit(RGB各8bit),發(fā)送端數(shù)據(jù)和垂直同步等控制信號用并/串變換電路變換成頻率值7倍的串行信號,4對數(shù)據(jù)比特和1對時鐘變換后傳送。接收端進(jìn)行串/并變換,恢復(fù)出原始信號。這種信號差動電壓的信號電平振幅200mV,幅度低對EMI有利。另外,在差動傳送方式中除用了LVDS外,還有最小化差分信號傳送TMDS(TransitionMinimizedDifferentialSignaling)和十億比特視頻接口GVIF(GlgaBitVideoInterface)等實用技術(shù)。各種方式表示數(shù)據(jù)和同步信號串行化的配線根數(shù)都有削減,也以降低振幅差動信號方式傳送。串行化的比例LVDS為7倍,TMDS為10倍,信號的直流平衡、變化點(diǎn)數(shù)的最小化能力也各有不同。這樣,從圖像控制輸出的垂直同步信號VSYNC,水平同步信號HSYNC,有效指示信號DTMG,數(shù)據(jù)信號,點(diǎn)時鐘DCLK,都用LVDS變換成差動信號。在液晶模塊里,以LVDS方式接收,并把CMOS電平變換成小振幅差動值,輸入TFT定時變換電路,生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動和掃描驅(qū)動信號。5.2系統(tǒng)的驅(qū)動模塊如圖12所示,由四大電路模塊AC/DCConverter模塊、GammaGeneration模塊、Control模塊和VcomGeneration模塊來完成對TFT-LCDPanel的柵極驅(qū)動器和數(shù)據(jù)驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動的。5.3c—電壓簡述TFT液晶是從電腦主機(jī)取得單電源電壓,經(jīng)AC—DC變換生成液晶驅(qū)動需要的各種電壓。另外,因TFT液晶要用灰度層次電壓,數(shù)據(jù)驅(qū)動的DAC電路里用的基準(zhǔn)電壓也要靠電阻分壓取得。6tf-高效技術(shù)T