LCD面板驱动介绍.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,TFT-LCD,面板驱动介绍,1,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,2,3,（,1,）,上偏光板【,CF side Polarizer,】,（,2,）,彩色濾光片【,Color Filter,】,（,3,）,配向膜【,Alignment layer or PI,（,Polyimine,）】,（,7,）,下偏光板【,TFT side Polarizer,】,（,4,）,間隙子【,Spacer,】,（,5,）,液晶【,LC,（,Liquid Crystal,）】,（,6,）,Array,基板【,TFT substrate,】,（,9,）,框膠【,Sealant,】,（,8,）,銀膠,or,銀點【,Ag Paste,】,（,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,4,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,）。,5,2,、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。,6,3,、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,7,4,、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。,8,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,9,5,、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，电压的控制也要愈精确。,10,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。,11,2,、,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),。,I,ds/A,Vgs/V,TFT,的电流,电压特性曲线图,注：,TFT,与,MONFET,的区别略！,12,TFT,基板,TFT LCD,基板架构示意图,显示器的画面是由像素所组成，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”。,Source,線,G,D,S,Gate,線,C,st,C,LC,Com,V,g,V,s,C,gs,数据线,扫描线,像素,像元,公共电极,一个像元的等效电路图,13,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，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,14,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,15,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,TFT,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,16,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,。）,17,2,、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,、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。,18,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。,19,3,、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,20,4,、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。,21,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。,掃描線,信號線,R,ON,R,OFF,液晶,保持電容,G,D,S,放电,：为负值、为固定值,22,“,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。,Source,線,G,D,S,Gate,線,C,st,C,LC,Com,V,g,V,s,C,gs,充电：,为正值、为固定值,23,2,、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！,24,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,。,25,2,、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,）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）,26,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。,27,3,、扫描驱动,IC,电压范围,Source,線,G,D,S,Gate,線,C,st,C,LC,Com,V,g,V,s,C,gs,在,TFT,打开的时间内，其漏源极应能够通过足够的电流给像素电容充电，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。,28,Vgh,Vgl:,行驱动的开关电压,29,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,30,TFT LCD,面板,r,校正参考电压,时序,控制电路,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,31,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。,32,扫描驱动电路子系统概观示意图,33,1,、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,）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：,34,2,、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：,35,3,、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。,36,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：,37,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。,38,1,、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）,39,3,、电位转移器（,level 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。,40,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,41,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动电压：,42,什么是,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。,43,（,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源,44,（,1,）,Vref:,基准参考电压,基准电压,2.5V,VDA,R463,82.5K,R464,10.2K,R465,2.55K,+,-,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,45,（,2,）,GM1,GM2GMn:gama,电压,46,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,47,5,、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）,。,48,Thanks,49,