液晶显示器件驱动基础.ppt

液晶显示模块的基本结构,液晶显示模块（LCM）是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB、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ITO导电的玻璃基板、液晶、偏振片。连接件：导电橡胶、热压导电胶带、TAB。集成电路：控制器、行和列驱动器等。PCB：电源、控制器、行和列驱动器等的连接电路。背光源：LED、CCFL、EL。结构件：将上面各部件装配在一起的结构件。,液晶显示器件驱动基础,LCD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。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可见的光信号。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。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。研究表明，长期应用条件下，电信号的直流分量应小于50mV。设计者需要具有模拟电路、数字电路和单片机的基本知识。,典型液晶显示器件写入机理,典型液晶显示器件写入机理,典型液晶显示器件写入机理,典型液晶显示器件写入机理,典型液晶显示器件写入机理,LCD驱动方式,直接驱动法(Direction Addressing)静态驱动法(Static Addressing)多工驱动法(Multiplex Addressing)有源矩阵驱动法(Active Addressing),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。,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，不施加电压时则呈非显示状态。,静态驱动法,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。每段的背电极BP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BP上，而段电极的脉冲信号由显示选择信号A与时序脉冲通过逻辑异或产生；A=“0”时，段电极信号与BP信号同相，该像素上电场为零；A=“1”时，段电极信号与BP信号反相，该像素上建立了交流电场，从而实现了显示；适当调整脉冲电压，可改变对比度。,静态驱动法,静态驱动法,静态驱动法,棒状模拟显示静态驱动法,动态驱动法,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，把纵向一组显示像素的段电极都连接起来一起引出，称之为信号电极。驱动方式上则采用类似于CRT的扫描方法。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。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驱动信号，从而实现该行所有显示像素的显示。这种扫描驱动方式就是动态驱动法。,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。,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”,平均电压法,平均电压法,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（Bias）,显示亮度,平均电压法驱动工作电压范围,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N1行时间内施加电压为，所以作为全选择点的均方电压为,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,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之间的关系。,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,最佳偏压法,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,最佳偏压法,我们把这个比值称为优值。显然，优值与驱动路数关系密切，下图为优值与驱动路数N之间的关系曲线,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。,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。,最佳偏压法,为此，又引进阈值陡度P:,P=Vsa/Vth,由前面的公式可以求出最大驱动路数Nmax与陡度P的关系,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。,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。,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。,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、列驱动电压实现平衡。,灰度显示法,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。,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 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；增加驱动、控制电路数量。,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变得慢。,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。,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,分割矩阵法,多重矩阵法,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,线反转技术,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,双频驱动法,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,介电常数和,提高大容量液晶显示器件图象质量的方法,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。,有源矩阵驱动法,关断时,导通时,有源矩阵驱动法,归纳起来场效应管的工作特性如下：属于电压控制型；源极S和漏极D特性一样，功能可以互换，源极S和漏极D之间电流方向随它们之间电场方向的变化而变化。源极和漏极是在应用电路中被定义的，一般将输入信号端称为源极S，将输出信号端称为漏极D。在TFT液晶显示器中，一般将接数据驱动器端称源极S，接像素端称漏极D。导通电阻Ron和关断电阻Roff：导通电阻Ron为源极S和漏极D之间导通时的电阻，它随栅极电压的增加而减小；关断电阻Roff为栅极G和源极S(或漏极)之间的电阻，具有非常大的阻值，在107以上。,有源矩阵驱动法,TFT工作原理,S源极(数据信号输入端)G栅极(扫描信号输入端)P漏极(场效应管输出端)C补偿电容,单个TFT像素的等效电路,源-漏之间电阻满足：Ron3.31011时，RLC106,当TFT处于开态ON时，在液晶层两端就可以施加上一个驱动电压,有源矩阵驱动法,典型的-SiTFT的特性曲线,有源矩阵驱动法,TFT驱动时序波形图,VG栅极扫描信号VLD源极数据寻址信号Vc图象信号的中心电位T0数据信号周期T1选通时间T2非选通时间,场效应管TFT是这样工作的，当TFT栅极G扫描被选通时，VG被接入一个正高压脉冲，此时同步输人选址的源极信号是一个围绕一个中心值Vc的永远低于VG选通脉冲幅值的选址数据电压VLD,TFT场效应管被打开。从源极到接通液晶像素的漏极之间呈一通路，电压被加到液晶像素电极和补偿电容电极上。,有源矩阵驱动法,这时，即使施加电场撤掉，由于电容作用，其像素上施加的电压也将保持相当时间.直至下次选通的到来。若设置的电容值使其像素选通达半帧时间，同时使下半帧寻址信号以Vc进行反相，则可以实现:,(1)使加在像素上的驱动波形呈交流态。(2)驱动路数与TFT晶体管特性有关，而与液晶电光响应特性无关。这将彻底解决了液晶多路驱动的难题。(3)从图中还可看出，这种驱动方式没有半选通波形，因此也就没有交叉效应以及对比度下降等缺陷。(4)此外，这种驱动也不受液晶电光响应速度的影响，可以显示视频活动图像，没有闪烁也没有拖尾。,彩色液晶显示器件的驱动,