1、TFT LCD 顯示原理詳解什么是液晶我們一般認(rèn)為物體有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，其實(shí)這只是針對水而言，有一些 有機(jī)化和物 還有介于固態(tài)和液態(tài)中間的狀態(tài)就是液晶態(tài)，如下圖（一）:圖（一）TFT LCD 顯示原理a:背景兩塊偏光的柵欄角度相互垂直時(shí)光線就完全無法通過，圖（六）是用偏光太陽鏡做的測試。圖（六）b:TFT LCD 顯示原理液晶顯示器就是利用偏光板這個特性來完成的，利用上下兩片柵欄之間互垂直的偏光板之間充滿了液晶，在利用 電場控制液晶分支的旋轉(zhuǎn)，來改變光的行進(jìn)方向，如此一來，不同的電場大小，就會形成不同顏色度了，如圖（七）。-IF圖（七）b-1:當(dāng)在不加上電極 的時(shí)候，當(dāng)入射的光線經(jīng)過下

2、面的偏光板（起偏器）時(shí),會剩下單方向的光波，通過液晶分子時(shí)，由于液晶分子總共旋轉(zhuǎn)了 90 度,所以當(dāng)光波到達(dá)上層偏光板時(shí)，光波的極化方向恰好轉(zhuǎn)了 90 度。下層的偏光板與上層偏光板，角度也是恰好差異 90 度。所以光線便可以順利的通過，如果光打在紅色的濾光片上就顯示為紅色。效果如圖（七）中前兩個圖所示。b-2:當(dāng)在加上電極后（最大電極），液晶分子在受到電場的影響下，都站立著，光路沒有改變，光就無法通過上偏光板，也就無法 顯示，如圖（七）藍(lán)色濾光片下面的液晶。c:TFT-LCD 驅(qū)動電路。為了顯示任意圖形，TFT-LCD 用 mXn 點(diǎn)排列的逐行掃描矩陣顯示。在設(shè)計(jì)驅(qū)動電路時(shí)，首先要考慮液晶電解

3、會使液晶材料 變質(zhì)，為確保壽命一般都采用交流驅(qū)動方式。已經(jīng)形成的驅(qū)動方式有：電壓選擇方式、斜坡方式、DAC 方式和模擬方式等。由于 TFT-LCD 主要用于筆記本計(jì)算機(jī)，所以驅(qū)動電路大致分成：信號控制電路、電源電路、灰度電壓電路、公用電極驅(qū)動電路、 數(shù)據(jù)線驅(qū)動電路和尋址線驅(qū)動電路（柵極驅(qū)動IC）。上述驅(qū)動電路的主要功能是：信號控制電路將數(shù)字信號、控制信號以及時(shí)鐘信號供給數(shù)字 IC，并把控制信號和時(shí)鐘信號供給柵極驅(qū)動IC;電源電路將需要的電源電壓供給數(shù)字IC 和柵極驅(qū)動 IC;灰度電壓電路將數(shù)字驅(qū)動電路產(chǎn)生的 10 個灰度電壓各自供給數(shù)據(jù)驅(qū)動； 公用電極驅(qū)動電路將公用電壓供給相對于象素電極的共享

4、電 極；數(shù)據(jù)線驅(qū)動電路將信號控制電路送來的RGB 信號的各 6 個比特顯示數(shù)據(jù)以及時(shí)鐘信號，定時(shí)順序鎖存并續(xù)進(jìn)內(nèi)部，然后此顯示數(shù)據(jù)以 6 比特 DA 變換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，再由輸出電路變換成阻抗，供給液晶屏的資料線；柵極驅(qū)動電路將信號控制電 路送來的時(shí)鐘信號，通過移位寄存器轉(zhuǎn)換動作，將輸出電路切換成ON /OFF 電壓，并順次加到液晶屏上。最后，將驅(qū)動電路裝配在 TAB （自動焊接柔性線路板）上，用 ACF （各向異性導(dǎo)電膠膜）、TCP （驅(qū)動電路柔性引帶）與液晶顯示屏相連接。d:TFT-LCD 工作原理首先介紹顯示原理。液晶顯示的原理基于液晶的透光率隨其所施電壓大小而變化的特性。當(dāng)光通過上偏

5、振片后，變成線性偏 振光，偏振方向與偏振片振動方向一致，與上下玻璃基板上面液晶分子排列順序一致。當(dāng)光通過液晶層時(shí)，由于受液晶折射， 線性偏振光被分解為兩束光。又由于這兩束光傳播速度不同（相位相同），因而當(dāng)兩束光合成后，必然使振光的振動方向發(fā)生 變化。通過液晶層的光，則被逐漸扭曲。當(dāng)光達(dá)到下偏振片時(shí)，其光軸振動方向被扭曲了90 度，且與下偏振片的振動方向保持一致。這樣，光線通過下偏振片形成亮場。加上電壓以后，液晶在電場作用下取向，扭曲消失。這時(shí)，通過上偏振片的線性偏 振光，在液晶層不再旋轉(zhuǎn)，無法通過下偏振片而形成暗場。可見液晶本身不發(fā)光，在外光源的調(diào)制下，才能顯示，在整個顯示 過程中，液晶起到一

6、個電壓控制的光閥作用。TFT-LCD 的工作原理則可簡述為：當(dāng)柵極正向電壓大于施加電壓時(shí)，漏源電極導(dǎo)通，當(dāng)柵極正向電壓等于 0 或負(fù)電壓時(shí)，漏源電極斷開。漏電極與ITO 象素電極連結(jié)，源電極與源線（列電極）連結(jié)，柵極與柵線（行電極）連結(jié)。這就是 TFT-LCD 的簡單工作原理 IIc-1 :所謂的 NW(Normally white)NW 指當(dāng)我們對液晶面板不施加電壓時(shí)，我們所看到的面板是亮的畫面，所以才叫做 normally white。另外一種，當(dāng)對液晶面板c-2:為什么要有這兩種結(jié)構(gòu)?反過來,NB 的應(yīng)用環(huán)境大多是屬于顯示屏為黑底的應(yīng)用了a:lcd 切面的結(jié)構(gòu):c:常用的液晶結(jié)構(gòu)不施加電

7、壓時(shí)，面板無法透光 ,看起來是黑色的，就稱之為 NB（Normally black）主要是為了不同的應(yīng)用環(huán)境一般桌上型計(jì)算機(jī)或是筆記型計(jì)算機(jī)，大多為 NW 的配置，那是因?yàn)橐话阌?jì)算機(jī)軟件的使用環(huán)境你會發(fā)現(xiàn)整個屏幕大多是亮點(diǎn),也就是說計(jì)算機(jī)軟件多為白底黑字的應(yīng)用。既然亮著的點(diǎn)占大多數(shù)，使用 NW 當(dāng)然比較方便，也因?yàn)?NW 的亮點(diǎn)不需要加電壓,平均起來也會比較省電圖（八）b:作用原理CLC（capacitor of liquid crystal）.它的大小約為 0.1pF,但是實(shí)際應(yīng)用上，這個電容并無法將電壓保持到下一次再更新畫面數(shù)據(jù)的時(shí)候.也就是說當(dāng) TFT 對這個電容充好電時(shí)，它并無法將電壓

8、保持住，直到下一次 TFT 再對此點(diǎn)充電的時(shí)候.（以一般 60Hz 的畫面更新頻率，需要保持約 16ms 的時(shí)間.）這樣一來，電壓有了變化，所顯示的灰階就會不正確.因此一般在面板的設(shè)計(jì)上,會再加一個儲存電容 CS（storage capacitor 大約為 0.5pF）,以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時(shí)候.不過正確的來說，長在玻璃上的 TFT 本身，只是一個使用晶體管制作的開關(guān).它主要的工作是決定 LCD source driver上的電壓是不是要充到這個點(diǎn)來.至于這個點(diǎn)要充到多高的電壓，以便顯示出怎樣的灰階.都是由外面的 LCD source driver來決定的.c:框膠與 s

9、pacer :框膠與 spacer 兩種結(jié)構(gòu)成分.其中框膠的用途，就是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃，能夠緊密黏住，并且提供面板中的液晶分子與外界的阻隔，所以框膠正如其名，是圍繞于面板四周，將液晶分子框限于面板之內(nèi).而 spacer 主要是提供上下兩層玻璃的支spacerTFT_LCD（薄膜晶體管液晶顯示器），液晶顯示器需要 電壓控制來產(chǎn)生灰階.TFT 利用薄膜晶體管來產(chǎn)生電壓，以控制液晶轉(zhuǎn)向的顯示器。從圖（八）的切面結(jié)構(gòu)圖來看，在上下兩層玻璃間夾著液晶，便會形成平行板電容器,我們稱之為撐,它必須均勻的分布在玻璃基板上,不然一但分布不均造成部分 spacer 聚集在一起，反而會阻礙光線通過,也無

10、法維持上下兩 片玻璃的適當(dāng)間隙（gap）,會成電場分布不均的現(xiàn)象，進(jìn)而影響液晶的灰階表現(xiàn).放大鏡下的液晶圖（九）a:每個像素點(diǎn)的結(jié)構(gòu)放大鏡下面的液晶面板如圖（九）中所顯示的樣子.每一份像素點(diǎn)由”紅色，”藍(lán)色,綠色三個子基色構(gòu)成（這就是所謂的三原色.也就是說利用這三種顏色）。我們把RGB 三種顏色，分成獨(dú)立的三個點(diǎn)，各自擁有不同的灰階變化，然后把鄰近的三個 RGB顯示的點(diǎn)，當(dāng)作一個顯示的基本單位，也就是 pixel.那這一個 pixel,就可以擁有不同的色彩變化了.（然后對于一個需要分辨率為1024*768 的顯示畫面，我們只要讓這個平面顯示器的組成有1024*768 個 pixel,）便可以正

11、確的顯示這一個畫面 .b :開口率液晶顯示器中有一個很重要的參數(shù)就是亮度，而決定亮度最重要的因素就是開口率。開口率就是光線能透過的有效區(qū)域比例。每 一個 RGB的點(diǎn)之間的黑色部分，就叫做 Black matrix.我們回過頭來看圖（九）就可以發(fā)現(xiàn)，black matrix 主要是用來遮住不打算 透光的部分.比如像是一些 ITO 的走線，或是 Cr/AI 的走線，或者是 TFT 的部分.這也就是為什么我們在圖（九）中，每一個 RGB 的 亮點(diǎn)看起來，并不是矩形，在其左上角也有一塊被 black matrix 遮住的部分，這一塊黑色缺角的部份就是TFT 的所在位置.常見的濾光片排列像素 a :像素

12、原理液晶面板上每個像素都分成紅、綠、藍(lán)三種顏色，RGB 就是所謂的三原色，利用這三種顏色可以混合出各種不同的顏色，我們把 RGB 三種顏色分成獨(dú)立的三個點(diǎn)，各自擁有不同的灰階變化，然后把鄰近的三個RGB 顯示的點(diǎn)當(dāng)作一個顯示的基本單元,就是像素，這個像素就可以擁有不同的色彩變化了。b :顏色深度對CbitH示器而言，共可以蕭示?x 2 x 2f= 262444對Rbit顧示器而言，共可以顯示2Kx 2吹2ft= 16.777,216no rmal Color256 Color 8(R) *8 ( G) *4 (B) =256 ColorHigh Color65536Coloe32(R) *64

13、 ( G) *32 ( B) =65536 ColorFull Color64 (R) *64 (G) *64 (B) =262144 ColorTrue Color256 ( R) *256 (G) *256 (B) =16777216 ColorLCD 內(nèi)部電路a:結(jié)構(gòu)圖U時(shí)序控制器2.柵那劫器3.源騾動器4.rcat/ fLifc轉(zhuǎn)換骼&FCB N顔色深度顔色深度(Color數(shù)目Gray Scale 0&16depth):LCD 可顯示的顔色2432404HRedGreenBlueWhite7逆變器接口圖（十二）Block Diagram of LCD Driving冃S

14、ource Driwr ICBJCklight LampLCD Modul* ln；vncrb:主要的驅(qū)動 TFT 工作的部分有以下幾個1、 source driver源驅(qū)動， 負(fù)責(zé)供電。2、 gate driver 柵驅(qū)動，負(fù)責(zé)打開關(guān)閉。3、 時(shí)序控制電路，負(fù)責(zé)控制gate driver4、 灰度、gamma 控制電路圖（十三）a:整片面板的大致結(jié)構(gòu)從圖（十三）中我們可以看到 整片面板的等效電路，其中每一個 TFT 與兩個電容所并聯(lián)（代表一個顯示的點(diǎn).而一個基本的顯示 單元pixel,則需要三個這樣顯示的點(diǎn)，分別來代表 RGB 三原色.以一個 1024*768 分辨率的 TFT_LCD 來說

15、,共需要 1024*768*3 個這樣的點(diǎn)組合而成）b :顯示步驟如圖中 gate driver 所送出的波形，依序?qū)⒚恳恍械?TFT 打開,好讓整排的 source driver 同時(shí)將一整行的顯示點(diǎn)，充電到各自 所需的電壓，顯示不同的灰階.當(dāng)這一行充好電時(shí),gate driver 便將電壓關(guān)閉，然后下一行的 gate driver 便將電壓打開，再由相同的 一排 source driver對下一行的顯示點(diǎn)進(jìn)行充放電.如此依序下去，當(dāng)充好了最后一行的顯示點(diǎn)，便又回過來從頭從第一行再開始 充電.b-1:圖示先開放第一行，其他關(guān)閉。VCON4O圖（十四）接著關(guān)閉第一行，電壓已經(jīng)固定，固顏色也固定

16、，然后開放第二類，其余關(guān)閉，以此類推。圖（十五）由于液晶分子還有一種特性，就是不能夠一直固定在某一個電壓不變，不然時(shí)間久了，你即使將電壓取消掉，液晶分子會因?yàn)樘?性的破壞，而無法再因應(yīng)電場的變化來轉(zhuǎn)動，以形成不同的灰階.所以每隔一段時(shí)間，就必須將電壓恢復(fù)原狀，以避免液晶分子的 特性遭到破壞.背光源OFFOFFFigure 13. Dimming Mode Detection and Soft Start PWM Brightness Dimming圖（十八）上圖，上半部分就是 PWM方式，控制就由 GPIO 直接連到背光芯片上即可， 有一點(diǎn)需要注意，一般用 PWM 方式都是由 PMIC直接控制

17、的因?yàn)槿绻?AP 控制在系統(tǒng)負(fù)載大的時(shí)候 PWM波形會失真。下半部分為一線脈沖方式輸入需要有一個邏輯來觸發(fā)一線脈沖方式數(shù)據(jù)格式如下:圖（十七）手機(jī)上用的 TFT 類型的 LCD 大部分是用 LED 來作為光源的，現(xiàn)有高通手機(jī)上背光有三種方式:1、PWM方式，根據(jù)輸出方波的占空比來控制電流大小2、一線脈沖方式， 根據(jù)輸入方波的邏輯連控制輸出電流大小3、des 方式，有 LCD 反饋給背光控制芯片來控制輸出電流大小一般手機(jī)上都會有個背光控制芯片來升壓控制電流，以8x25 上的背光芯片 TPS61161 為例（其他的背光芯片也類似）TPS61161 的連接方式:CTRL 需要連接到平臺上的 GPI

18、O 或則 PMIC 上的 GPIO這款芯片是 pwm 方式和一線脈沖方式兩用的芯片，工作模式如下:inf Mtapr#,5 亦二覽亮片下擴(kuò)散杵導(dǎo)光板反射片modi CTRLMi圖（十九）數(shù)據(jù)對應(yīng)的電流值如下（只給出部分電流值）Taijie 1 SeiecttieFBVoltageFB VQltagw4DiD2M00口00001S0 0OaI2i00G1c3140fr0114140010c5170a101G200011072300111圖（二十）DCS 方式則是 LCD 本身可以支持 CABC 或則 LABC 功能1.6l=XW2 LEO baekJl奧brighinesfi forthe display wwt/otld byodennai oulpu廣BClines圖（二十一）原理，如圖，平臺這邊用 mipi des 命令控制 CABC 功能，LCD 的寄存器為51H （默認(rèn)背光亮度 0255 ）53