《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》

講座

第一部分驅(qū)動電路設(shè)計2004年6月12日1《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座清華大學(xué)電子工程系雷有華Email：leiyh@Tel：627818422004年6月12日2《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座笫1章

緒論

1.1引言1.2液晶顯示器件驅(qū)動基礎(chǔ)

1.3

液晶顯示模塊的電路構(gòu)成2004年6月12日3《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1

引言液晶顯示器件是被動型顯示器件。液晶顯示技術(shù)開始得到應(yīng)用僅僅是20多年前的事情。但是，由于液晶顯示器（LCD：LiquidCrystalDisplay）的各種優(yōu)越性能，目前已得到了廣泛的應(yīng)用。從液晶電子手表、手機、計算器、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機到液晶電視、便攜式計算機等，液晶顯示器正越來越為人們所熟悉，并大有與CRT平分秋色，甚至取而代之的趨勢。液晶顯示器的發(fā)展從TN技術(shù)（扭曲向列型）到STN技術(shù)（超扭曲向列型）到TFT技術(shù)（薄膜晶體管型）。液晶綜合參數(shù)測試系統(tǒng)可以測量LCD的電光特性參數(shù)。液晶屏在線測試儀可以對液晶顯示屏進行質(zhì)量檢查。2004年6月12日4《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.1液晶顯示器件的分類分為無源液晶顯示器和有源（矩陣）液晶顯示器兩大類。無源液晶顯示器常見的種類有：扭曲向列液晶顯示器（TN-LCD）；超扭曲向列液晶顯示器（STN-LCD）；賓主液晶顯示器（GH-LCD）；電控雙折射液晶顯示器（ECB-LCD）；相變液晶顯示器（PC-LCD）；鐵電液晶顯示器（FE-LCD）；雙穩(wěn)態(tài)液晶顯示器（BCT-LCD）等。其中使用得最為廣泛的是TN-LCD和STN-LCD兩大類。2004年6月12日5《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.1液晶顯示器件的分類（續(xù)1）有源（矩陣）液晶顯示器（AM-LCD）：最常見的是薄膜晶體管液晶顯示(TFT-LCD)。主要應(yīng)用于大容量動態(tài)視頻顯示，如筆記本電腦。AM-LCD由于制造工藝上難度較大，目前只有日、韓、美等少數(shù)國家有能力生產(chǎn)，我國臺灣省也能生產(chǎn)。我國大陸地區(qū)也有北京的京東方和長春能生產(chǎn)。2004年6月12日6《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.2液晶顯示模塊的基本結(jié)構(gòu)液晶顯示模塊（LCM）是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、PCB、背光源、結(jié)構(gòu)件裝配在一起的組件。（請參考液晶顯示模塊分解的結(jié)構(gòu)）液晶顯示器件：表面蒸鍍有ITO導(dǎo)電的玻璃基板、液晶、偏振片。連接件：導(dǎo)電橡膠、熱壓導(dǎo)電膠帶、TAB。集成電路：控制器、行和列驅(qū)動器等。PCB：電源、控制器、行和列驅(qū)動器等的連接電路。背光源：LED、CCF、VFD、EL、OEL、FED。結(jié)構(gòu)件：將上面各部件裝配在一起的結(jié)構(gòu)件。2004年6月12日7《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)

LCD類型雖然很多，結(jié)構(gòu)也千差萬別，但它們的顯示原理是基本相同的，驅(qū)動方法也是基本一致的。液晶具有液體所具有的流動性，同時也具有晶體的各向異性、雙折射等特性?？梢酝ㄟ^對液晶施加電場，使它的分子排列發(fā)生改變，從而使液晶的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。這樣，就將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷墓庑盘?。液晶顯示器件的基本特性有：閾值特性（電光特性）、響應(yīng)特性、對比度-視角特性、其他重要的特性（溫度特性、功耗特性、色度特性等）。2004年6月12日8《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)1）一。閾值特性參數(shù)

閾值特性參數(shù)描述了液晶顯示器的相對光透射率（或者反射率）隨驅(qū)動電壓的升高而發(fā)生變化的規(guī)律。閾值特性參數(shù)主要用閾值電壓Vth、中值電壓V50、飽和電壓Vsat和陡度來描述。典型的電光曲線如下圖所示。其中橫坐標是驅(qū)動電壓的有效值，縱坐標是相對透射率，液晶屏的顯示模式是正性顯示（即白底黑字）。Vth、V50和Vsat的定義如下圖所示，陡度

=Vsat/Vth。液晶顯示器可以看作一個容性器件，它的顯示是對驅(qū)動電壓的有效值作出響應(yīng)（功率）。在靜態(tài)顯示時，顯示驅(qū)動電壓只要選擇高于飽和電壓，非顯示電壓選擇低于閾值電壓，就能夠得到較好的顯示效果。在動態(tài)顯示時，可以進行計算。

2004年6月12日9《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)2）一。閾值特性參數(shù)：閾值特性參數(shù)是決定一種液晶材料到底能用到多大顯示容量的液晶屏的決定性參數(shù)。

2004年6月12日10《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)3）二。響應(yīng)特性參數(shù)

響應(yīng)特性參數(shù)是描述液晶屏的光透射率（或反射率）在改變驅(qū)動電壓的選擇狀態(tài)（由選擇態(tài)到非選擇態(tài)或由非選擇態(tài)到選擇態(tài)）時變化快慢的物理參數(shù)。響應(yīng)特性參數(shù)主要用開啟時間Ton，關(guān)閉時間Toff，上升時間Tr和下降時間Td來描述。典型的響應(yīng)特性曲線如下圖所示。其中橫坐標是時間，縱坐標是相對透射率，液晶屏的顯示模式是正性顯示（即白底黑字）。Ton、Toff、Tr和Td的定義如下圖所示。一般的TN-LCD的響應(yīng)速度在幾十毫秒到300毫秒之間，在用作視頻顯示時，會產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象；而有些液晶顯示器有非常快的響應(yīng)速度，如鐵電液晶顯示器等。2004年6月12日11《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)4）二。響應(yīng)特性參數(shù)：液晶響應(yīng)特性主要影響顯示器內(nèi)容的更新速度，響應(yīng)速度慢的，在顯示效果上就表現(xiàn)為拖尾現(xiàn)象。2004年6月12日12《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)5）三。對比度-視角特性

對比度-視角特性參數(shù)包括兩個方面：一是在特定的溫度、特定的方位角下，對比度隨驅(qū)動電壓的變化而變化，即對比度曲線；二是在特定溫度、固定的驅(qū)動條件下，對比度在給定的立體空間范圍內(nèi)的分布情況，即對比度-視角特性曲線。2004年6月12日13《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)6）三。對比度-視角特性

對比度曲線：下圖是對比度定義圖。2004年6月12日14《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)7）三。對比度-視角特性

對比度曲線：測出選通電壓和非選通電壓情況下的兩條電光特性曲線，則可以計算出對比度數(shù)值。對比度定義如下：負性材料：正性材料：2004年6月12日15《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)8）三。對比度-視角特性

對比度-視角空間分布特性：對比度-視角特性反映了對比度在空間分布的狀況，也是一個重要的參數(shù)。理想的顯示器，它的對比度在空間的分布是一個常數(shù)，即在各個方向上觀察顯示器，它給人的感覺是一樣的。由于液晶顯示器是被動型顯示器件，因此它的視角特性就受到較大的限制。視角特性不太好是液晶顯示器的一個比較明顯的缺點，如何盡可能擴大液晶顯示器的視角，是擺在我們面前的一個重要的課題。下圖是對比度-視角特性測試的原理圖。2004年6月12日16《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)9）三。對比度-視角特性

對比度-視角空間分布特性：下圖是對比度-視角特性測試的原理圖。2004年6月12日17《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)10）三。對比度-視角特性

要測出對比度在空間分布的特性，一般分兩個方向的角度進行掃描：一個是方向的角度，即視角掃描；另一個是方向的角度，即方位角掃描。2004年6月12日18《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)11）三。對比度-視角特性

下圖所示的等對比度視角曲線和等視角對比度曲線圖。(a)等對比度視角曲線圖(b)等視角對比度曲線圖

2004年6月12日19《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.1.3液晶顯示器件的基本特性和參數(shù)（續(xù)12）四。其他重要的特性

溫度特性：溫度特性是描述各種特性參數(shù)隨著溫度的變化而變化的規(guī)律。功耗特性：功耗特性是描述液晶屏在正常工作條件下功耗電流的大小，一般用功耗電流的有效值來表示，通常包括全屏功耗和單個象素功耗兩項。色度特性：液晶顯示器對于不同波長的光譜，它的透射率和反射率是不同的。在測試系統(tǒng)中，只要把光度計（光電倍增管）換成色度計，對于單個波長的數(shù)據(jù)處理是完全一致的。關(guān)于液晶顯示的電光特性測試和液晶屏在線測試儀，請參考本講座的第二部分《液晶顯示的電光特性測試》。2004年6月12日20《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座總結(jié)思考題（一）（1）什么叫做主動型和被動型顯示器件？請舉例說明之。（2）什么叫做無源液晶顯示器和有源液晶顯示器？請各舉一例說明之。（3）什么叫做TN和STN液晶顯示器的閾值特性（電光特性）？閾值特性參數(shù)是如何定義和描述的？（4）什么叫做TN和STN液晶顯示器的響應(yīng)特性？響應(yīng)特性參數(shù)是如何定義和描述的？（5）什么叫做對比度曲線？什么叫做對比度-視角特性曲線？它們是如何分別定義和測量的？（6）如何進行液晶顯示器色度特性的測量？2004年6月12日21《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2

液晶顯示器件驅(qū)動基礎(chǔ)

LCD類型雖然很多，結(jié)構(gòu)也千差萬別，但它們的顯示原理是基本相同的，驅(qū)動方法也是基本一致的?？梢酝ㄟ^對液晶施加電場，使它的分子排列發(fā)生改變，從而使液晶的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。這樣，就將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷墓庑盘枴Ｓ捎谝壕怯袡C化合物，在固定的電場作用下將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致液晶材料的老化及失效。因此，施加在液晶上的電場應(yīng)為交流電場，從而將電化學(xué)反應(yīng)抵消掉或降到最低限度。研究表明，長期應(yīng)用條件下，電信號的直流分量應(yīng)小于50mV。設(shè)計者需要具有模擬電路、數(shù)字電路和單片機的基本知識。

2004年6月12日22《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2.1靜態(tài)驅(qū)動法靜態(tài)驅(qū)動法是獲得最佳顯示質(zhì)量的最基本的方法。它適用于筆段型液晶顯示器件的驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動法電路如下圖所示。每段的背電極BP連接在一塊，而段電極相互獨立；振蕩器的信號經(jīng)分頻后加到背電極BP上，而段電極的脈沖信號由顯示選擇信號A與時序脈沖通過邏輯異或產(chǎn)生；A=“1”時，段電極信號與BP信號同相，該像素上電場為零；A=“0”時，段電極信號與BP信號反相，該像素上建立了交流電場，從而實現(xiàn)了顯示；適當調(diào)整脈沖電壓，可改變對比度。靜態(tài)驅(qū)動的波形如下圖所示。2004年6月12日23《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2.1靜態(tài)驅(qū)動法（續(xù)1）2004年6月12日24《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2.2動態(tài)驅(qū)動法當液晶顯示器件上顯示像素眾多時，把水平一組顯示像素的背電極都連在一起引出，稱之為掃描電極，把縱向一組顯示像素的段電極都連接起來一起引出，稱之為信號電極。驅(qū)動方式上則采用類似于CRT的掃描方法。液晶顯示器件上的每一個顯示像素都由其所在的行與列的位置唯一確定。液晶顯示的掃描方法是循環(huán)地逐行給行電極施加選擇脈沖，同時在列電極上給出該行顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的選通或非選通的驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)該行所有顯示像素的顯示。這種掃描驅(qū)動方式就是動態(tài)驅(qū)動法。2004年6月12日25《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2.2動態(tài)驅(qū)動法（續(xù)1）這種動態(tài)掃描驅(qū)動法的問題在于，當只點亮液晶屏上的某一點時，該點所在的行和列其它各點都會受到該點所在行、列電極信號的影響，這被稱為“交叉效應(yīng)”。由于交叉效應(yīng)，其它未被選擇的點也有可能因此而被點亮。行、列電極越多，交叉效應(yīng)越復(fù)雜。這種現(xiàn)象使圖像對比度大大下降，甚至不能正常顯示。解決交叉效應(yīng)的有效方法是采用偏壓法驅(qū)動。（參考P147）由于動態(tài)驅(qū)動采用了偏壓法，使輸出驅(qū)動的脈沖序列有四種電壓變化形式，因此在驅(qū)動電路中就不能簡單地采用異或門電路。2004年6月12日26《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2.2動態(tài)驅(qū)動法（續(xù)2）對液晶顯示象素點陣的某一特定象素而言，它總是存在兩種狀態(tài)：亮與暗。因此，施加到其上面的驅(qū)動波形就有兩種：選擇狀態(tài)和非選擇狀態(tài)。動態(tài)驅(qū)動的波形主要有兩種：A型波和B型波，它們的波形和選擇狀態(tài)分別如下圖所示。2004年6月12日27《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2.2動態(tài)驅(qū)動法（續(xù)3）A型波其中，幀頻定義為Freq=1/T，占空比定義為Duty=T1/T，

偏壓比定義為Bias=V3/V1。

2004年6月12日28《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2.2動態(tài)驅(qū)動法（續(xù)4）B型波其中，幀頻定義為Freq=1/T，占空比定義為Duty=T1/T，

偏壓比定義為Bias=V3/V1。2004年6月12日29《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2.3液晶顯示驅(qū)動方框圖液晶顯示驅(qū)動器應(yīng)具有兩項功能：完成交流驅(qū)動。必須具有受交流脈沖信號控制的電壓轉(zhuǎn)換電路，直接驅(qū)動液晶電極。生成“顯示”和“非顯示”控制信號。根據(jù)動態(tài)驅(qū)動的特點，配備相應(yīng)的邏輯電路，與外部控制器接口，并將控制信號輸出給電壓轉(zhuǎn)換電路。液晶顯示驅(qū)動器分為行驅(qū)動器和列驅(qū)動器兩大類,它們的工作原理和電路構(gòu)成基本相同,所不同的是：列驅(qū)動器輸入的數(shù)據(jù)是列選擇信號,即寫入的顯示數(shù)據(jù)。行驅(qū)動器輸入的數(shù)據(jù)是用于掃描行選擇的幀信號FLM。列驅(qū)動器移位時鐘CP的作用是把列數(shù)據(jù)送入相應(yīng)位置。行驅(qū)動器移位時鐘的作用是更換掃描行。2004年6月12日30《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.2.3液晶顯示驅(qū)動方框圖（續(xù)1）2004年6月12日31《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.3

液晶顯示器件的電路構(gòu)成參考：《液晶顯示控制和驅(qū)動大規(guī)模集成電路的進展》，雷有華武元禎電子技術(shù)應(yīng)用1994,(4).-28-31。段式液晶顯示驅(qū)動LSI電路。（一般）點陣位圖式液晶顯示驅(qū)動LSI電路。（重點）點陣字符式液晶顯示驅(qū)動LSI電路。（一般）點陣圖形式液晶顯示驅(qū)動LSI電路。（重點）TFT液晶顯示驅(qū)動LSI電路。（介紹）（Thin-FilmTrasistor）2004年6月12日32《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.3.1段式液晶顯示驅(qū)動LSI電路段式液晶顯示驅(qū)動LSI電路：段式液晶顯示器件主要是為了顯示數(shù)字或固定圖形。多位液晶顯示驅(qū)動器有兩種結(jié)構(gòu)形式：一是用于段式液晶顯示器件的驅(qū)動器，如MAXIM公司ICM7211等；另一是把液晶顯示驅(qū)動器作為ASIC的一部分，如計算器、電子表、數(shù)字萬用表、有液晶顯示驅(qū)動的專用單片機等。多位液晶顯示驅(qū)動器按數(shù)據(jù)輸入方式可分為兩類：一類為模擬量輸入型，內(nèi)有A/D轉(zhuǎn)換器，如：ICL7106等；另一類為數(shù)字量輸入型，例如：ICM7211等。2004年6月12日33《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.3.2點陣位圖式液晶顯示驅(qū)動LSI電路點陣位圖式液晶顯示驅(qū)動LSI電路：這類LSI以EPSON的SEDl520，HITACHI的HD6ll20和TOSHIBA的T7932等為典型的控制LSI。其特點是按點陣位圖式方式來控制液晶屏的某一象素亮或不亮。位圖式控制器，一般適用于小型液晶顯示屏。由于它們不帶有字符點陣字庫，所以文本顯示時CPU負荷較大。2004年6月12日34《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.3.3點陣字符式液晶顯示驅(qū)動LSI電路點陣字符式液晶顯示驅(qū)動LSI電路：這類LSI以HITACHI的HD44780等為典型的控制LSI。在行列合一的液晶顯示驅(qū)動控制器內(nèi)還可以增加字庫,成為專用的字符型點陣液晶顯示驅(qū)動控制器。16字符×2行的HD44780U芯片就是一個典型的范例,其電路原理如下圖所示。其特點是在顯示存儲器與驅(qū)動器之間增加了5×7點陣字符的字模數(shù)據(jù)庫（CGROM）。（參考：P583）字符庫有兩種形式，一種是固化在HD4478U

內(nèi)作為固定字符字模庫，對使用者提供字符代碼表；另一種是隨機寫入的字符字模庫,使用者自行建立專用字符的字模。2004年6月12日35《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.3.3點陣字符式液晶顯示驅(qū)動LSI電路（續(xù)1）字符型點陣液晶顯示驅(qū)動控制器HD44780顯示存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)不是要直接顯示的數(shù)據(jù)，而是代表字符在字符發(fā)生器中地址的字符代碼；該代碼數(shù)據(jù)作為字符發(fā)生器的尋址指針，選擇字符發(fā)生器中字符字模的首地址，然后由字符發(fā)生器輸出，作為驅(qū)動器的驅(qū)動信號，如下圖所示。HD44780U的顯示存儲器有80個單元,可以存儲80個字符代碼,按照5×7點陣字模計算,最大可以控制400列×2行的液晶顯示器件。HD44780U是一種具有40路列驅(qū)動輸出和16路行驅(qū)動輸出的能夠驅(qū)動40×16路的液晶顯示器件。2004年6月12日36《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.3.3點陣字符式液晶顯示驅(qū)動LSI電路（續(xù)2）HD44780的方框電路原理圖2004年6月12日37《液晶顯示應(yīng)用技術(shù)》講座1.3.3點陣字符式液晶顯示驅(qū)動LSI電路（續(xù)3）字符型驅(qū)動控制器HD44780的驅(qū)動程式