《液晶显示应用技术》讲座

2004年6月12日《液晶显示应用技术》讲座 1

《液晶显示《液晶显示应用技应用技术》术》讲座讲座

第一部分第一部分

驱动电路设计驱动电路设计


清华大学电子工程系清华大学电子工程系

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笫笫 11 章章绪论绪论

1.11.1 引言引言1.21.2 液晶显示器件驱动基础液晶显示器件驱动基础 1.31.3 液晶显示模块的电路构成液晶显示模块的电路构成


1.11.1 引言引言液晶显示器件是被动型显示器件。液晶显示技术开始得到应用仅仅是 20 多年前的事情。但是，由于液晶显示器（ LCD ： Liquid Crystal Display ）的各种优越性能，目前已得到了广泛的应用。从液晶电子手表、手机、计算器、数码相机、数码摄像机到液晶电视、便携式计算机等，液晶显示器正越来越为人们所熟悉，并大有与 CRT 平分秋色，甚至取而代之的趋势。液晶显示器的发展从 TN 技术（扭曲向列型）到 STN 技术（超扭曲向列型）到 TFT 技术（薄膜晶体管型）。液晶综合参数测试系统可以测量 LCD 的电光特性参数。液晶屏在线测试仪可以对液晶显示屏进行质量检查。


1.1.1 1.1.1 液晶显示器件液晶显示器件的分类的分类分为无源液晶显示器和有源（矩阵）液晶显示器两大类。无源液晶显示器常见的种类有：

•扭曲向列液晶显示器（ TN-LCD ）；

•超扭曲向列液晶显示器（ STN-LCD ）；

•宾主液晶显示器（ GH-LCD ）；

•电控双折射液晶显示器（ ECB-LCD ）；

•相变液晶显示器（ PC-LCD ）；

•铁电液晶显示器（ FE-LCD ）；

•双稳态液晶显示器（ BCT-LCD ）等。•其中使用得最为广泛的是 TN-LCD 和 STN-LCD 两大类。


1.1.1 1.1.1 液晶显示器件液晶显示器件的分类的分类（续（续 11 ））有源（矩阵）液晶显示器（ AM-LCD ）：

•最常见的是薄膜晶体管液晶显示 (TFT-LCD) 。

•主要应用于大容量动态视频显示，如笔记本电脑。•AM-LCD 由于制造工艺上难度较大，目前只有日、韩、美等少数国家有能力生产，我国台湾省也能生产。•我国大陆地区也有北京的京东方和长春能生产。


1.1.2 1.1.2 液晶显示液晶显示模块模块的的基本基本结构结构液晶显示模块（ 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。（请参考液晶显示模块分解的结构）

•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 、 CCF 、 VFD 、 EL 、 OEL 、 FED 。

•结构件：将上面各部件装配在一起的结构件。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数基本特性和参数 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。液晶具有液体所具有的流动性，同时也具有晶体的各向异性、双折射等特性。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。液晶显示器件的基本特性有：阈值特性（电光特性）、响应特性、对比度 -视角特性、其他重要的特性（温度特性、功耗特性、色度特性等）。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 11 ））一。阈值特性参数阈值特性参数描述了液晶显示器的相对光透射率（或者反射率）随驱动电压的升高而发生变化的规律。阈值特性参数主要用阈值电压 Vth 、中值电压 V50 、饱和电压 Vsat 和陡度来描述。典型的电光曲线如下图所示。其中横坐标是驱动电压的有效值，纵坐标是相对透射率，液晶屏的显示模式是正性显示（即白底黑字）。 Vth 、 V50 和 Vsat 的定义如下图所示，陡度 = Vsat / Vth 。

液晶显示器可以看作一个容性器件，它的显示是对驱动电压的有效值作出响应（功率）。在静态显示时，显示驱动电压只要选择高于饱和电压，非显示电压选择低于阈值电压，就能够得到较好的显示效果。在动态显示时，可以进行计算。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 22））一。阈值特性参数：阈值特性参数是决定一种液晶材料到底能用到多大显示容量的液晶屏的决定性参数。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 33））二。响应特性参数响应特性参数是描述液晶屏的光透射率（或反射率）在改变驱动电压的选择状态（由选择态到非选择态或由非选择态到选择态）时变化快慢的物理参数。响应特性参数主要用开启时间 Ton ，关闭时间 Toff ，上升时间 Tr 和下降时间 Td 来描述。典型的响应特性曲线如下图所示。其中横坐标是时间，纵坐标是相对透射率，液晶屏的显示模式是正性显示（即白底黑字）。 Ton 、 Toff 、 Tr 和 Td 的定义如下图所示。一般的 TN-LCD 的响应速度在几十毫秒到 300毫秒之间，在用作视频显示时，会产生拖尾现象；而有些液晶显示器有非常快的响应速度，如铁电液晶显示器等。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 44））二。响应特性参数：液晶响应特性主要影响显示器内容的更新速度，响应速度慢的，在显示效果上就表现为拖尾现象。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 55））三。对比度 -视角特性对比度 -视角特性参数包括两个方面：

•一是在特定的温度、特定的方位角下，对比度随驱动电压的变化而变化，即对比度曲线；•二是在特定温度、固定的驱动条件下，对比度在给定的立体空间范围内的分布情况，即对比度 -视角特性曲线。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 66））三。对比度 -视角特性对比度曲线：下图是对比度定义图。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 77））三。对比度 -视角特性对比度曲线：

•测出选通电压和非选通电压情况下的两条电光特性曲线，则可以计算出对比度数值。•对比度定义如下：

CrB

B2

1

非选通电压下的亮度选通电压下的亮度

CrB

B1

2

选通电压下的亮度

非选通电压下的亮度•负性材料：

•正性材料：


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 88））三。对比度 -视角特性对比度 -视角空间分布特性：

•对比度 -视角特性反映了对比度在空间分布的状况，也是一个重要的参数。•理想的显示器，它的对比度在空间的分布是一个常数，即在各个方向上观察显示器，它给人的感觉是一样的。•由于液晶显示器是被动型显示器件，因此它的视角特性就受到较大的限制。•视角特性不太好是液晶显示器的一个比较明显的缺点，如何尽可能扩大液晶显示器的视角，是摆在我们面前的一个重要的课题。下图是对比度 -视角特性测试的原理图。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 99））三。对比度 -视角特性对比度 -视角空间分布特性：下图是对比度 -视角特性测试的原理图。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 1100））三。对比度 -视角特性要测出对比度在空间分布的特性，一般分两个方向的角度进行扫描：

•一个是方向的角度，即视角扫描；•另一个是方向的角度，即方位角扫描。


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 1111 ））三。对比度 -视角特性下图所示的等对比度视角曲线和等视角对比度曲线图。

(a) 等对比度视角曲线图 (b) 等视角对比度曲线图


1.1.3 1.1.3 液晶显示器件液晶显示器件的的基本特性和参数（续基本特性和参数（续 1122））四。其他重要的特性温度特性：温度特性是描述各种特性参数随着温度的变化而变化的规律。功耗特性：功耗特性是描述液晶屏在正常工作条件下功耗电流的大小，一般用功耗电流的有效值来表示，通常包括全屏功耗和单个象素功耗两项。色度特性：液晶显示器对于不同波长的光谱，它的透射率和反射率是不同的。在测试系统中，只要把光度计（光电倍增管）换成色度计，对于单个波长的数据处理是完全一致的。关于液晶显示的电光特性测试和液晶屏在线测试仪，请参考本讲座的第二部分《液晶显示的电光特性测试》。


总结思考题（一）总结思考题（一）

（ 1）什么叫做主动型和被动型显示器件？请举例说明之。

（ 2）什么叫做无源液晶显示器和有源液晶显示器？请各举一例说明之。

（ 3）什么叫做 TN 和 STN 液晶显示器的阈值特性（电光特性）？阈值特性参数是如何定义和描述的？

（ 4）什么叫做 TN 和 STN 液晶显示器的响应特性？响应特性参数是如何定义和描述的？

（ 5）什么叫做对比度曲线？什么叫做对比度 -视角特性曲线？它们是如何分别定义和测量的？

（ 6）如何进行液晶显示器色度特性的测量？


1.1.22 液晶显示器件驱动基础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。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。


1.2.1 1.2.1 静态驱动法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。静态驱动法电路如下图所示。

•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=“1”时，段电极信号与 BP信号同相，该像素上电场为零； A=“0”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。静态驱动的波形如下图所示。


1.2.1 1.2.1 静态驱动法（续静态驱动法（续 11 ））


1.2.2 1.2.2 动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。


1.2.2 1.2.2 动态驱动法（续动态驱动法（续 11 ））这种动态扫描驱动法的问题在于，当只点亮液晶屏上的某一点时，该点所在的行和列其它各点都会受到该点所在行、列电极信号的影响，这被称为“交叉效应”。由于交叉效应，其它未被选择的点也有可能因此而被点亮。行、列电极越多，交叉效应越复杂。这种现象使图像对比度大大下降，甚至不能正常显示。解决交叉效应的有效方法是采用偏压法驱动。（参考P147 ）

由于动态驱动采用了偏压法，使输出驱动的脉冲序列有四种电压变化形式，因此在驱动电路中就不能简单地采用异或门电路。


1.2.2 1.2.2 动态驱动法（续动态驱动法（续 22））对液晶显示象素点阵的某一特定象素而言，它总是存在两种状态：亮与暗。因此，施加到其上面的驱动波形就有两种：选择状态和非选择状态。动态驱动的波形主要有两种： A 型波和 B 型波，它们的波形和选择状态分别如下图所示。


1.2.2 1.2.2 动态驱动法（续动态驱动法（续 33））A 型波其中，帧频定义为 Freq = 1/T ，占空比定义为 Duty = T1/T ，偏压比定义为 Bias = V3/V1 。


1.2.2 1.2.2 动态驱动法（续动态驱动法（续 44））B 型波其中，帧频定义为 Freq = 1/T ，占空比定义为 Duty = T1/T ，偏压比定义为 Bias = V3/V1 。


1.2.3 1.2.3 液晶显示驱动方框图液晶显示驱动方框图液晶显示驱动器应具有两项功能：

•完成交流驱动。必须具有受交流脉冲信号控制的电压转换电路，直接驱动液晶电极。•生成“显示”和“非显示”控制信号。根据动态驱动的特点，配备相应的逻辑电路，与外部控制器接口，并将控制信号输出给电压转换电路。

液晶显示驱动器分为行驱动器和列驱动器两大类 , 它们的工作原理和电路构成基本相同 ,所不同的是：

•列驱动器输入的数据是列选择信号 ,即写入的显示数据。行驱动器输入的数据是用于扫描行选择的帧信号 FLM 。

•列驱动器移位时钟 CP 的作用是把列数据送入相应位置。行驱动器移位时钟的作用是更换扫描行。


1.2.3 1.2.3 液晶显示驱液晶显示驱动方框图（续动方框图（续 11 ））


1.31.3 液晶显示器件的电路构成液晶显示器件的电路构成参考：《液晶显示控制和驱动大规模集成电路的进展》，雷有华武元祯电子技术应用 1994,(4).-28-31 。段式液晶显示驱动 LSI 电路。（一般）点阵位图式液晶显示驱动 LSI 电路。（重点）点阵字符式液晶显示驱动 LSI 电路。（一般）点阵图形式液晶显示驱动 LSI 电路。（重点）TFT 液晶显示驱动 LSI 电路。（介绍）（ Thin-Film Trasistor ）


1.3.1 1.3.1 段式液晶显示驱动段式液晶显示驱动 LSILSI 电路电路段式液晶显示驱动 LSI 电路：段式液晶显示器件主要是为了显示数字或固定图形。多位液晶显示驱动器有两种结构形式：

•一是用于段式液晶显示器件的驱动器，如 MAXIM公司ICM7211 等；

•另一是把液晶显示驱动器作为 ASIC 的一部分，如计算器、电子表、数字万用表、有液晶显示驱动的专用单片机等。

多位液晶显示驱动器按数据输入方式可分为两类：•一类为模拟量输入型，内有 A/D转换器，如： ICL7106等；•另一类为数字量输入型，例如： ICM7211 等。


1.3.2 1.3.2 点阵位图式液晶显示驱动点阵位图式液晶显示驱动 LSILSI 电路电路点阵位图式液晶显示驱动 LSI 电路：

•这类 LSI 以 EPSON 的 SEDl520 ， HITACHI 的HD6ll20 和 TOSHIBA 的 T7932 等为典型的控制 LSI 。

•其特点是按点阵位图式方式来控制液晶屏的某一象素亮或不亮。位图式控制器，一般适用于小型液晶显示屏。•由于它们不带有字符点阵字库，所以文本显示时 CPU负荷较大。


1.3.3 1.3.3 点阵字符式液晶显示驱动点阵字符式液晶显示驱动 LSILSI 电路电路点阵字符式液晶显示驱动 LSI 电路：

•这类 LSI 以 HITACHI 的 HD44780 等为典型的控制LSI 。

•在行列合一的液晶显示驱动控制器内还可以增加字库 , 成为专用的字符型点阵液晶显示驱动控制器。•16字符 ×2 行的 HD44780U芯片就是一个典型的范例 , 其电路原理如下图所示。•其特点是在显示存储器与驱动器之间增加了 5 ×7点阵字符的字模数据库（ CGROM ）。（参考： P583 ）•字符库有两种形式，一种是固化在 HD4478U 内作为固定字符字模库，对使用者提供字符代码表；另一种是随机写入的字符字模库 , 使用者自行建立专用字符的字模。


1.3.3 1.3.3 点阵字符式液晶显示驱动点阵字符式液晶显示驱动 LSILSI 电路电路（续（续11 ））字符型点阵液晶显示驱动控制器 HD44780

•显示存储器内的数据不是要直接显示的数据，而是代表字符在字符发生器中地址的字符代码；•该代码数据作为字符发生器的寻址指针，选择字符发生器中字符字模的首地址，然后由字符发生器输出，作为驱动器的驱动信号，如下图所示。•HD44780U 的显示存储器有 80个单元 , 可以存储 80个字符代码 , 按照 5 ×7 点阵字模计算 , 最大可以控制 400 列 ×2 行的液晶显示器件。•HD44780U 是一种具有 40 路列驱动输出和 16 路行驱动输出的能够驱动 40 ×16 路的液晶显示器件。


1.3.3 1.3.3 点阵字符式液晶显示驱动点阵字符式液晶显示驱动 LSILSI 电路电路（续（续22））HD44780 的方框电路原理图


1.3.3 1.3.3 点阵字符式液晶显示驱动点阵字符式液晶显示驱动 LSILSI 电路电路（续（续33））字符型驱动控制器 HD44780 的驱动程式


1.3.4 1.3.4 点阵图形式液晶显示驱动点阵图形式液晶显示驱动 LSILSI 电路电路点阵图形式液晶显示驱动 LSI 电路：

•这类 LSI 以 EPSON 的 SEDl330 ， HITACHI 的HD61830 和 TOSHIBA 的 T6963C 为典型的控制 LSI 。

•其特点是 LSI自带有 CGROM ，也可产生标准的 128个 ASCII字符供用户调用。（参考： P584 ）•还用外接扩展 RAM ，可存储若干屏的显示数据，即是几幅图形的显示数据。•还可以在图形模式下显示汉字，具有丰富的显示控制指令。常用于驱动点阵图形式液晶显示模块。


1.3.5 1.3.5 TFTTFT 液晶显示驱动液晶显示驱动 LSILSI 电路电路TFT 液晶显示驱动 LSI 电路：•薄膜晶体管矩阵寻址的液晶显示技术 (TFT—LCD) 已成为当前各类平板显示 (FPD) 技术发展的主流。也是液晶显示技术向 CRT挑战的最具有代表性的一种显示方案。•三端子开关元件矩阵寻址的液晶显示屏的每个液晶像素之间彼此独立而无交叉串扰效应。•所以三端子开关元件矩阵寻址的液晶显示器的扫描行数从理论上讲可以做到无穷，可实现大容量的信息显示。•行驱动器控制每行像素点上的 TFT 开／关态，可简单地开或关某一行所有的 TFT；某一列驱动器则控制更新该列像素颜色的明暗程度。


总结思考题（二）总结思考题（二）

（ 7）什么叫做静态驱动法和动态驱动法？为什么驱动电压的波形必须是交流的，而且对其直流分量还有一定的要求？

（ 8）什么叫做动态驱动中的“交叉效应”？如何减小“交叉效应”？

（ 9）液晶显示控制和驱动大规模集成电路可以分为哪几类？各类的主要特点是什么？

（ 10）点阵字符式液晶显示驱动 LSI HD44780 的主要特点是什么？

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