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技術文章

工業平板之LCD液晶屏原理和運用知識

  工業平板之LCD液晶屏原理和運用知識
  1.液晶

 ?。?).什么是液晶
 ?。?).液晶的由來
 ?。?)液晶的種類
  2.液晶顯示器
 ?。?).何謂液晶顯示器
 ?。?).液晶顯示器的優缺點
  3.LCD 的分類
 ?。?)LCD 的結構、工作原理及主要技術指標
  5.LCD 發展前景
  6.關于 TFT
  1.什么是液晶
 ?。?).什么是液晶

  眾所周知,物質有三態:固態、液態和氣態。 有些物質、它們在從固態轉變成液態的過程中,不是直接從固態變為液態,而是給一種中間狀態。各種能在一定的溫度范圍內兼有液體和晶體的特性的物質叫做液晶(Liquid Crystal) 也叫做液晶相、中間相或中介相等,又稱為物質的第四態。
 ?。?).液晶的由來
  液晶最早是奧地利植物學家萊尼茨爾(F.Reinitzer)于 1888 年發現的。 1889 年,德國物理學家萊曼(O.Lehmann)將正式它命名為“液態晶體”。這就是液晶的由來。
 ?。?).液晶的種類:
  從成分和出現液晶相物理條件來看,液晶可分為熱致液晶和溶致液晶兩大類。 根據液晶分子的不同排列方式,可分為三大類:即向列液晶、膽甾相液晶和層列相液晶三大類。
 ?。?).向列液晶:
  向列液晶的分子種類的重心混亂無序,使它象普通液體一樣可以流動,但分子桿的指向矢大體一致。
 ?。?).膽甾相液晶:
  在膽甾相液晶中,分子的重心排列是無序的,但分子的指向矢在一個平面內大致指向一個方向。在垂直于這個平面上的方向上。分子的指向矢會旋轉形成螺旋結構。
 ?。?).層列相液晶:
  在層列相液晶中,分子形成一層一層的結構。分子層的厚度大約是一個分子的長度。分子垂直于分子層平面排列,分子的重心在分子層中是無序的,形成一層層的二維流體。 只有熱致液晶才能做為顯示器材料。液晶分子的排列并不象晶體結構那樣牢固,容易受到電場,磁場、溫度應力以及吸附雜質等外部影響。因而容易使 其各項光學特性發生變化。液晶的這種作用力微弱的分子排列正是液晶有今日之廣闊市場的關鍵條件。
  2.液晶顯示器
  液晶具有固定的偶極矩,所以施加電場可使 液晶分子軸發生移動,于是液晶分子的排列發生改變。從而改變其光學性質來達到其顯示的效果。這是液晶做為顯示器的基本原理。
 ?。?).何謂液晶顯示器:
  利用液晶的各項電光效應,把液晶對電場、磁場、光線和溫度等分界條件的變化在一定條件下轉換成為可視信號制成的顯示器,就是液晶顯示器。液晶顯示器的英文為 Liquid Crystal Display 通常用 LCD 來代表液晶顯示器,液晶最早在 1968 年5 月美國 RCA 公司用于顯示器的制造,到目前廣泛的應用于鐘表、計算器、儀表儀器、筆記本電腦、移動電話、尋呼機、電子寵物、袖珍彩電、大型平板顯示器、投影電視等家用、工業用和軍事用顯示領域。
 ?。?).液晶顯示器的優、缺點:
  1.平面型顯示、體積小、重量輕、便于攜帶;
  2.功耗低、驅動電壓低;
  3.壽命長,一般在 5 萬小時以上;
  4.不含有害射線,對人體無害;
  5.易于驅動,可用大規模集成電路直接驅動;
  6.結構簡單,沒有復雜的機械部分;
  7.造價成本低。
  8.隨著液晶顯示器的廣泛應用,人們也可以發現其有些缺點:
  9. 由于它是被動元件,本身不發光,在暗處需借助其它的光源才具有可視性;
  10.有視角之限;
  11.應答速度(30ms-120ms)與其他元件相比尚嫌差些;(現在一般的液晶TFT顯示器應答速度為 2-8ms)
  12.壽命尚未能成為半永久性元件。
  3.LCD 分類
 ?。?).液晶顯示器的種類很多,按顯示方式可分為透射及反射的直視型顯示器。
 ?。?).透射型 LCD 背面裝有熒光燈,電致發光極等光源。因而在昏暗的環境光下也能使用。
 ?。?).反射型就是一種將鋁箔光反射片貼在 LCD 背面玻璃基板的外面,使其反射 LCD 的入射光,用于顯示。在 TN 和 STN 模式中,背面玻璃基板上貼有偏光片和表面有皺紋狀的反射片,這種反射型充分發揮了非發光型 LCD 耗電少的特點。
 ?。?)利用光電效應制作的 LCD 大致分為以下幾種 TN-LCD 和 STN-LCD、HTN-LCD、FSTN-LCD、TFT-LCD.
 ?。?)TN-LCD 就是扭曲向列液晶顯示器。我們通常所見到的電子表,計算器、游戲機等 LCD 大都是 TN-LCD.
 ?。?).STN-LCD 是 Super Twist Liquid Crystal Display 的簡稱。即超扭曲向列型 LCD. 它與 TN-LCD 的結構相似,不同的是它的扭曲角不是900,而是在 180~270 之間,雖然僅僅是扭曲角不同,它的工作原理同 TN-LCD 完全不同。STN-LCD 是目前 LCD 生產的中檔產品。它是有比 TN-LCD 顯示信息量大等特點,它主要用于多種儀器儀表、漢顯機、記事本、筆記本電腦等。STN-LCD 的制造工藝基本成熟,但主要技術掌握在日本、韓國等少數國家手中,國內現有十多家STN-LCD 制造公司。
 ?。?).HTN-LCD 是 Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display 的簡稱。即高扭曲向列型液晶顯示器,HTN-LCD 的扭曲角在 1000~1200之間。TN-LCD 和 STN-LCD 之間。HTN-LCD 目前數量并不多,其性能也介于 TN-LCD 和 STN-LCD 之間。
 ?。?).FSTN-LCD 是 Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display 的簡稱。這里 Film 是指補償膜或延遲膜,所以 FSTN-LCD 稱補償膜超扭曲向列型液晶顯示器。通過一層特殊處理的補償膜,能夠克服
  STN-LCD 的缺點。
 ?。?)TFT-LCD 即薄膜晶體管的有源矩陣 LCD,它是目前 LCD 市場中最
  高檔次的產品。它主要用于筆記本電腦,液晶彩電等。TFT-LCD 的制
  造工藝比較復雜,價格比較高。
  4.LCD 的結構、工作原理及主要技術指標(以德信 TN-LCD 為例)
 ?。?).LCD 的結構。
 ?、倨馄?;②基板玻璃;③SIO2 隔阻層;④電極;⑤定向膜;⑥封接框;⑦
  過渡電極;⑧液晶;⑨反射片;⑩封口膠;○11 間隙子
 ?。?). LCD 的工作原理
  要了解 LCD 的工作原理,我們首先須了解光。這是一種電磁波。即電磁場以
  波動的形式傳播的。人眼可見的光的波長范圍大致在 380 納米至 780 納米之間。
  通常光是沿直線方式傳播的,光波的振動方向垂直于光的傳播方向。對自然光(如
  太陽光)來說在垂直光傳播方向的各平面內,光波的振動方向隨機均勻分布的。
  如果光波振動的方向是沿一個方向,這樣的光線稱為偏振光,這個振動方向稱為
  偏振方向。偏振方向與光波的傳播方向形成的平面稱為振動面。
  偏光片的作用是只允許振動方向與其偏光軸方向一致的光通過。而振動方向
  與偏光軸垂直的光將被其吸收。偏振光經過液晶盒后再經過偏光片(稱為檢偏器)
  射出。這樣光是否通過檢偏器多少,取決于線性偏振光經過液晶盒后的偏振狀態。
  從而控制最后透過檢偏器的光狀態來實現顯示的。具體的說,TN 型液晶盒內液液晶分子形成一種扭曲結構。在一定條件下入射光的偏振將順著液晶分子的扭曲方向旋轉。液晶分子長軸扭曲 900導致 900的旋光
 ?。?)當對兩塊玻璃片上的電極施加一定大小的電壓后,液晶分子就轉變為垂直于上下玻璃片排列,扭曲結構消失,導致旋光作用消失,這種電光效應就為扭曲電場效應。 對于白底黑字型的液晶顯示器,上下偏振片是正交放置的。即偏光軸相互垂直,入射的自然光經起偏器后變成平面偏振光。在液晶盒未加電場時,偏振光將順著分子的扭曲結構扭曲 900,振動方向變成和檢偏器的偏光軸一致,因此可以順利通過檢偏器,這時顯示器呈透明狀態,處于非顯示狀態,同時驅動電路將驅動信號電壓加到需要顯示的有關電極上時,該部分液晶分子扭曲結構消失。喪失了旋光能力。從起偏器出的偏振光未經改變就直達檢偏器。由于其偏振方向與檢偏器軸方向垂直。偏振光將無法透過檢偏器,這樣該通信號電壓的部分電極將呈
  黑色,呈顯示狀態。
  5.LCD 的主技術指標
 ?。?).電光響應特性:

  液晶顯示器的相對透光率隨著外加信號電壓變化而變化,就是電光響應特性,這是最重要的特性之一。
  (2).對比度:
  液晶顯示器的對比是顯示狀態和非顯示狀態相對透光率的比值,當對比度≥5 時,圖象清晰。
 ?。?).LCD 的對比度跟視角(即人眼觀察角度)有關。對比度隨觀察角度變化的特性稱之為視角特性。視角特性指標。一般取定一個對比度的最小可接受值,來考察對比度大于這個值的視角范圍,這個范圍稱為視角錐。例如 LCD 的對比度=3 的視角值時。其上視角為 100,下視角為 400,左右視角為 300。視角即觀察方向與顯示器件法線的夾角。視角方向(最佳視角象限):扭曲向列型液晶顯示器有一個最佳視觀方向,一般的前視角(正視角)都從這個方向的θ角來確定。
 ?。?).視觀方向一般以指針式時鐘鐘點的位置來表示:θ1 表示前視角(正視 角),一般最大 450。θ3、θ4為左右視角,一般為±300。 LCD 與其他顯示器相比,缺點之一是其視角范圍較小。如果盒厚與液晶折射率各向性的乘積△n*d=0.5微米左右,則器件的視角特性會有較大的改善。但其制造環境要求比較苛刻。 4-3-4 響應時間: LCD 經常顯示不斷變化的圖象。人眼的反應時間大約為幾個毫秒。故顯示圖象的變化以外加信號電壓變化的響應不應低于這個速度,描述液晶顯示器動態特性的響應時間,通常用三個常數等表示延遲時間,上升時間和下降時間。
 ?。?)功耗:
  功耗是 LCD工作所消耗的能量,一般在微瓦/平方厘米量級,功耗低是LCD 最大的優點之一。LCD 功耗的大小取決于顯示面積,驅動電壓及頻率、液晶的電阻率、介電常數和盒厚等。其中液晶的正電阻率很容易隨液晶被污染而急劇下降。故液晶的妥善保存至關重要。
  6.LCD 發展前景
  1.資訊時代的產品要求傾向于輕、薄、節能的趨勢。在顯示方面,趨向于彩色大尺寸化、平面化。LCD 憑自身的優勢,正在以迅猛的進度占領顯示器行業的市場。自 1968 年美國 RCA 公司制造第一臺 LCD 到現在短短的三十多年,已經用到電子表、計算器、游戲機、傳呼機、導航系統顯示、投影機、電子手帳、電腦、電視機等各個領域。以由原來歐美幾個國家獨家生產到目前幾十個國家和地區共同開發生產。在今后幾年內,LCD 將成為顯示器的主導?,F最早生產 LCD 的美國、德國已先后關閉退出競爭,后來者居上的日本,以其雄厚的社會資本及最強的半導體工作環境,襄括了全球70%LCD 產品的供應,目前全球LCD制造業主力主要集中在亞州地區,如日本、韓國、香港、臺灣,新加坡及中國。
  2.TFT 型的液晶顯示器較為復雜,主要的構成包括了,螢光管、導光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等。首先液晶顯示器必須先利用背光源,也就是螢光燈管投射出光源,這些光源會先經過一個偏光板然后再經過液晶,這時液晶分子的排列方式進而改變穿透液晶的光線角度。然后這些光線接下來還必須經過前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現的光線強度與色彩,并進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。
 ?。?).背光分類:CCFL (冷陰極熒光燈) VS LED (發光二極管)
 ?。?).CCFL背光 :可以用多種構架產生CCFL所須的交流波形,包括:自激(Royer),半橋,全橋和推挽。 自激(Royer)架構 Royer 架構的最佳應用是在不需要嚴格控制燈頻和亮度的設計中。由于 Royer 架構是自激式設計,受元件參數偏差的影響,很難嚴格控制燈頻和燈電流,而這兩者都會直接影響燈的亮度。正因為此,Royer 架構很少被用于 LCD 電視,盡管它是本文所述四種架構中最廉價的。
 ?。?).Royer驅動器簡單,但不太精確。
  全橋架構最適合于直流電源電壓非常寬的應用。最適合于直流電源電壓非常寬的應
  用。相比全橋,半橋架構最大的好處是每個通道少用了兩只MOSFET (圖3)。但是,它需要
  更高匝比的變壓器,這會增加變壓器的成本。還有,如同全橋架構一樣,半橋架構也可能會用到p 溝道MOSFET。
  推挽架構
  最后我們來考慮推挽驅動器,這種架構只用到n溝道MOSFET (圖4),這有利于降低成
  本和增加逆變器效率。它很容易適應較高的逆變器直流電源電壓。采用更高的逆變器直
  流電源電壓時,只需選擇具有合適的漏-源擊穿電壓的 MOSFET 即可。不管逆變器的直
  流電源電壓如何,都可采用同樣的CCFL控制器。推挽架構最大的缺點是,要求逆變器
  直流電源電壓的波動范圍小。 推挽驅動器非常簡單,還可精確控制。
 ?。?).LED背光
  現在我們所用到的小尺寸的屏都是白光LED做背光源,以下是典型的L
 ?。?)利用升壓DC/DC 驅動LED,一般單燈只需要3.3V驅動。
 ?。?)(2)利用IO 口產生PWM驅動LED 綜上說述,CCFL背光驅動電路復雜,耗電大,容易產生干擾,但是CCFL的屏比較便宜。LED屏背光驅動電路相對簡單,省電,且對電路干擾小,但是LED屏較貴。
 ?。?)分類:模擬 屏VS 數字屏
  模擬屏和數字屏就屏本身來說是沒有區別的,主要區別是在電路上。加到液晶
  屏象素上的肯定都是數字信號。在屏的邊緣有很多行列驅動 IC,就是所謂的驅動器。在屏后面的電路板上主要是控制器,控制器將收到的信號轉換為符合驅動器時序要求的驅動信號,送給驅動器,點亮相應的象素。 模擬屏和數字屏在這寫部分是一樣的,他們的區別主要在于輸入上。數字屏直接輸入數字信號,RGB 每種顏色信號都被視頻處理電路轉換若干位數字信號,直接送入屏上的控制驅動器,A/D 轉換是在前面的電路中完成的。而模擬屏輸入是三基色模擬信號輸入,它的 A/D 轉換是在液晶屏上的電路中完成的。 比較直觀的區別模擬屏于數字屏:一般模擬屏 PIN 腳(26P)少于數字屏(40P)
  3.LAYOUT 注意事項
  數字屏接口LAYOUT時注意紅色標記部分要盡可能的粗短,濾波電容靠近屏接口。
  模擬屏接口電路:
  R G B信號走線遠離數字信號,VCOM信號紋波盡量小。
  相關知識:分辨率
  分辨率:是指屏幕上每行有多少像素點、每列有多少像素點,一般用矩陣行x列來表示,LCD的分辨率一般:SVGA顯示模式800點×600行的和XGA顯示模式1024點×768行的,VGA:640×480 QVGA:320×240 LCD 屏 VCOM 的作用 如果一直顯示靜止的圖像,液晶電極上的電壓就會一直不變,當撤銷電壓時,液晶很難回復原狀,容易造成液晶損壞。解決這問題的方法就是改變液晶的控制電壓的極性,也就是說即使是靜止的圖像,液晶電極上的電壓也一直在翻轉。一般的LCD 都采用行翻轉的形式,通過改變公共端的電壓極性 VCOM 而達到翻轉的目的。 TCON IC 一般會送出一個 M 或者 POL 的信號,我們用這個信號產生 VCOM,一般的轉換電路使用非們或者運方電路。通過調節 VCOM 的 DC 端,我們可以改變 LCD 的色彩,調節 AC 端,可以改變 LCD 的對比度。也許是由于行翻轉的緣故,有的 LCD 會產生水平的條紋(Flicker 現象), 數字屏的 VCOM 由屏產生,通過 IO 口調整值。
  TFT LCD 常用信號解釋:
  LED_Cathode/LED_Anode:LCD 背光電源供電
  M/POL:液晶驅動極性轉換型號,用于產生 VCOM 信號
  RESET:全局復位信號
  CS/SCL/SDI:LCD TCON IC 的配置端口
  DATA[0:23]:LCD RGB24BIT 數據信號,一般我們使用 16BIT,因為在人的肉眼觀
  察下 16BIT 的色彩和 24BIT 的色彩沒有太大區別,而 16BIT 所需處理的數據量比
  24BIT 小很多,一般情況我們把剩余的地位數據線連接到高位。
  HSYNC:水平同步時鐘信號
  VSYNC:垂直同步時鐘信號
  DOTCLK:象素時鐘信號
  VDD:數字電源,一般是 3.3V
  AVDD:模擬電源,一般是 5V
  VGL:GATE OFF 控制電壓
  VGH:GATE ON 控制電壓
  VCOM:LCD 公共驅動電極
  ENABLE:data enable 信號

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