液晶显示驱动技术
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2018年9月13日 8
液晶显示器原理
无源矩阵的动态驱动技术： 1、行扫描上的各像素点同时被扫描，扫描 过后行上所有像素点上的电压均消失，不同 于CRT的逐点扫描； 2、画面上各行的像素是在不同时段内被选 通，有可能造成图像亮暗不均； 3、占空比：每扫描行电极选通时间与帧周 期之比。它等于扫描电极的倒数，扫描行越 多，占空比越小，根据液晶器件的电能蓄积 效应，液晶响应就越不充分；
2018年9月13日 20
液晶显示器原理 有源器件可分为二端有源器件和三端有源器件， 二端有源器件以MIM和薄膜晶体二极管最为实用， 由于它工艺相对简单、开口率较大，投资额度小， 不少厂家特别是袖珍电视产品或中档彩屏手机生 产厂对它看好，但图像质量比三端有源略差。 三端有源器件以 TFT为主， TFT即薄膜晶体管的 意思，有源矩阵液晶器件我们主要以TFT-LCD为主 作简要介绍。
2018年9月13日 19
液晶显示器原理
§4有源矩阵液晶器件的驱动技术 无源驱动由于原理上的固有缺陷：交叉 效应和占空比小，因而无法显示高质量大容 量的高清晰图像，因此只能用在小屏幕上实 现静态显示。
由此我们可以设想一下：在液晶像素中 串联加上一个受控的有源器件，使每个像素 可以独立驱动，从而可以克服交叉效应，实 现多路视频画面；如果该非线性有源器件还 具有存储性，则还可以解决由于占空比小所 带来的对比度低的问题。
2018年9月13日
5
液晶显示器原理
信号电极
扫描电极
2018年9月13日
6
液晶显示器原理
3、有源矩阵电极排布 在有源矩阵中， 每个液晶像素都连 着一个有源器件 （二极管、三极管 或场效应管），矩 阵电极和有源器件 均在下侧玻璃基板 上，上玻璃基板上 只有一个公用电极 。
2018年9月13日 7
液晶显示器原理
2018年9月13日
电子迁移率低、驱动其 连接线多、可靠性差
要求特殊的基片材料， 如昂贵的熔融石英
采用普通玻璃为基片， 基片上集成行列驱动， 电磁辐射低，更轻、更 薄
22
液晶显示器原理
TFT-LCD屏的结构如下图所示：
2018年9月13日
23
液晶显示器原理 TFT液晶屏的内部驱动电路框图如下所示：
2018年9月13日 9
液晶显示器原理
重大缺陷一：无源矩阵的交叉效应
1 Y 2 3V a
1 X 2 3V a
产生交叉效应的根源： 1）液晶具有双向导通特性；
2）液晶器件的电光曲线陡度不够；
2018年9月13日 10
液晶显示器原理 下面列出了驱动路数 N=8 和N=∞时的全选点、 半选点和非选择点上的电压。
在这里需要注意的是：在 TFT-LCD 中，液晶盒 中充入的仍然是普通的 TN 液晶，与 TN-LCD 最本质 区别的不同只是驱动电路的不同。
2018年9月13日 21
液晶显示器原理
TFT器件的发展： 非晶硅a-si TFT 高温多晶硅HTPS TFT 低温多晶硅LTPS TFT
目前市场上主流 的液晶显示器件
由于半选择点电压与非选择点电压相差较大如果在非选择列上施加适当的电压以前的电路中非选择点上不加电压达到提高非选择点的电压降低半选择点电压则结果是拉开了选择点与半选择点间的电压差而同时又缩小了半选择点与非选择点间的电压差无疑最佳效果应是半选择点电压与非选择点电压相同这就是在多路驱动技术中普遍采用的平均电压法的实质
2018年9月13日 15
液晶显示器原理 下表列出了不同偏压比b下的各像素点电压值：
在实际应用中，经常采用的是下列几种偏压法：
（1）1/2偏压法：常用于钟表的液晶屏幕显示； （2）1/3偏压法：多用于计算器和仪表用液晶显示， 大都是笔段显示； （3）1/5偏压法：用于驱动路数较多的点阵矩阵液 晶显示，如100行；
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液晶显示器原理
2018年9月13日
4
液晶显示器原理
2、无源矩阵电极排布： 无源矩阵的构成是在液晶上下玻璃基片 内侧各光刻出 x方向和y方向两组平行的 ITO 直线电极，在x、y电极交叉处便放置一个像 素点。 通常x方向电极称为行电极，也称扫描电 极；y方向电极称为列电极，也称信号电极， 一般情况下，电极无缺行或缺列的间隔。
2018年9月13日
17
液晶显示器原理
但是这两个方面又不能无限制提高，驱 动电压过高：
第一功耗过大，电路设计比较复杂；
第二可能永久性地损坏液晶器件；
而背光源由于发光材料的限制也不可能 做得更亮，因此无源矩阵的驱动路数不可能 做得很大，它不可能实现高分辨率的图像显 示。
2018年9月13日
18
液晶显示器原理
液晶显示器原理
4、液晶显示驱动技术
液晶器件驱动电压特点
液晶显示器件的电极连接 无源矩阵液晶器件的驱动技术
有源矩阵液晶器件的驱动技术
2018年9月13日
1
液晶显示器原理
§1液晶器件驱动电压特点
1）液晶在直流电压作用下会发生电解作用，所以 必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分 量不大于几十毫伏； 2）由于液晶器件在电场作用下光学性能的改变是 依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间 长，所以交流驱动电压的作用效果不取决于其峰 值，在频率小于103Hz情况下，液晶透光率的改变 只与外加电压的有效值有关； 3）液晶单元是容性负载，是无极性的，即正压和 负压的作用效果是一样的。
2018年9月13日 13
1 偏压平均电压法原理图： b
液晶显示器原理
2018年9月13日
14
液晶显示器原理
电压分布： 假设选通像素为B（1，2），各驱动电极 上施加的电压为： X1电极施加电压V1，其余行电极上为0V； V1，则b=a+1。
1 Y2电极施加电压为－V2，其余列电极为 a
1 a
令非选择点电压与半选择点电压绝对值 相等（正压和负压作用的效果是一样的）。
2018年9月13日 11
液晶显示器原理
如何减小交叉效应呢? 我们一般从两个方面入手：
1)、提高液晶材料电光特性的陡度，需要注 意的是陡度越小，电光曲线就越陡。 一般TN型器件的 为1.2～1.5 ，STN型 器件的 ≤1.05。
2018年9月13日
12
液晶显示器原理
2)、从外部施加的驱动电压方面来考虑。 我们可以设想：由于半选择点电压与非 选择点电压相差较大，如果在非选择列上施 加适当的电压（以前的电路中非选择点上不 加电压），达到提高非选择点的电压，降低 半选择点电压，则结果是拉开了选择点与半 选择点间的电压差，而同时又缩小了半选择 点与非选择点间的电压差，无疑最佳效果应 是半选择点电压与非选择点电压相同，这就 是在多路驱动技术中普遍采用的平均电压法 的实质。
2018年9月13日
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液晶显示器原理
2018年9月13日
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§3无源矩阵液晶器件的驱动技术
对于无源矩阵液晶显示器件，它是靠同步输 入的行列电极电压合成驱动电压，驱动电压是直 接施加于像素电极上，使液晶显示直接对应于所 施驱动电压信号的一种驱动技术，也称为直接驱 动法，按寻址方式不同可分为静态驱动和动态驱 动两大类。 静态驱动是指在像素前后电极上施加电压信 号时呈显示态，不施加电压时呈非显示态，使用 静态驱动的多是引线数比较少的情况，显示的内 容比较简单，不需要行场扫描，应用最多的是笔 段式数码显示，就不再作介绍。
驱动路数 N N=8 N= 选择点电压 V0 V0 V0 半选择点电压
N 1 V0 N 1
非选择点电压
1 V0 N 1
1／9V0 0
7／9V0 V0
由上表可知：即使N不是很大，选择点与半选择 点电压几乎相等了，这样当选择点像素亮时，半选 择点像素（设计时是不亮的）也就亮了，这样将导 致对比度严重下降。
综上所述，无源驱动只适合于小屏幕的 图像的静态显示，不能用来显示高质量的大 尺寸高分辨率的图像，因为扫描行数过高， 将导致两个严重问题无法无安全克服：
1）扫描行数N高，选择点电压与部分半选择 点电压的差异将非常小，因此交叉效应将非 常明显，图像的对比度和均匀性将变得非常 差； 2）当N上升时，每行液晶像素的占空比1／N 也随之下降，造成对比度下降，图像的不均 匀性也变得非常突出。
2018年9月13日 16
液晶显示器原理
重大缺陷二：驱动路数过低。 驱动路数的多少主要取决于占空比的高 低，驱动路数N越多，占空比1/N就越低，那 么在逐行选通时作用在液晶像素上的时间就 越短，根据液晶的电能蓄积效应，液晶的电 光响应就不充分，这必将会严重影响图像的 亮度和对比度，甚至无法观看，在这种情况 下必然要求提高驱动电压，同时提供更亮的 背光源。
2018年9月13日 2
液晶显示器原理
§2液晶器件的电极连接 液晶显示器件在显示像素上可分为段形 和点阵形，后者又分为无源矩阵和有源矩阵 两种。 1、段形显示像素
段形显示像素是指显示像素为一长棒形， 也称笔段形，七段显示是最常见的一种，用 来显示数字、英文字母、汉字等，显示的内 容都是静态的，类似于数码管，但功耗较数 码管相比，非常低，如下图所示。
液晶显示器原理
无源矩阵的动态驱动技术： 1、行扫描上的各像素点同时被扫描，扫描 过后行上所有像素点上的电压均消失，不同 于CRT的逐点扫描； 2、画面上各行的像素是在不同时段内被选 通，有可能造成图像亮暗不均； 3、占空比：每扫描行电极选通时间与帧周 期之比。它等于扫描电极的倒数，扫描行越 多，占空比越小，根据液晶器件的电能蓄积 效应，液晶响应就越不充分；
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液晶显示器原理 有源器件可分为二端有源器件和三端有源器件， 二端有源器件以MIM和薄膜晶体二极管最为实用， 由于它工艺相对简单、开口率较大，投资额度小， 不少厂家特别是袖珍电视产品或中档彩屏手机生 产厂对它看好，但图像质量比三端有源略差。 三端有源器件以 TFT为主， TFT即薄膜晶体管的 意思，有源矩阵液晶器件我们主要以TFT-LCD为主 作简要介绍。
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液晶显示器原理
§4有源矩阵液晶器件的驱动技术 无源驱动由于原理上的固有缺陷：交叉 效应和占空比小，因而无法显示高质量大容 量的高清晰图像，因此只能用在小屏幕上实 现静态显示。
由此我们可以设想一下：在液晶像素中 串联加上一个受控的有源器件，使每个像素 可以独立驱动，从而可以克服交叉效应，实 现多路视频画面；如果该非线性有源器件还 具有存储性，则还可以解决由于占空比小所 带来的对比度低的问题。
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液晶显示器原理
信号电极
扫描电极
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液晶显示器原理
3、有源矩阵电极排布 在有源矩阵中， 每个液晶像素都连 着一个有源器件 （二极管、三极管 或场效应管），矩 阵电极和有源器件 均在下侧玻璃基板 上，上玻璃基板上 只有一个公用电极 。
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液晶显示器原理
2018年9月13日
电子迁移率低、驱动其 连接线多、可靠性差
要求特殊的基片材料， 如昂贵的熔融石英
采用普通玻璃为基片， 基片上集成行列驱动， 电磁辐射低，更轻、更 薄
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液晶显示器原理
TFT-LCD屏的结构如下图所示：
2018年9月13日
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液晶显示器原理 TFT液晶屏的内部驱动电路框图如下所示：
2018年9月13日 9
液晶显示器原理
重大缺陷一：无源矩阵的交叉效应
1 Y 2 3V a
1 X 2 3V a
产生交叉效应的根源： 1）液晶具有双向导通特性；
2）液晶器件的电光曲线陡度不够；
2018年9月13日 10
液晶显示器原理 下面列出了驱动路数 N=8 和N=∞时的全选点、 半选点和非选择点上的电压。
在这里需要注意的是：在 TFT-LCD 中，液晶盒 中充入的仍然是普通的 TN 液晶，与 TN-LCD 最本质 区别的不同只是驱动电路的不同。
2018年9月13日 21
液晶显示器原理
TFT器件的发展： 非晶硅a-si TFT 高温多晶硅HTPS TFT 低温多晶硅LTPS TFT
目前市场上主流 的液晶显示器件
由于半选择点电压与非选择点电压相差较大如果在非选择列上施加适当的电压以前的电路中非选择点上不加电压达到提高非选择点的电压降低半选择点电压则结果是拉开了选择点与半选择点间的电压差而同时又缩小了半选择点与非选择点间的电压差无疑最佳效果应是半选择点电压与非选择点电压相同这就是在多路驱动技术中普遍采用的平均电压法的实质
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液晶显示器原理 下表列出了不同偏压比b下的各像素点电压值：
在实际应用中，经常采用的是下列几种偏压法：
（1）1/2偏压法：常用于钟表的液晶屏幕显示； （2）1/3偏压法：多用于计算器和仪表用液晶显示， 大都是笔段显示； （3）1/5偏压法：用于驱动路数较多的点阵矩阵液 晶显示，如100行；
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2、无源矩阵电极排布： 无源矩阵的构成是在液晶上下玻璃基片 内侧各光刻出 x方向和y方向两组平行的 ITO 直线电极，在x、y电极交叉处便放置一个像 素点。 通常x方向电极称为行电极，也称扫描电 极；y方向电极称为列电极，也称信号电极， 一般情况下，电极无缺行或缺列的间隔。
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液晶显示器原理
但是这两个方面又不能无限制提高，驱 动电压过高：
第一功耗过大，电路设计比较复杂；
第二可能永久性地损坏液晶器件；
而背光源由于发光材料的限制也不可能 做得更亮，因此无源矩阵的驱动路数不可能 做得很大，它不可能实现高分辨率的图像显 示。
2018年9月13日
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4、液晶显示驱动技术
液晶器件驱动电压特点
液晶显示器件的电极连接 无源矩阵液晶器件的驱动技术
有源矩阵液晶器件的驱动技术
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液晶显示器原理
§1液晶器件驱动电压特点
1）液晶在直流电压作用下会发生电解作用，所以 必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分 量不大于几十毫伏； 2）由于液晶器件在电场作用下光学性能的改变是 依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间 长，所以交流驱动电压的作用效果不取决于其峰 值，在频率小于103Hz情况下，液晶透光率的改变 只与外加电压的有效值有关； 3）液晶单元是容性负载，是无极性的，即正压和 负压的作用效果是一样的。
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1 偏压平均电压法原理图： b
液晶显示器原理
2018年9月13日
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液晶显示器原理
电压分布： 假设选通像素为B（1，2），各驱动电极 上施加的电压为： X1电极施加电压V1，其余行电极上为0V； V1，则b=a+1。
1 Y2电极施加电压为－V2，其余列电极为 a
1 a
令非选择点电压与半选择点电压绝对值 相等（正压和负压作用的效果是一样的）。
2018年9月13日 11
液晶显示器原理
如何减小交叉效应呢? 我们一般从两个方面入手：
1)、提高液晶材料电光特性的陡度，需要注 意的是陡度越小，电光曲线就越陡。 一般TN型器件的 为1.2～1.5 ，STN型 器件的 ≤1.05。
2018年9月13日
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液晶显示器原理
2)、从外部施加的驱动电压方面来考虑。 我们可以设想：由于半选择点电压与非 选择点电压相差较大，如果在非选择列上施 加适当的电压（以前的电路中非选择点上不 加电压），达到提高非选择点的电压，降低 半选择点电压，则结果是拉开了选择点与半 选择点间的电压差，而同时又缩小了半选择 点与非选择点间的电压差，无疑最佳效果应 是半选择点电压与非选择点电压相同，这就 是在多路驱动技术中普遍采用的平均电压法 的实质。
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§3无源矩阵液晶器件的驱动技术
对于无源矩阵液晶显示器件，它是靠同步输 入的行列电极电压合成驱动电压，驱动电压是直 接施加于像素电极上，使液晶显示直接对应于所 施驱动电压信号的一种驱动技术，也称为直接驱 动法，按寻址方式不同可分为静态驱动和动态驱 动两大类。 静态驱动是指在像素前后电极上施加电压信 号时呈显示态，不施加电压时呈非显示态，使用 静态驱动的多是引线数比较少的情况，显示的内 容比较简单，不需要行场扫描，应用最多的是笔 段式数码显示，就不再作介绍。
驱动路数 N N=8 N= 选择点电压 V0 V0 V0 半选择点电压
N 1 V0 N 1
非选择点电压
1 V0 N 1
1／9V0 0
7／9V0 V0
由上表可知：即使N不是很大，选择点与半选择 点电压几乎相等了，这样当选择点像素亮时，半选 择点像素（设计时是不亮的）也就亮了，这样将导 致对比度严重下降。
综上所述，无源驱动只适合于小屏幕的 图像的静态显示，不能用来显示高质量的大 尺寸高分辨率的图像，因为扫描行数过高， 将导致两个严重问题无法无安全克服：
1）扫描行数N高，选择点电压与部分半选择 点电压的差异将非常小，因此交叉效应将非 常明显，图像的对比度和均匀性将变得非常 差； 2）当N上升时，每行液晶像素的占空比1／N 也随之下降，造成对比度下降，图像的不均 匀性也变得非常突出。
2018年9月13日 16
液晶显示器原理
重大缺陷二：驱动路数过低。 驱动路数的多少主要取决于占空比的高 低，驱动路数N越多，占空比1/N就越低，那 么在逐行选通时作用在液晶像素上的时间就 越短，根据液晶的电能蓄积效应，液晶的电 光响应就不充分，这必将会严重影响图像的 亮度和对比度，甚至无法观看，在这种情况 下必然要求提高驱动电压，同时提供更亮的 背光源。
2018年9月13日 2
液晶显示器原理
§2液晶器件的电极连接 液晶显示器件在显示像素上可分为段形 和点阵形，后者又分为无源矩阵和有源矩阵 两种。 1、段形显示像素
段形显示像素是指显示像素为一长棒形， 也称笔段形，七段显示是最常见的一种，用 来显示数字、英文字母、汉字等，显示的内 容都是静态的，类似于数码管，但功耗较数 码管相比，非常低，如下图所示。