TFT-LCD显示原理及驱动
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解析度和驅動 IC的關係
256 bits Gate×3 p
384 bits source × 8 p
XGA
768×1024×3
480 bits source × 10 p
UXGA
1200×1600×3
256 bits Gate×4 p
384 bits source × 10 p
SXGA
1024×1280×3
顏色深度(Color depth)：LCD可顯示的顏色數目
Gray Scale 0 Red Green Blue White
8 16 24 32 40 48 56 63
對6 bit顯示器而言, 共可以顯示26 x 26 x 26 = 262,144 對8 bit顯示器而言, 共可以顯示28 x 28 x 28 = 16,777,216
on/off。 On时，资料可以传 输；off时，资料不能传输。
1280
1024
TFT-LCD 面板介紹
TFT LCD 顯示器面板
CF TFT
燈管
Polarizer 偏光板 LC cell Polarizer 偏光板
PCBA Light Guide
生產流程
偏光板Polarizer
液晶分子可改變光的極化狀態，穿过扭曲液晶时，光线被液晶分子扭转 90度。通过TFT电压控制开关来控制液晶分子两端的电压，不同压差下有不同 穿透率，极化程度也相应改变，从而达到控制光线的强弱的目的。
STV
TTL RSDS
Scan Driver
1. Timing Controller(TCON) 2. Gamma Correction 3. DC/DC Converter
会因此而加高.
TFT-LCD驅動系統架構及組成
驅動電路三大區塊
Input Signal (LVDS)
GAMMA
TCON
DC/DC
驅動電路三大區塊
DC/DC
Vcc
Converter
Gamma Correction
RGB pixel LVDS
Timing Controller STH
Data Driver
圖像顯示原理
電腦顯示之圖像均是由一個個的像素(pixel)構成
dot
Pixel
每個像素均由三種 顏色紅(R) 綠(G) 藍(B) 的小光點 (dot)構成
混色效果 分別控制RGB dot亮度 ，自由組成各種圖案
三角形越大所能顯示的顏色越豐富
TFT LCD的顯示方式
Scan Line
ON
TFT
Black Matrix材料: Cr, CrO2, resin
液晶層
1.液晶可以被光穿透，並影響光的偏振性； 2.在液晶分子兩端所加電壓的不同，液晶分子的翻轉程 度不同，根據液晶角度的不同透過光的偏振性也不同；
開
開
Hale Waihona Puke Baidu液晶
関
関
打 開
閉 合
液晶互相牽引 做個轉向的動作 通過它改變光的強弱
加電壓后轉向改變
TFT-LCD显示原理及驱动介紹
主要内容
TFT LCD 簡介 TFT-LCD 面板介紹 TFT-LCD 显示原理 TFT-LCD 基本驅動方式及应用 TFT-LCD 驅動電路架構 補充： MVA显示原理介绍
TFT LCD 簡介
TFT LCD的相關知識
TFT LCD：Thin Film Transistor Liquid Crystal Display。 超薄膜晶体管液晶显示器
Cgs
Δ V = (Vgh-Vgl) •
Cgs
Cgs+Cst +Clc
D
S Cst
Clc
Vst Vcom
(Vd-Vgh)Cgs+(Vd-Vst)Cst+(VdVcom)Clc=
(Vs-Vgl)Cgs+(Vs-Vst)Cst+(VsVcom)Clc
Δ V =Vd-Vs
feed through电压,它的成因主要是因为面板上其它电压的 变化,经由寄生电容或是储存电容,影响到显示电极电压 的正确性.在LCD面板上主要的电压变化来源有3个,分别 是gate driver电压变化,source driver电压变化,以及 common电压变化.而这其中影响最大的就是gate driver电 压变化(经由Cgs或是Cs)。
最基本的彩色濾光片其結構為玻璃基板(Glass substrate)上製作防反射之
黑色遮光層,即為BM層,再依序製作上具有透光性紅` 綠`藍三原色之彩色濾光膜 層(濾光層之形狀` 尺寸`色澤配列依不同用途之液晶顯示器而異),最後濺鍍上透 明導電膜(ITO Indium Tin Oxide).
Black Matrix目的: 遮蔽漏光區域，以免看到漏光導致對比下降
Gray 254 g63
g63
g63
g63
Gray 255 g63
g63
g63
g63
TFT-LCD的穿透率：
TFT-LCD面板的宿命：光学穿透率不佳。
開口率：液晶分子中光線能透過的有效區域的比例。即液晶 分子中有效的透光區域與全部面積的比例，就稱之爲 開口率。
100%
B
開口率=B/A*100%
A
光学穿透率不佳原因： 1，TFT的开口率：约60%以上。 2，CF的滤光效率：约1/3以下。 3，偏光板的极化效率（含两片吸收）：约40%上下。 三項相乘60%×1/3× 40%約為8%
g0
g1
g0
Gray 3
g1
g1
g1
g0
…
…
…
…
…
Total color space = 2533
Gray 251 g63
g63
g63
g62
Gray 252 g63
g63
g63
g63
2533/2563 * 100% = 96.5%
Gray 253 g63
g63
g63
g63
-> 3.5% color space loss
OFF
玻璃電極 OFF
OFF 先開啟第一行，其餘關閉。
Data Line
OFF ON
OFF
OFF 接著關閉第一列，電壓已經固定，所以顯示顏色也已 固定。開啟第二列，其餘仍保持關閉。依此類推，可 完成整個畫面之顯示。
TFT LCD的指標
解析度(Resolution)：解析度越高，畫面越清晰。
Resolution Horizontal Vertical 比例
.256 Color 8（R）*8（G）*4（B）=256 Color .High Color 32（R）*64（G）*32（B）=65536 Color .Full Color 64（R）*64（G）*64（B）=262144 Color .True Color 256（R）*256（G）*256（B）=16777216 Color
True color
256 color
Dithering
Dithering
To emulate higher color depth with lower color depth data driver
Super frame
F1 F2 F3 F4
= = = =
Dithering Color Loss
• LC： Liquid Crystal 液态晶体。 • CF：Color Filter彩色濾光片。分R、G、B 三种颜
色的滤光片。 • B/L： Back light背光。 • L/G： Light Guide导光板。 • data line:數據线，進行資料的傳輸。 • scan line :扫描线，控制TFT的開關。 控制TFT上的电晶体是
Emulation of 8 bit color depth with 6 bit data driver 6 bit color depth : g0 ~ g63
Emulated 8 bit color
bf1
bf2
bf3
bf4
Gray 0
g0
g0
g0
g0
Gray 1
g1
g0
g0
g0
Gray 2
g1
Frame inversion
△
Row inversion
×
Column inversion
△
Dot inversion
×
2-line inversion
△
×: bad, △: Normal, ○: Good
Flicker × △ △ ○ ○
TFT 結構
S1 S2 S3
Sn-1 Sn
G1 G2 G3
1 line
Vg
Vgh
ΔV
Vd
Vs
Vcom
Data line
G
Vd
Vs
D S Cst
Cgs Clc
Vcom
Vgl
1 frame
ΔV
VCOM
Transmittance
Vcom
Optimized Vcom for each gray
Vd
液晶本身感受到的電壓是Vcom與
Vs
Gamma電壓之間的壓差。但實際上， 每一灰階是由Vcom與兩正負周期的
Vpixel > Vcom
++++ ----
Vpixel 負極性驅動 Vpixel < Vcom
Frame Inversion
++++
----
++++
----
++++
----
++++
----
column Inversion
+-+-
-+-+
+-+-
-+-+
+-+-
-+-+
+-+-
-+-+
2-line Inversion
所以，在TFT LCD的設計中，要盡量提高開口率，因爲只 有提高開口率，便可以增加亮度，而同時背光板的亮度也不 用那麽高，可以節省耗電及花費。
TFT-LCD 基本驅動方式及应用
TFT功能示意圖
Feed Through
Data line
Scan line Vd
Vgh-Vgl
G Vg Vs
根據公式Q=CU 由電荷不滅定律,可求得 feed through Δ V
VGA
640
480
4/3
SVGA
800
600
4/3
XGA
1024
768
4/3
SXGA
1280
1024
5/4
SVGA+
1400
1050
4/3
UXGA
1600
1200
4/3
150 bits Gate×4 p
300 bits Gate × 4 p
300 bits Source × 8 p
SVGA
600×800×3
+-+-
-+-+
+-+-
-+-+
-+-+
+-+-
-+-+
+-+-
row Inversion
++++
----
----
++++
++++
----
----
++++
dot Inversion
+-+-
-+-+
-+-+
+-+-
+-+-
-+-+
-+-+
+-+-
Inversion type Power Comsumpiton
液晶亮度的控制原理
光源
垂直偏光板 玻璃電極
液晶
玻璃電極
水平偏光板
G
S
D
Scan Data
液晶極性反轉驅動
•液晶必須以交流信號驅動 •長時間維持某一極性,液晶分子可能受到破壞
VCOM (CF側電極) ----
VCOM ++++
++++
----
----
Vpixel (+T+F+T+側電極) 正極性驅動
Gm-1 Gm
TFT Source 線 Gate 線 液晶電容 儲存電容
背光模組
背光模組主要是用來提供液晶面板均勻、高亮度的光 源，由於TFT-LCD之非自發光性，因此須利用外加光源如： 發光二極體、冷陰極射線管等。
主要功能：提供液晶面板平面光源，提供適當的 輝度、色度、均齊度、視角等
TFT-LCD 显示原理
1、優點：
體積 重量 耗電
15" LCD 416×377×175 mm
5.6 kg 25 W
15" CRT 365×368×394 mm
14.3 kg 75 W
2、缺點：
•观赏视角的限制 •響應速度較慢（液晶转动速度决定） •播放剧烈运动的图像会出现图像模糊 •操作溫度範圍有限制
TFT LCD相關名詞
Gamma Voltage組成。所以當正負周期
ΔV 的壓差不一樣時，就會產生Flicker的現 象。
-Voltage
+Voltage
VCOM
VCOM
这两种不同的Common驱动方式影响最大的就是source driver的使用. 以不同Common电压驱动方式的穿透率来说, 我们 可以看到, 当common电极的电压是固定不变的时候, 显示电极的 最高电压, 需要到达common电极电压的两倍以上. 而显示电极电 压的提供, 则是来自于source driver. 以图中common电极电压若 是固定于5伏特的话, 则source driver所能提供的工作电压范围就 要到10伏特以上. 但是如果common电极的电压是变动的话, 假使 common电极电压最大为5伏特, 则source driver的最大工作电压 也只要为5伏特就可以了. 就source driver的设计制造来说, 需要 越高电压的工作范围, 制程与电路的复杂度相对会提高, 成本也
彩色濾光片
彩色濾光片為液晶顯示器彩色化的關鍵元件,透過彩色濾光片才能 使高灰階的液晶顯示器達到全彩色化,所以彩色濾光片之作用在於利 用濾光的方式產生RGB三原光,再將三原光以不同的強弱比例混合而呈 現各種色彩,使LCD顯示出全彩.
ITO sputter
B
R
G 黑色矩陣
註解:
TFT-LCD用無鹼玻璃
256 bits Gate×3 p
384 bits source × 8 p
XGA
768×1024×3
480 bits source × 10 p
UXGA
1200×1600×3
256 bits Gate×4 p
384 bits source × 10 p
SXGA
1024×1280×3
顏色深度(Color depth)：LCD可顯示的顏色數目
Gray Scale 0 Red Green Blue White
8 16 24 32 40 48 56 63
對6 bit顯示器而言, 共可以顯示26 x 26 x 26 = 262,144 對8 bit顯示器而言, 共可以顯示28 x 28 x 28 = 16,777,216
on/off。 On时，资料可以传 输；off时，资料不能传输。
1280
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TFT-LCD 面板介紹
TFT LCD 顯示器面板
CF TFT
燈管
Polarizer 偏光板 LC cell Polarizer 偏光板
PCBA Light Guide
生產流程
偏光板Polarizer
液晶分子可改變光的極化狀態，穿过扭曲液晶时，光线被液晶分子扭转 90度。通过TFT电压控制开关来控制液晶分子两端的电压，不同压差下有不同 穿透率，极化程度也相应改变，从而达到控制光线的强弱的目的。
STV
TTL RSDS
Scan Driver
1. Timing Controller(TCON) 2. Gamma Correction 3. DC/DC Converter
会因此而加高.
TFT-LCD驅動系統架構及組成
驅動電路三大區塊
Input Signal (LVDS)
GAMMA
TCON
DC/DC
驅動電路三大區塊
DC/DC
Vcc
Converter
Gamma Correction
RGB pixel LVDS
Timing Controller STH
Data Driver
圖像顯示原理
電腦顯示之圖像均是由一個個的像素(pixel)構成
dot
Pixel
每個像素均由三種 顏色紅(R) 綠(G) 藍(B) 的小光點 (dot)構成
混色效果 分別控制RGB dot亮度 ，自由組成各種圖案
三角形越大所能顯示的顏色越豐富
TFT LCD的顯示方式
Scan Line
ON
TFT
Black Matrix材料: Cr, CrO2, resin
液晶層
1.液晶可以被光穿透，並影響光的偏振性； 2.在液晶分子兩端所加電壓的不同，液晶分子的翻轉程 度不同，根據液晶角度的不同透過光的偏振性也不同；
開
開
Hale Waihona Puke Baidu液晶
関
関
打 開
閉 合
液晶互相牽引 做個轉向的動作 通過它改變光的強弱
加電壓后轉向改變
TFT-LCD显示原理及驱动介紹
主要内容
TFT LCD 簡介 TFT-LCD 面板介紹 TFT-LCD 显示原理 TFT-LCD 基本驅動方式及应用 TFT-LCD 驅動電路架構 補充： MVA显示原理介绍
TFT LCD 簡介
TFT LCD的相關知識
TFT LCD：Thin Film Transistor Liquid Crystal Display。 超薄膜晶体管液晶显示器
Cgs
Δ V = (Vgh-Vgl) •
Cgs
Cgs+Cst +Clc
D
S Cst
Clc
Vst Vcom
(Vd-Vgh)Cgs+(Vd-Vst)Cst+(VdVcom)Clc=
(Vs-Vgl)Cgs+(Vs-Vst)Cst+(VsVcom)Clc
Δ V =Vd-Vs
feed through电压,它的成因主要是因为面板上其它电压的 变化,经由寄生电容或是储存电容,影响到显示电极电压 的正确性.在LCD面板上主要的电压变化来源有3个,分别 是gate driver电压变化,source driver电压变化,以及 common电压变化.而这其中影响最大的就是gate driver电 压变化(经由Cgs或是Cs)。
最基本的彩色濾光片其結構為玻璃基板(Glass substrate)上製作防反射之
黑色遮光層,即為BM層,再依序製作上具有透光性紅` 綠`藍三原色之彩色濾光膜 層(濾光層之形狀` 尺寸`色澤配列依不同用途之液晶顯示器而異),最後濺鍍上透 明導電膜(ITO Indium Tin Oxide).
Black Matrix目的: 遮蔽漏光區域，以免看到漏光導致對比下降
Gray 254 g63
g63
g63
g63
Gray 255 g63
g63
g63
g63
TFT-LCD的穿透率：
TFT-LCD面板的宿命：光学穿透率不佳。
開口率：液晶分子中光線能透過的有效區域的比例。即液晶 分子中有效的透光區域與全部面積的比例，就稱之爲 開口率。
100%
B
開口率=B/A*100%
A
光学穿透率不佳原因： 1，TFT的开口率：约60%以上。 2，CF的滤光效率：约1/3以下。 3，偏光板的极化效率（含两片吸收）：约40%上下。 三項相乘60%×1/3× 40%約為8%
g0
g1
g0
Gray 3
g1
g1
g1
g0
…
…
…
…
…
Total color space = 2533
Gray 251 g63
g63
g63
g62
Gray 252 g63
g63
g63
g63
2533/2563 * 100% = 96.5%
Gray 253 g63
g63
g63
g63
-> 3.5% color space loss
OFF
玻璃電極 OFF
OFF 先開啟第一行，其餘關閉。
Data Line
OFF ON
OFF
OFF 接著關閉第一列，電壓已經固定，所以顯示顏色也已 固定。開啟第二列，其餘仍保持關閉。依此類推，可 完成整個畫面之顯示。
TFT LCD的指標
解析度(Resolution)：解析度越高，畫面越清晰。
Resolution Horizontal Vertical 比例
.256 Color 8（R）*8（G）*4（B）=256 Color .High Color 32（R）*64（G）*32（B）=65536 Color .Full Color 64（R）*64（G）*64（B）=262144 Color .True Color 256（R）*256（G）*256（B）=16777216 Color
True color
256 color
Dithering
Dithering
To emulate higher color depth with lower color depth data driver
Super frame
F1 F2 F3 F4
= = = =
Dithering Color Loss
• LC： Liquid Crystal 液态晶体。 • CF：Color Filter彩色濾光片。分R、G、B 三种颜
色的滤光片。 • B/L： Back light背光。 • L/G： Light Guide导光板。 • data line:數據线，進行資料的傳輸。 • scan line :扫描线，控制TFT的開關。 控制TFT上的电晶体是
Emulation of 8 bit color depth with 6 bit data driver 6 bit color depth : g0 ~ g63
Emulated 8 bit color
bf1
bf2
bf3
bf4
Gray 0
g0
g0
g0
g0
Gray 1
g1
g0
g0
g0
Gray 2
g1
Frame inversion
△
Row inversion
×
Column inversion
△
Dot inversion
×
2-line inversion
△
×: bad, △: Normal, ○: Good
Flicker × △ △ ○ ○
TFT 結構
S1 S2 S3
Sn-1 Sn
G1 G2 G3
1 line
Vg
Vgh
ΔV
Vd
Vs
Vcom
Data line
G
Vd
Vs
D S Cst
Cgs Clc
Vcom
Vgl
1 frame
ΔV
VCOM
Transmittance
Vcom
Optimized Vcom for each gray
Vd
液晶本身感受到的電壓是Vcom與
Vs
Gamma電壓之間的壓差。但實際上， 每一灰階是由Vcom與兩正負周期的
Vpixel > Vcom
++++ ----
Vpixel 負極性驅動 Vpixel < Vcom
Frame Inversion
++++
----
++++
----
++++
----
++++
----
column Inversion
+-+-
-+-+
+-+-
-+-+
+-+-
-+-+
+-+-
-+-+
2-line Inversion
所以，在TFT LCD的設計中，要盡量提高開口率，因爲只 有提高開口率，便可以增加亮度，而同時背光板的亮度也不 用那麽高，可以節省耗電及花費。
TFT-LCD 基本驅動方式及应用
TFT功能示意圖
Feed Through
Data line
Scan line Vd
Vgh-Vgl
G Vg Vs
根據公式Q=CU 由電荷不滅定律,可求得 feed through Δ V
VGA
640
480
4/3
SVGA
800
600
4/3
XGA
1024
768
4/3
SXGA
1280
1024
5/4
SVGA+
1400
1050
4/3
UXGA
1600
1200
4/3
150 bits Gate×4 p
300 bits Gate × 4 p
300 bits Source × 8 p
SVGA
600×800×3
+-+-
-+-+
+-+-
-+-+
-+-+
+-+-
-+-+
+-+-
row Inversion
++++
----
----
++++
++++
----
----
++++
dot Inversion
+-+-
-+-+
-+-+
+-+-
+-+-
-+-+
-+-+
+-+-
Inversion type Power Comsumpiton
液晶亮度的控制原理
光源
垂直偏光板 玻璃電極
液晶
玻璃電極
水平偏光板
G
S
D
Scan Data
液晶極性反轉驅動
•液晶必須以交流信號驅動 •長時間維持某一極性,液晶分子可能受到破壞
VCOM (CF側電極) ----
VCOM ++++
++++
----
----
Vpixel (+T+F+T+側電極) 正極性驅動
Gm-1 Gm
TFT Source 線 Gate 線 液晶電容 儲存電容
背光模組
背光模組主要是用來提供液晶面板均勻、高亮度的光 源，由於TFT-LCD之非自發光性，因此須利用外加光源如： 發光二極體、冷陰極射線管等。
主要功能：提供液晶面板平面光源，提供適當的 輝度、色度、均齊度、視角等
TFT-LCD 显示原理
1、優點：
體積 重量 耗電
15" LCD 416×377×175 mm
5.6 kg 25 W
15" CRT 365×368×394 mm
14.3 kg 75 W
2、缺點：
•观赏视角的限制 •響應速度較慢（液晶转动速度决定） •播放剧烈运动的图像会出现图像模糊 •操作溫度範圍有限制
TFT LCD相關名詞
Gamma Voltage組成。所以當正負周期
ΔV 的壓差不一樣時，就會產生Flicker的現 象。
-Voltage
+Voltage
VCOM
VCOM
这两种不同的Common驱动方式影响最大的就是source driver的使用. 以不同Common电压驱动方式的穿透率来说, 我们 可以看到, 当common电极的电压是固定不变的时候, 显示电极的 最高电压, 需要到达common电极电压的两倍以上. 而显示电极电 压的提供, 则是来自于source driver. 以图中common电极电压若 是固定于5伏特的话, 则source driver所能提供的工作电压范围就 要到10伏特以上. 但是如果common电极的电压是变动的话, 假使 common电极电压最大为5伏特, 则source driver的最大工作电压 也只要为5伏特就可以了. 就source driver的设计制造来说, 需要 越高电压的工作范围, 制程与电路的复杂度相对会提高, 成本也
彩色濾光片
彩色濾光片為液晶顯示器彩色化的關鍵元件,透過彩色濾光片才能 使高灰階的液晶顯示器達到全彩色化,所以彩色濾光片之作用在於利 用濾光的方式產生RGB三原光,再將三原光以不同的強弱比例混合而呈 現各種色彩,使LCD顯示出全彩.
ITO sputter
B
R
G 黑色矩陣
註解:
TFT-LCD用無鹼玻璃