液晶基础知识32页.docx

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液晶基础知识32页

液晶基础知识

显示器是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管（CRT/CathodeRayTube）显示器为主，但随着科技不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生，近来由于液晶（LCD）显示器具有轻薄短小、耗电量低、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，在近年来价格不断下跌的吸引下，逐渐取代CRT之主流地位，显示器明日之星架势十足。

那么液晶显示器与传统的显示器相比，到底有什么新的特点呢？

一、显示质量高

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不象阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。

因此，液晶显示器画质高而且绝对不会闪烁，把眼睛疲劳降到了最低。

二、没有电磁辐射

传统显示器的显示材料是荧光粉，通过电子束撞击荧光粉而显示，电子束在打到荧光粉上的一刹那间会产生强大的电磁辐射，尽管目前有许多显示器产品在处理辐射问题上进行了比较有效的处理，尽可能地把辐射量降到最低，但要彻底消除是困难的。

相对来说，液晶显示器在防止辐射方面具有先天的优势，因为它根本就不存在辐射。

在电磁波的防范方面，液晶显示器也有自己独特的优势，它采用了严格的密封技术将来自驱动电路的少量电磁波封闭在显示器中，而普通显示器为了散发热量的需要，必须尽可能地让内部的电路与空气接触，这样内部电路产生的电磁波也就大量地向外“泄漏”了。

三、可视面积大

对于相同尺寸的显示器来说，液晶显示器的可视面积要更大一些。

液晶显示器的可视面积跟它的对角线尺寸相同。

而阴极射线管显示器，显像管前面板四周有一英寸左右的边框，不能用于显示。

四、应用范围广

最初的液晶显示器由于无法显示细腻的字符，通常应用在电子表、计算器上。

随着液晶显示技术的不断发展和进步，字符显示开始细腻起来，同时也支持基本的彩色显示，并逐步用于液晶电视、摄像机的液晶显示器、掌上游戏机上。

而随后出现的DSTN和TFT则被广泛制作成电脑中的液晶显示设备，DSTN液晶显示屏用于早期的笔记本电脑；TFT则既应用在笔记本电脑上（现在大多数笔记本电脑都使用TFT显示屏），又用于主流台式显示器上。

五、画面效果好

与传统显示器相比，液晶显示器一开始就使用纯平面的玻璃板，其显示效果是平面直角的，让人有一种耳目一新的感觉。

而且液晶显示器更容易在小面积屏幕上实现高分辨率，例如，17英寸的液晶显示器就能很好地实现1280×1024分辨率，而通常18英寸CRT彩显上使用1280×1024以上分辨率的画面效果是不能完全令人满意的。

六、数字式接口

液晶显示器都是数字式的，不像阴极射线管彩显采用模拟接口。

也就是说，使用液晶显示器，显卡再也不需要像往常那样把数字信号转化成模拟信号再行输出了。

理论上，这会使色彩和定位都更加准确完美。

七、“身材”匀称小巧

传统的阴极射线管显示器，后面总是拖着一个笨重的射线管。

液晶显示器突破了这一限制，给人一种全新的感觉。

传统显示器是通过电子枪发射电子束到屏幕，因而显像管的管颈不能做得很短，当屏幕增加时也必然增大整个显示器的体积。

而液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，即使屏幕加大，它的体积也不会成正比的增加，而且在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

八、功率消耗小

传统的显示器内部由许多电路组成，这些电路驱动着阴极射线显像管工作时，需要消耗很大的功率，而且随着体积的不断增大，其内部电路消耗的功率肯定也会随之增大。

相比而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比传统显示器也要小得多。

液晶显示器的选型

在平板显示器件领域，目前应用较广泛的有液晶（LCD）、电致发光显示（EL）、等离子体（PDP）、发光二极管（LED）、低压荧光显示器件（VFD）等。

液晶显示器件有以下一些特点

低压微功耗；平板型结构；被动显示型（无眩光，不刺激人眼，不引起眼睛疲劳）；显示信息量大（因为像素可以做的很小）；易于彩色化（在色谱上可以非常准确的复现）；无电磁辐射（对人体安全，利于信息保密）；长寿命（这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长，但是液晶背光寿命有限，不过背光部分可以更换）。

液晶选型8大要素

◆LCD类型◆质量保证◆技术支持◆品牌与价格

◆供应链保证◆分辨率与尺寸◆温度与亮度◆接口方式

液晶显示屏的类型选择

▲字符→确定显示行、列数→TN、STN类→是否带背光→确定尺寸→确定工作与储存温度范围

▲图形→单色还是彩色（TFT真彩还是STN伪彩〈一般在256色以下〉）→确定分辨率→确定外形尺寸→背光类型（LED、EL、CCFL）→确定工作与储存温度范围

▲定制→非标准模块的要求→填写定制单→签定合同

LCD类型

在液晶（LCD）方面，从选型角度，我们将常见液晶分为以下几类：

段式，字符型，

常见段式液晶的每字为8段组成，即8字和一点，只能显示数字和部分字母，如果必须显示其它少量字符、汉字和其它符号，一般需要从厂家定做，可以将所要显示的字符、汉字和其它符号固化在指定的位置，比如计算器。

对于段式液晶，我们提供定做业务。

字符型液晶，顾名思义，字符型液晶是用于显示字符和数字的，对于图形和汉字的显示方式与段式液晶无异。

字符型液晶一般有以下几种分辨率，8×1，16×1、16×2、16×4、20×2、20×4、40×2、40×4等，其中8（16、20、40）的意义为一行可显示的字符（数字）数，1（2、4）的意义是指显示行数。

图形点阵式液晶，我们又将其分为TN、STN（DSTN）、TFT等几类。

这种分类需从液晶材料和液晶效应讲起，请参考液晶显示原理。

TN类液晶由于它的局限性，只用于生产字符型液晶模块；而STN（DSTN）类液晶模块一般为中小型，既有单色的，也有伪彩色的；TFT类液晶，则从小到大都有，而且几乎清一色为真彩色显示模块。

除了TFT类液晶外，一般小液晶屏都内置控制器（控制器的概念相当于显示卡上的主控芯片），直接提供MPU接口；而大中液晶屏，要想控制其显示，都需要外加控制器。

因此，选择您所需要的液晶屏，需要考虑的几个方面细述如下：

一、如果只需要显示字符和数字，而且一屏所显示的内容不超过字符型液晶的最大限制（比如40×4），就可选择字符型液晶，直接与MPU连接即可。

二、如果需要动态地显示汉字和图形，那么，只能选择图形点阵式液晶，接下来该考虑的问题就是需要选择STN（DSTN）单色、伪彩色还是TFT真彩色。

一般情况下，如果使用单片机控制，由于其控制能力的限制，只有在640×480以下单色、320×240以下伪彩色的范围内进行选择；如果使用PC、IPC或其它控制能力比较强的主控模块（如视频输入控制模块），只要具备液晶显示部分或外加显示控制，就可以有较大的选择余地，不带内置控制器的单色、伪彩色和真彩色液晶均可。

同时应该考虑到外形尺寸的要求。

另外请注意，LCD的分辨率在物理上是固定的，满屏显示一般只能以其固有的分辨率显示，这一点与CRT有所区别。

三、背光选择，说到背光问题，需要从另一个角度将液晶分类，即透射式、反射式、半反半透式液晶三类，因为液晶为被动发光型显示器，所以必须有外界光源，液晶才会有显示，透射式液晶必须加上背景光，反射式液晶需要较强的环境光线，半反半透式液晶要求环境光线较强或加背光。

字符类液晶带背光的一般为LED背光，以黄颜色（红、绿色调）为主。

一般为+5V驱动。

单色STN中小点阵液晶多用LED或EL背光，EL背光以黄绿色（红、绿、白色调）常见。

一般用400—800Hz、70—100V的交流驱动，常用驱动需要约1W的功率。

中大点阵STN液晶和TFT类液晶多为冷阴极背光灯管（CCFL/CCFT），背光颜色为白色（红、绿、蓝色调）。

一般用25k—100kHz，300V以上的交流驱动。

四、温度范围，很多字符型液晶以及小图形点阵液晶有常温型和宽温型的，而大图形点阵的液晶宽温型的在大陆市场上比较少见，常温一般指工作温度0—50℃，宽温到-20—70℃（个别的可到零下30℃，如LQ5AW136TFT视频接口）；另外在湿度方面也有一定的要求。

五、亮度问题，亮度单位为cd/m2或叫Nit（尼特），大部分TN、STN（DSTN）液晶的亮度不超过100cd/m2，但是目前比较常用的5—6\"的伪彩色STN屏的亮度都在130cd/m2左右，京瓷有一种5.7\"的LCD亮度达200cd/m2，而TFT类液晶的亮度则150cd/m2以上常见。

六、配件方面，由于液晶的规格、接口没有国际标准，所以不同厂家、不同类型的液晶的信号接口往往不一致，所以选择液晶时，注意购买相关配件（包括信号连接器件、逆变器等）。

液晶屏幕的驱动方式

单纯矩阵驱动方式是由垂直与水平方向的电极所构成，选择要驱动的部份由水平方向电压来控制，垂直方向的电极则负责驱动液晶分子。

在TN与STN型的液晶显示器中，所使用单纯驱动电极的方式，都是采用X、Y轴的交叉方式来驱动，如下图所示，因此如果显示部份越做越大的话，那么中心部份的电极反应时间可能就会比较久。

而为了让屏幕显示一致，整体速度上就会变慢。

讲的简单一点，就好象是CRT显示器的屏幕更新频率不够快，那是使用者就会感到屏幕闪烁、跳动；或着是当需要快速3D动画显示时，但显示器的显示速度却无法跟上，显示出来的要果可能就会有延迟的现象。

所以，早期的液晶显示器在尺寸上有一定的限制，而且并不适合拿来看电影、或是玩3D游戏。

主动式矩阵的驱动方式是让每个画素都对应一个组电极，它个构造有点像DRAM的回路方式，电压以扫描的（或称作一定时间充电）方式，来表示每个画素的状态。

为了改善此一情形，后来液晶显示技术采用了主动式矩阵（active-matrixaddressing）的方式来驱动，这是目前达到高资料密度液晶显示效果的理想装置，且分辨率极高。

方法是利用薄膜技术所做成的硅晶体管电极，利用扫描法来选择任意一个显示点（pixel）的开与关。

这其实是利用薄膜式晶体管的非线性功能来取代不易控制的液晶非线性功能。

在TFT型液晶显器中，导电玻璃上画上网状的细小线路，电极则由是薄膜式晶体管所排列而成的矩阵开关，在每个线路相交的地方则有着一弄控制匣，虽然驱动讯号快速地在各显示点扫瞄而过，但只有电极上晶体管矩阵中被选择的显示点得到足以驱动液晶分子的电压，使液晶分子轴转向而成「亮」的对比，不被选择的显示点自然就是「暗」的对比，也因此避免了显示功能对液晶电场效应能力的依靠。

TFT液晶显示原理

TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括了，萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。

首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。

然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。

因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。

STN液晶显示原理

STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。

要在这里说明的是，单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形（或称黑白），并没有办法做到色彩的变化。

而STN液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。

但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片（colorfilter），并将单色显示矩阵之任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel），分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。

另外，TN型的液晶显示器如果显示屏幕做的越大，其屏幕对比度就会显得较差，不过藉由STN的改良技术，则可以弥补对比度不足的情况。

TN型液晶显示原理

TN型的液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的，而之后其它种类的液晶显示器也可说是以TN型为原点来加以改良。

同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单，请读者参照下方的图片。

图中所表示的是TN型液晶显示器的简易构造图，包括了垂直方向与水平方向的偏光板，具有细纹沟槽的配向膜，液晶材料以及导电的玻璃基板。

不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度，离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，因此光线能顺利通过，整个电极面呈光亮。

当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致，液晶层因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其偏光方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，电极面因此呈现黑暗的状态。

其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。

如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。

这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应，简称TNFE（twistednematicfieldeffect）。

在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成

LCD控制驱动器的设计与开发

对于液晶显示屏，它通常包括玻璃基板、ITO（IndiumTinOxide）膜、配向膜、偏光板等制成的夹板，上下共有两层。

每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽，上下玻璃基板配向为90度。

上下夹层中放置液晶，液晶将按照沟槽方向配向。

整体看起来，液晶分子的排列就像螺旋形的扭转排列。

当玻璃基板加入电场时，液晶分子配列产生变化，变成竖立状态。

当液晶分子竖立时光线无法通过，结果在显示屏上出现黑色。

液晶显示器（LCD）将根据电压的有无，控制液晶分子配列方向，使面板达到显示效果。

对LCD的分类，有各种分类方法。

通常可按照其显示方式分为段式、点字符式、点阵式等。

除了黑白显示外，还有多灰度和彩色显示等。

在LCD驱动时，需在段电极和公共电极上施加交流电压。

若只在电极上施加DC电压时，液晶本身发生劣化。

液晶驱动方式包括静态驱动、动态驱动等驱动方式。

1）静态驱动

所有的段都有独立的驱动电路，表示段电极与公共电极之间连续施加电压。

它适合于简单控制的LCD。

2）多路驱动方式

构成矩阵电极，公共端数为n，按照1/n的时序分别依次驱动公共端，与该驱动时序相对应，对所有的段信号电极作选择驱动。

这种方式适合于比较复杂控制的LCD。

在多路驱动方式中，像素可分为选择点、半选择点和非选择点。

为了提高显示的对比度和降低串扰，应合理选择占空比（duty）和偏压（bias）。

施加在LCD上所表示的ON和OFF时的电压有效值与占空比和偏压的关系如下：

Vo:

LCD驱动电压

N:

占空比（1/N）

a:

偏压（1/a）

多路驱动方式可分为点反转驱动和帧反转驱动。

点反转驱动适合于低占空比应用，它在各段数据输出时，将数据反转。

帧反转驱动适合于高占空比应用，它在各帧输出时，将数据反转。

对于多灰度和彩色显示的控制方法，通常采用帧频控制（FRC）和脉宽调制（PWM）方法。

帧频控制是通过减少帧输出次数，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。

而脉宽调制是通过改变段输出信号脉宽，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。

显示方式从简单的段式、点字符式到复杂的点阵式、阶调式的变化。

显示颜色从黑白逐步变化到彩色。

显示屏从小到大，响应时间逐步缩短，目前STN显示器在成本及消费电流方面有优势。

TFT显示器在对比度和动画对应速度方面有优势。

作为LCD驱动器标准电路生产厂主要有NEC、EPSON、三星等公司。

目前手机市场中使用最多的驱动器电路仍然是黑白电路。

但是，四灰度LCD驱动电路和彩色LCD驱动电路也逐渐投入到市场上。

今后具有彩色、大屏幕、可上网、响应快的显示器将成为手机发展的流行趋势。

下面将以NEC公司mPD16682A产品为例，说明LCD控制驱动器主要特性和设计流程。

该芯片适用于手机、汉字或日语传呼机以及其他显示汉字或日语字符的设备，每个字符使用16x16或12x12个点。

*内含1/65分时显示RAM的液晶显示控制/驱动器

*使用+3伏单一电源

*内含升压电路（3倍和4倍可转换）

*132x65位用于点显示的RAM

*输出：

132段、65公共端

*用于COG（ChiponGlass）

LCD驱动器基本构成由以下部分构成：

控制部分：

TopDown（自顶向下）

逻辑电路

RAM部分：

手工设计

异步2PortRAM

I/O口

输出专用口

模拟部分：

手工设计

DC/DC转换器

DA转换器

升压放大器

电压跟随器

稳压电路

温度补偿电路

振荡电路

I/O部分：

手工设计

显示屏以手机为例，设计开发企业应与国内芯片制造企业联手，设计、开发下列目前或近期即将需求的手机用LCD控制驱动器的系列产品：

黑白LCD控制驱动器

多灰度LCD控制驱动器

彩色STN-LCD控制驱动器

彩色TFT-LCD控制驱动器

1）确定LCD驱动电路规格书

根据市场需求及发展趋势，确定LCD驱动电路的规格书。

2）建立完整的设计环境

由于LCD控制驱动电路涉及到数字、模拟和高压电路。

SPICE参数的提取和验证是其中重要的一项任务。

因此，设计和工艺人员应制作测试用的TEG片，并对TEG片进行测试，提取和验证SPICE参数，建立完整的设计环境。

3）LCD控制驱动电路设计

电路设计包括确定电路设计方案、逻辑综合、电路仿真和物理实现。

·采用低功耗技术，需选择低功耗电源；内置存储器和降低振荡频率；采用OSO（OneShotOperation）电路技术；采用MLS（MultiLineSelection多线选择）驱动法。

·电路描述与仿真。

数字电路可采用HDL语言描述，HDL仿真。

模拟电路可采用原理图输入，SPICE仿真。

对于整体电路仿真需采用数模混合仿真技术，还要解决显示图象的验证技术。

·版图物理实现

为了保证设计效率，数字电路部分的版图可利用SE，进行自动布局布线。

为获得高性能，对模拟电路版图及I/O部分版图应采用手工布图。

由于全芯片采用不同的方法分块制作，因此需利用全芯片合成、布局布线技术和部分电路版图和全芯片版图的DRC技术。

4）LCD控制/驱动电路测试技术。

例如，多引脚对应能力；高速数据传送；高精度测试；高电压对应。

LCD部分专业术语解释

LCDLiquidCrystalDisplay液晶显示

LCMLiquidCrystalModule液晶模块

TNTwistedNematic扭曲向列。

液晶分子的扭曲取向偏转90°

STNSuperTwistedNematic超级扭曲向列。

约180~270°扭曲向列

FSTNFormulatedSuperTwistedNematic格式化超级扭曲向列。

一层光程补偿片加于STN，用于单色显示

TFTThinFilmTransistor薄膜晶体管

Backlight—背光

Inverter—逆变器

OSDOnScreenDisplay在屏上显示

DVIDigitalVisualInterface（VGA）数字接口

TMDSTransitionMinimizedDifferentialSignaling

LVDSLowVoltageDifferentialSignaling低压差分信号

Panelink—

ICIntegrateCircuit集成电路

TCPTapeCarrierPackage柔性线路板

COBChipOnBoard通过邦定将IC裸片固定于印刷线路板上

COFChipOnFPC将IC固定于柔性线路板上

COGChipOnGlass将芯片固定于玻璃上

Duty—占空比，高出点亮的阀值电压的部分在一个周期中所占的比率

LEDLightEmittingDiode发光二极管

ELElectroLuminescence电致发光。

EL层由高分子量薄片构成

CCFL（CCFT）ColdCathodeFluorescentLight/Tube冷阴极荧光灯

PDPPlasmaDisplayPanel等离子显示屏

CRTCathodeRadialTube阴极射线管

VGAVideoGraphicArray视频图形阵列

PCBPrintedCircuitBoard印刷电路板

Compositevideo—复合视频

Componentvideo—

S-video—S端子，与复合视频信号比，将对比和颜色分离传输

NTSCNationalTelevisionSystemsCommitteeNTSC制式,全国电视系统委员会制式

PALPhaseAlternatingLinePAL制式（逐行倒相制式）

SECAMSEquentialCouleurAvecMemoireSECAM制式（顺序与存储彩色电视系统）

VODVideoOnDemand视频点播

DPIDotPerInch点每英寸

LCD显示器的模拟/数字接口

液晶显示器（LCD）是为PC开发的最新附件之一。

与同类的阴极射线管（CRT）显示器相比，LCD显示器体积小、辐射少、功耗低，同时视频性能优越、外观新颖圆滑。

技术的进步、需求的增加以及生产成本的降低，使LCD的价格降到可为普通消费者接受，人们在考虑配置一个新的带LCD显示器的计算机系统，或是替换掉旧的CRT显示器。

在决定一项新的购置计划时，大部分消费者都要权衡其需求。

在一定的价格范围内，对于给定的一套产品的特点及预期的性能水平，消费者会在充分权衡后决定是否购买该产品。

计算机和计算机附件的购买过程也与此类似。

系统工程师必须了解消费市场中的性能价格比。

对于这种成本敏感市场而言，设计的主要目标是降低板级的BOM（原材料费用）成本。

板级元器件的去除等同于最终产品市场价格的大幅降低。

如果购买模式如上所提，消费者该怎样在数字显示器和模拟显示器间作一选择呢？

消费者在购置时会考虑以下几个关键因素：

性能、兼容性以及成本。

在购置显示器时，接口类型也成为关键的考虑因素之一。

标准的红、绿、蓝（RGB）模拟接口正面临着数字接口日渐强大的挑战。

以下篇幅将着重讨论两种方案间的差异。

模拟接口

在市场上现有的大量RGB模拟显示器中，来自计算机的离散视频数据RGB送至DAC，然后数字信号被转化为模拟信号并与水平及垂直同步信号一起传送到显示器。

在显示器内部，前置放大器具有放大、钳位及偏移调节的作用。

可选择使用