液晶顯示器件的驅動
液晶屏幕的驅動方式
在TN與STN型的液晶顯示器中，所使用單純驅動電極的方式，都是采用X、Y軸的交叉方式來驅動，如下圖所示，因此如果顯示部份越做越大的話，那么中心部份的電極反應時間可能就會比較久。而為了讓屏幕顯示一致，整體速度上就會變慢。講的簡單一點，就好象是CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快，那是使用者就會感到屏幕閃爍、跳動；或著是當需要快速3D動畫顯示時，但顯示器的顯示速度卻無法跟上，顯示出來的要果可能就會有延遲的現象。所以，早期的液晶顯示器在尺寸上有一定的限制，而且并不適合拿來看電影、或是玩3D游戲。
液晶的光學傳輸特性取決于分子排列狀態，改變分子的排列狀態就可以改變液晶層光學傳輸特性，這就是液晶電子學的應用基礎。而液晶分子排列的改變可以通過電、磁、熱等外部場的作用來實現。我們把這種通過
外場作用來改變分子排列狀態的過程稱為液晶顯示器的驅動。液晶顯示器常用的驅動方式分為如表2-1所示的幾種類型。
目前，在LCD Monitor方面，使用的都是采用TFT（薄膜式晶體管）LCD，它采用的是有源矩陣的驅動方式。因此本節將先對TFT器件進行簡要的介紹，再著重介紹有源矩陣的驅動方式。
1.薄膜式有源矩陣液晶顯示器介紹
由于普通的矩陣液晶顯示器的電光特性對多路、視頻活動圖象顯示是很難滿足要求的，因為每個像素都等效于一個無極電容，顯示中會產生串擾。為了改善，又會限制驅動的路數。因此在每個像素上設計一個非線性的有源器件，使每個像素可以被獨立驅動，從而克服了串擾，解決了大容量多路顯示遇到的困難，提高了畫面質量，使多路顯示畫面成為可能。
有源矩陣液晶顯示器件根據有源器件的種類可分為如表2-2所列的多種類型。
以下將對主流的a-siTFT三端有源矩陣液晶顯示器件進行介紹。
TFT有源矩陣驅動LCD的基本結構
a-siTFT是一種非晶硅-薄膜晶體管類型的三端有源矩陣液晶顯示器件。它制作容易，基板玻璃成本低，導通比大，可靠性高，容易大面積化。因此受到廣泛應用。圖2-1為其基本結構。
同一般液晶顯示器件類似，a-SiTFT液晶顯示器件也是在兩片玻璃之間封入液晶，而且液晶顯示器件就是普通的TN型方式。不過，其玻璃基板則與普通液晶顯示器件大不相同，在下玻璃板上要配制上掃描線和尋址線（即行、列線），將其組合成一個個矩陣，在其交點上再制作上TFT有源器件和像素電極，如圖2-2所示。
圖2-2 TFT有源矩陣液晶顯示屏的電極排布
為了改善此一情形，后來液晶顯示技術采用了主動式矩陣（active-matrix addressing）的方式來驅動，這是目前達到高資料密度液晶顯示效果的理想裝置，且分辨率極高。方法是利用薄膜技術所做成的硅晶體管電極，利用掃描法來選擇任意一個顯示點（pixel）的開與關。這其實是利用薄膜式晶體管的非線性功能來取代不易控制的液晶非線性功能。
如上圖，在TFT型液晶顯器中，導電玻璃上畫上網狀的細小線路，電極則由是薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開關，在每個線路相交的地方則有著一弄控制匣，雖然驅動訊號快速地在各顯示點掃瞄而過，但只有電極上晶體管矩陣中被選擇的顯示點得到足以驅動液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉向而成「亮」的對比，不被選擇的顯示點自然就是「暗」的對比，也因此避免了顯示功能對液晶電場效應能力的依靠。
2. TFT-LCD的驅動原理
由于TFT-LCD矩陣結構是由一塊帶有TFT三端元件陣列和像素電極陣列的基板與另一塊帶有彩色膜和公共電極的基板，以及由此兩基板疊合后夾入的液晶層構成，此外，此方式的掃描線和信號線都設置在同一個三端子元件的基板上。掃描線與該行上所有TFT元件的柵極相連，而信號線與該列上所有的TFT元件的源電極相連。TFT-LCD的等效電路如圖2-3所示。在以行順序驅動方式依次掃描行電極過程中，當某行一旦被選通，則該行上所有的TFT開關元件同時被行脈沖閉合，變成低阻（Ron）導通狀態。與行掃同步，各列信號電荷分別通過列電極從保持電路送入與導通元件TFT相連的各相應像素電容，信號電壓被記錄在像素電容和儲存電容上。當行選一結束，TFT開關元件即斷開（處于高阻Roff狀態），被記錄的信號電壓將被保持并持續驅動像素液晶，直到下幀掃描到來之前。稱此驅動為準靜態驅動。由此工作過程可看出，掃描電壓只做TFT元件的開關電壓之用，而驅動液晶的電壓是信號電壓通過導通TFT元件對像素電容充電后在像素電極和公共電極之間形成的電位差VLC。VLC大小決定于信號電壓Vs。可見，采用TFT元件作有源矩陣驅動，可實現開關電壓和驅動電壓分開，從而可達到開關元件的開關特性和液晶像素的電光特性的最佳組合，可獲得高像質顯示。
a TFT-LCD等效電路
b 單像素TFT工作原理
3. TFT液晶顯示器件寫入機理
液晶顯示器件寫入機理，即液晶顯示器件是依靠什么方法將人們所需顯示的信息用來作用于器件，使器件達到顯示的目的。
1) 液晶顯示器件寫入的條件
眾所周知，所有液晶顯示器件的顯示原理是依靠外場（包括電、熱、光等）作用于初始排列的液晶分子上。依靠液晶分子的偶極矩和各向異性的特點，使液晶分子的初始排列發生變化，通過液晶器件的外界光被調制，使液晶顯示器件發生明、暗、遮、透、變色等效果達到顯示目的。但是要想實現某一特性的顯示目的，則需要滿足以下兩個基本條件：
⑴ 足夠強的電（熱、光）信號作用于液晶，使其改變其初始排列；
⑵ 每個電（熱、光）信號均可以在一段時內作用于一個或幾個像素單元。使像素能夠組合成一個視覺信號。由于直流電場將會導致液晶材料的電化學反映和電極劣化、老化，因此只能在像素電極上建立交流電場，而且應該盡可能減少交流電場中的直流成分，實用中應保持直流成分在幾十毫伏以下，所施加的交流電場的強弱以其有效值來表示。只有所施加的交流電場有效值大于液晶顯示器件的閥值電壓時，該像素才能呈顯示狀態。由于液晶顯示器件有類型、規格、型號的不同，對所施加電壓的波形、相位、頻率、占空比、有效值都有不同的要求。而對于像素控制方面的要求，則包含有以下兩層意思：
首先，由于器件像素電極連線的排布不同，要求外部必須配置相應的硬件，以提供驅動電壓波形。
其次，按照一定的指令將若干個顯示像素組合成不同的數字、字符、圖形或圖象。
2) 液晶顯示器件的寫入機理
在滿足液晶顯示器件寫入基本條件下，信息信號作用與不同類型的液晶顯示器件的機理也不一樣。這里只介紹有源矩陣薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器件的寫入機理。對于其他類型液晶顯示器件的寫入機理將不做介紹。
TFT-LCD的寫入機理：以行掃描信號和列尋址信號控制作用于被寫入像素電極上的薄膜晶體管有源電路，使有源電路產生足夠大的通斷比（Ron/Roff），從而間接控制像素電極間呈TN型的液晶分子排列，達到顯示的目的。該寫入的特點就是經TFT有源電路間接控制的TN型器件顯示像素，可實現高路數多路顯示和視頻圖象顯示。
4. TFT液晶顯示器件的驅動方法
依據液晶顯示器件寫入機理和顯示像素電極的排布方式即可確定對其進行驅動的基本條件。液晶顯示器件的種類繁多，驅動的方法也不同。但是無論哪種類型的器件，還是使用什么不同的驅動方法都是以調整施加到像素電極上的電壓、相位、頻率、峰值、有效值、時序、占空比等一系列參數、特性來建立起一定的驅動條件，實現顯示。主要的驅動有很多，在此僅介紹TFT-LCD所采用的有源矩陣驅動法。
由于有源矩陣液晶顯示器件的每個像素點上都有一套有源器件，所以對這種器件的驅動是對每個像素點上的有源器件的驅動。圖2-4為TFT液晶顯示驅動的時序圖。
從圖中可以看出，外電路不能直接將電壓施加到液晶像素上，施加在
像素上的電壓決定于TFT晶體管的特性。當晶體管開、關比達到106Ω以上時，則可以滿足液晶功能像素對通斷比的要求。
晶體管TFT是這樣工作的，當TFT柵極G掃描被選通時，VG被接入一個正高脈沖，此時同步輸入選址的源極信號是一個圍繞一個中心值為VC的永遠低于VG選通脈沖幅值的選址數據電壓VLD，TFT晶體管被打開。從源極到接通液晶像素的漏極之間呈一通路，電壓被加到液晶像素電極和補償電容電極上。這時即使施加電場撤掉，由于電容作用，其像素上施加的電壓也將保持相當時間，直至下次選通的到來。若設置的電容值使其像素選通達半幀時間，同時使下半幀尋址信號以VC進行反相，則可以實現：
⑴ 如圖2-6所示，使加在像素上的驅動波形呈交流態；
⑵ 驅動路數與TFT晶體管特性有關，而與液晶電光響應特性無關。這將徹底解決液晶多路驅動難題；
⑶ 從圖中波形還可以看出，這種驅動方式沒有半選通波形，因此也就沒有交叉效應以及對比度下降等缺陷；
⑷ 此外，這種驅動也不受液晶電光響應速度的影響，可以顯示視頻活動圖象，沒有閃爍也沒有拖尾。
5. 液晶顯示驅動器原理
液晶顯示器驅動器是為液晶顯示器件的像素提供電場的器件。由于液晶顯示像素上施加的必須是交流電場，因此要求液晶顯示驅動器的驅動輸出必須是交流驅動；電場電壓有效值在液晶像素的閥值電壓附近時，液晶將呈現較弱的電光效應，此態將會影響液晶顯示器件的顯示對比度。因此液晶顯示驅動器要能夠控制驅動輸出的電壓幅值，用以實現對比度控制。
液晶顯示驅動器通過對其輸出到液晶顯示器件上的電位信號進行相位、峰值、頻率等參數的調制來建立交流電場，以實現顯示效果。應用上的液晶顯示驅動器有靜態驅動器和動態驅動器。點陣式液晶顯示器件都是采用動態驅動器。驅動器又有行驅動器和列驅動器之分。
6. 液晶顯示驅動系統和液晶顯示模塊的構成
A) 液晶顯示驅動系統
利用多片液晶驅動器組合成一個點陣液晶顯示器件的驅動系統。這個系統包括有行驅動器，列驅動器，偏壓電路，驅動電源發生器以及溫度補償電路等。
在大規模點陣液晶顯示器件的驅動電路中主要的控制時序信號是不變的。行驅動脈沖LCP與列驅動器的鎖存脈沖LP是同步的，所以這兩個信號是合為一個LP信號的。顯示數據的傳輸方式將根據列驅動器組的數據傳輸方式而定。常見的有串行數據傳輸方式和并行數據傳輸方式。
偏壓電路：在動態驅動方式中，偏置電壓的設置是非常重要的。根據所需的偏置電壓系數，把液晶驅動電壓均分為不同的電壓檔，這就是偏壓生成電路的功能。偏壓生成電路實際上是等分電壓電路，常用的有兩種方式：電阻分壓電路和運放分壓電路。
溫度補償電路一般是利用電阻、二極管或三極管等元件的溫度系數在分壓電路中的影響，來補償液晶材料由于環境溫度的影響而使電壓閥值電壓下降，從而影響顯示的對比度。
驅動電源（DC-DC）電路：液晶的驅動是建立一定電壓的電場來實現的，為了保證驅動器的控制信號能夠與控制系統的信號電平兼容，驅動器的邏輯電源都使用了CMOS芯片的邏輯電源。這個電源也作為液晶的驅動電源的一側。但憑這個電源使點陣液晶顯示器件產生顯示效果還是不夠的，它需要有更大的驅動電壓。為了獲得這個電壓，驅動器還需要一個液晶驅動電源，通常是向負電壓方向增加。若控制系統的電源有合適的負電源則直接使用即可。若沒有則可以利用現有的DC-DC變換器從邏輯電源轉換成負電源。由于液晶可以等效成一個電容，屬電壓型驅動，耗電流較小，所以DC-DC變換器所需的工作電流比較小，可以直接使用IC驅動。
B) 液晶顯示模塊的構成
由于點陣型液晶顯示器件的引線眾多，而且要將這些引線從玻璃上引到驅動系統的PCB板上，這在工藝上不是普通用戶所能掌握的。所以液晶顯示器件的制造商們將液晶顯示器件產品進一步開發，制作出相應的驅動PCB板和壓框，然后用壓框和導帶或導電橡膠條將液晶顯示器件固定在PCB板上。PCB板上含有完整的驅動器系統，電路接口包含了驅動器系統所需要的控制信號和電源。這就叫液晶顯示模塊（LCM）。
液晶顯示模塊電路中的控制信號是用來接收控制系統發來的數據信號和操作信號的。這些信號有：
FLM：幀信號； LP：鎖存脈沖信號； CP：移位脈沖信號；
M：交流驅動波形； D（i）：顯示數據。 |
