TFT LCD顯示原理詳解

<什么是液晶>

我們一般認為物體有三態：固態、液態、氣態，其實這只是針對水而言，有一些有機化和物 還有介於固態和液態中間的狀態

就是液晶態，如下圖（一）:

                   圖（一）

<TFT LCD顯示原理>

a:背景

兩塊偏光的柵欄角度相互垂直時光線就完全無法通過，圖（六）是用偏光太陽鏡做的測試。

             圖（六）

 

b:TFT LCD顯示原理

液晶顯示器就是利用偏光板這個特性來完成的，利用上下兩片柵欄之間互垂直的偏光板之間充滿了液晶，在利用電場控制液晶分支的旋轉，來改變光的行進方向，如此一來，不同的電場大小，就會形成不同顏色度了，如圖（七）。

             圖（七）

b-1:當在不加上電極的時候，當入射的光線經過下面的偏光板(起偏器)時, 會剩下單方向的光波,通過液晶分子時, 由於液晶分子總共旋轉了90度, 所以當光波到達上層偏光板時, 光波的極化方向恰好轉了90度。下層的偏光板與上層偏光板, 角度也是恰好差異90度。 所以光線便可以順利的通過，如果光打在紅色的濾光片上就顯示為紅色。效果如圖（七）中前兩個圖所示。

 

b-2:當在加上電極后(最大電極)，液晶分子在受到電場的影響下，都站立着，光路沒有改變，光就無法通過上偏光板，也就無法顯示，如圖（七）藍色濾光片下面的液晶。

 

c: TFT-LCD 驅動電路。

    為了顯示任意圖形， TFT-LCD 用 m × n 點排列的逐行掃描矩陣顯示。在設計驅動電路時，首先要考慮液晶電解會使液晶材料變質，為確保壽命一般都采用交流驅動方式。已經形成的驅動方式有：電壓選擇方式、斜坡方式、 DAC 方式和模擬方式等。由於 TFT-LCD 主要用於筆記本計算機，所以驅動電路大致分成：信號控制電路、電源電路、灰度電壓電路、公用電極驅動電路、數據線驅動電路和尋址線驅動電路（柵極驅動 IC ）。上述驅動電路的主要功能是：信號控制電路將數字信號、控制信號以及時鍾信號供給數字 IC ，並把控制信號和時鍾信號供給柵極驅動 IC ；電源電路將需要的電源電壓供給數字 IC 和柵極驅動 IC ；灰度電壓電路將數字驅動電路產生的 10 個灰度電壓各自供給數據驅動；公用電極驅動電路將公用電壓供給相對於象素電極的共享電極；數據線驅動電路將信號控制電路送來的 RGB 信號的各 6 個比特顯示數據以及時鍾信號，定時順序鎖存並續進內部，然后此顯示數據以 6 比特 DA 變換器轉換成模擬信號，再由輸出電路變換成阻抗，供給液晶屏的資料線；柵極驅動電路將信號控制電路送來的時鍾信號，通過移位寄存器轉換動作，將輸出電路切換成 ON ／ OFF 電壓，並順次加到液晶屏上。最后，將驅動電路裝配在 TAB （自動焊接柔性線路板）上，用 ACF （各向異性導電膠膜）、 TCP （驅動電路柔性引帶）與液晶顯示屏相連接。

 

d: TFT-LCD工作原理

    首先介紹顯示原理。液晶顯示的原理基於液晶的透光率隨其所施電壓大小 而變化的特性。當光通過上偏振片后，變成線性偏振光，偏振方向與偏振片振動方向一致，與上下玻璃基板上面液晶分子排列順序一致。當光通過液晶層時，由於受液晶折射，線性偏振光被分解為兩束光。又由於這兩束光傳播速度不同（相位相同），因而當兩束光合成后，必然使振光的振動方向發生變化。通過液晶層的光，則被逐漸扭曲。當光達到下偏振片時，其光軸振動方向被扭曲了90度，且與下偏振片的振動方向保持一致。這樣，光線通過下偏振片形成亮場。加上電壓以后，液晶在電場作用下取向，扭曲消失。這時，通過上偏振片的線性偏振光，在液晶層不再旋轉，無法通過下偏振片而形成暗場。可見液晶本身不發光，在外光源的調制下，才能顯示，在整個顯示過程中，液晶起到一個電壓控制的光閥作用。TFT-LCD的工作原理則可簡述為：當柵極正向電壓大於施加電壓時，漏源電極導通，當柵極正向電壓等於0或負電壓時，漏源電極斷開。漏電極與ITO象素電極連結，源電極與源線（列電極）連結，柵極與柵線（行電極）連結。這就是TFT-LCD的簡單工作原理

 

 

 

c:常用的液晶結構

c-1：所謂的NW(Normally white)

  NW指當我們對液晶面板不施加電壓時, 我們所看到的面板是亮的畫面, 所以才叫做normally white。 另外一種, 當對液晶面板不施加電壓時, 面板無法透光, 看起來是黑色的, 就稱之為NB(Normally black)

c-2:為什么要有這兩種結構？
  主要是為了不同的應用環境。 一般桌上型計算機或是筆記型計算機,大多為NW的配置,那是因為一般計算機軟件的使用環境,你會發現整個屏幕大多是亮點, 也就是說計算機軟件多為白底黑字的應用。 既然亮着的點占大多數, 使用NW當然比較方便,也因為NW的亮點不需要加電壓, 平均起來也會比較省電。

反過來,NB的應用環境大多是屬於顯示屏為黑底的應用了。

<LCD單個像素點的結構圖>

a:lcd切面的結構：

                     圖（八）

b:作用原理

  TFT_LCD（ 薄膜晶體管液晶顯示器）, 液晶顯示器需要電壓控制來產生灰階 . TFT 利用薄膜晶體管來產生電壓 , 以控制液晶轉向的顯示器。 從圖（八）的切面結構圖來看 , 在上下兩層玻璃間 夾着液晶 ,  便會形成平行板電容器 ,  我們稱之為 CLC(capacitor of liquid crystal).  它的大小約為 0.1pF,  但是實際應用上 ,  這個電容並無法將電壓保持到下一次再更新畫面數據的時候 .  也就是說當 TFT 對這個電容充好電時 ,  它並無法將電壓保持住 ,  直到下一次 TFT 再對此點充電的時候 .( 以一般 60Hz 的畫面更新頻率 ,  需要保持約 16ms 的時間 .)  這樣一來 ,  電壓有了變化 ,  所顯示的灰階就會不正確 .  因此一般在面板的設計上 ,  會再加一個儲存電容 CS(storage capacitor  大約為 0.5pF),  以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候 .  不過正確的來說 ,  長在玻璃上的 TFT 本身 , 只是一個使用晶體管制作的開關 .  它主要的工作是決定 LCD source driver 上的電壓是不是要充到這個點來 .  至於這個點要充到多高的電壓 ,  以便顯示出怎樣的灰階 .  都是由外面的 LCD source driver 來決定的 .

c:框膠與spacer：

框膠與spacer兩種結構成分. 其中框膠的用途,就是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃, 能夠緊密黏住, 並且提供面板中的液晶分子與外界的阻隔,所以框膠正如其名,是圍繞於面板四周, 將液晶分子框限於面板之內. 而spacer主要是提供上下兩層玻璃的支撐, 它必須均勻的分布在玻璃基板上, 不然一但分布不均造成部分spacer聚集在一起, 反而會阻礙光線通過, 也無法維持上下兩片玻璃的適當間隙(gap), 會成電場分布不均的現象, 進而影響液晶的灰階表現.

<放大鏡下的液晶>

 

 

                      圖（九）

a:每個像素點的結構

   放大鏡下面的液晶面板如圖（九）中所顯示的樣子.每一份像素點由"紅色","藍色","綠色"三個子基色構成（這就是所謂的三原色. 也就是說利用這三種顏色）。我們把RGB三種顏色,分成獨立的三個點, 各自擁有不同的灰階變化, 然后把鄰近的三個RGB顯示的點,當作一個顯示的基本單位,也就是pixel.那這一個pixel,就可以擁有不同的色彩變化了.（然后對於一個需要分辨率為1024*768的顯示畫面, 我們只要讓這個平面顯示器的組成有1024*768個pixel,）便可以正確的顯示這一個畫面. 

b：開口率

 液晶顯示器中有一個很重要的參數就是亮度, 而決定亮度最重要的因素就是開口率。開口率就是光線能透過的有效區域比例。每一個RGB的點之間的黑色部分, 就叫做Black matrix.我們回過頭來看圖（九）就可以發現,black matrix主要是用來遮住不打算透光的部分.比如像是一些ITO的走線,或是Cr/Al的走線,或者是TFT的部分.這也就是為什么我們在圖（九）中,每一個RGB的亮點看起來, 並不是矩形, 在其左上角也有一塊被black matrix遮住的部分, 這一塊黑色缺角的部份就是TFT的所在位置.

 

<常見的濾光片排列>

                圖（十）

<像素>

a：像素原理

液晶面板上每個像素都分成紅、綠、藍三種顏色，RGB就是所謂的三原色，利用這三種顏色可以混合出各種不同的顏色，我們把RGB三種顏色分成獨立的三個點，各自擁有不同的灰階變化，然后把鄰近的三個RGB顯示的點當作一個顯示的基本單元，就是像素，這個像素就可以擁有不同的色彩變化了。

b：顏色深度

normal Color

256 Color 8（R）*8（G）*4（B）=256 Color

High Color 

65536Coloe32（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

                                  

<LCD 內部電路>

a:結構圖

               圖（十二）

 

b:主要的驅動TFT工作的部分有以下幾個

1、source driver  源驅動， 負責供電。

2、gate driver 柵驅動， 負責打開關閉。

3、時序控制電路，負責控制gate driver

4、灰度、gamma控制電路

              圖（十三）

a：整片面板的大致結構

   從圖（十三）中我們可以看到整片面板的等效電路,其中每一個TFT與兩個電容所並聯(代表一個顯示的點. 而一個基本的顯示單元 pixel,則需要三個這樣顯示的點,分別來代表 RGB 三原色. 以一個1024*768分辨率的TFT_LCD來說,共需要1024*768*3個這樣的點組合而成)

b：顯示步驟

   如圖中gate driver 所送出的波形, 依序將每一行的 TFT 打開, 好讓整排的source driver同時將一整行的顯示點,充電到各自所需的電壓,顯示不同的灰階.當這一行充好電時,gate driver便將電壓關閉,然后下一行的gate driver便將電壓打開,再由相同的一排source driver對下一行的顯示點進行充放電.如此依序下去, 當充好了最后一行的顯示點, 便又回過來從頭從第一行再開始充電.

 

b-1:圖示

先開放第一行，其他關閉。

                       圖（十四）

 

接着關閉第一行，電壓已經固定，固顏色也固定，然后開放第二類，其余關閉，以此類推。

                         圖（十五）

 

    由於液晶分子還有一種特性,就是不能夠一直固定在某一個電壓不變, 不然時間久了, 你即使將電壓取消掉, 液晶分子會因為特性的破壞, 而無法再因應電場的變化來轉動, 以形成不同的灰階. 所以每隔一段時間, 就必須將電壓恢復原狀, 以避免液晶分子的特性遭到破壞. 

<背光源>

                            圖（十七）

手機上用的TFT 類型的LCD 大部分是用 LED來作為光源的，現有高通手機上背光有三種方式：

1、PWM 方式， 根據輸出方波的占空比來控制電流大小

2、一線脈沖方式， 根據輸入方波的邏輯連控制輸出電流大小

3、dcs方式，有LCD反饋給背光控制芯片來控制輸出電流大小

一般手機上都會有個背光控制芯片來升壓控制電流，以8x25上的背光芯片TPS61161為例（其他的背光芯片也類似）

TPS61161的連接方式：

 

CTRL 需要連接到平台上的GPIO或則 PMIC上的GPIO。

這款芯片是pwm方式和一線脈沖方式兩用的芯片，工作模式如下：

                            圖（十八）

上圖，上半部分就是PWM方式，控制就由GPIO直接連到背光芯片上即可，有一點需要注意，一般用PWM方式都是由PMIC直接控制的因為如果用AP控制在系統負載大的時候PWM波形會失真。下半部分為一線脈沖方式輸入需要有一個邏輯來觸發一線脈沖方式

數據格式如下：

               圖（十九）

數據對應的電流值如下（只給出部分電流值）

                 圖（二十）

DCS方式則是LCD本身可以支持CABC 或則 LABC功能

            圖（二十一）

原理，如圖， 平台這邊用mipi dcs 命令控制CABC功能，LCD的寄存器為

51H（默認背光亮度 0 ～ 255）

53 H（打開關閉）

55H（模式 不同廠家定義不同）背光
平台通過mipi 包把 51H 53H 55H 發到 LCD panel 上， LCD panel 根據自身的圖像和平台發過來的背光值 計算出自己合適的背光值 在通過 LCD panel 上 的管腳以PWM 方波的形式發給 平台， 平台上有對應的背光芯片接受 PWM 波，背光芯片在根據PWM的波形來控制LCD panel 上LED 兩端的電壓大小，來控制背光。

 

在DCS方式下有個LCD輸出的PWM頻率和背光芯片的輸入頻率是陪的問題在調試的時候需要注意，一般LCD端輸出的PWM頻率都可調。

 

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