TFT LCD显示原理详解

<什么是液晶>

我们一般认为物体有三态：固态、液态、气态，其实这只是针对水而言，有一些有机化和物 还有介于固态和液态中间的状态

就是液晶态，如下图（一）:

                   图（一）

<TFT LCD显示原理>

a:背景

两块偏光的栅栏角度相互垂直时光线就完全无法通过，图（六）是用偏光太阳镜做的测试。

             图（六）

b:TFT LCD显示原理

液晶显示器就是利用偏光板这个特性来完成的，利用上下两片栅栏之间互垂直的偏光板之间充满了液晶，在利用电场控制液晶分支的旋转，来改变光的行进方向，如此一来，不同的电场大小，就会形成不同颜色度了，如图（七）。

             图（七）

b-1:当在不加上电极的时候，当入射的光线经过下面的偏光板(起偏器)时, 会剩下单方向的光波,通过液晶分子时, 由于液晶分子总共旋转了90度, 所以当光波到达上层偏光板时, 光波的极化方向恰好转了90度。下层的偏光板与上层偏光板, 角度也是恰好差异90度。 所以光线便可以顺利的通过，如果光打在红色的滤光片上就显示为红色。效果如图（七）中前两个图所示。

 

b-2:当在加上电极后(最大电极)，液晶分子在受到电场的影响下，都站立着，光路没有改变，光就无法通过上偏光板，也就无法显示，如图（七）蓝色滤光片下面的液晶。

 

c:TFT-LCD驱动电路。

   为了显示任意图形，TFT-LCD用m×n点排列的逐行扫描矩阵显示。在设计驱动电路时，首先要考虑液晶电解会使液晶材料变质，为确保寿命一般都采用交流驱动方式。已经形成的驱动方式有：电压选择方式、斜坡方式、DAC方式和模拟方式等。由于TFT-LCD主要用于笔记本计算机，所以驱动电路大致分成：信号控制电路、电源电路、灰度电压电路、公用电极驱动电路、数据线驱动电路和寻址线驱动电路（栅极驱动IC）。上述驱动电路的主要功能是：信号控制电路将数字信号、控制信号以及时钟信号供给数字IC，并把控制信号和时钟信号供给栅极驱动IC；电源电路将需要的电源电压供给数字IC和栅极驱动IC；灰度电压电路将数字驱动电路产生的10个灰度电压各自供给数据驱动；公用电极驱动电路将公用电压供给相对于象素电极的共享电极；数据线驱动电路将信号控制电路送来的RGB信号的各6个比特显示数据以及时钟信号，定时顺序锁存并续进内部，然后此显示数据以6比特DA变换器转换成模拟信号，再由输出电路变换成阻抗，供给液晶屏的资料线；栅极驱动电路将信号控制电路送来的时钟信号，通过移位寄存器转换动作，将输出电路切换成ON／OFF电压，并顺次加到液晶屏上。最后，将驱动电路装配在TAB（自动焊接柔性线路板）上，用ACF（各向异性导电胶膜）、TCP（驱动电路柔性引带）与液晶显示屏相连接。

 

d:TFT-LCD工作原理

   首先介绍显示原理。液晶显示的原理基于液晶的透光率随其所施电压大小而变化的特性。当光通过上偏振片后，变成线性偏振光，偏振方向与偏振片振动方向一致，与上下玻璃基板上面液晶分子排列顺序一致。当光通过液晶层时，由于受液晶折射，线性偏振光被分解为两束光。又由于这两束光传播速度不同（相位相同），因而当两束光合成后，必然使振光的振动方向发生变化。通过液晶层的光，则被逐渐扭曲。当光达到下偏振片时，其光轴振动方向被扭曲了90度，且与下偏振片的振动方向保持一致。这样，光线通过下偏振片形成亮场。加上电压以后，液晶在电场作用下取向，扭曲消失。这时，通过上偏振片的线性偏振光，在液晶层不再旋转，无法通过下偏振片而形成暗场。可见液晶本身不发光，在外光源的调制下，才能显示，在整个显示过程中，液晶起到一个电压控制的光阀作用。TFT-LCD的工作原理则可简述为：当栅极正向电压大于施加电压时，漏源电极导通，当栅极正向电压等于0或负电压时，漏源电极断开。漏电极与ITO象素电极连结，源电极与源线（列电极）连结，栅极与栅线（行电极）连结。这就是TFT-LCD的简单工作原理

 

c:常用的液晶结构

c-1：所谓的NW(Normally white)

  NW指当我们对液晶面板不施加电压时, 我们所看到的面板是亮的画面, 所以才叫做normally white。另外一种, 当对液晶面板不施加电压时, 面板无法透光, 看起来是黑色的, 就称之为NB(Normally black)

c-2:为什么要有这两种结构？
  主要是为了不同的应用环境。 一般桌上型计算机或是笔记型计算机,大多为NW的配置,那是因为一般计算机软件的使用环境,你会发现整个屏幕大多是亮点, 也就是说计算机软件多为白底黑字的应用。 既然亮着的点占大多数, 使用NW当然比较方便,也因为NW的亮点不需要加电压, 平均起来也会比较省电。

反过来,NB的应用环境大多是属于显示屏为黑底的应用了。

<LCD单个像素点的结构图>

a:lcd切面的结构：

                     图（八）

b:作用原理

  TFT_LCD（薄膜晶体管液晶显示器）,液晶显示器需要电压控制来产生灰阶. TFT利用薄膜晶体管来产生电压,以控制液晶转向的显示器。从图（八）的切面结构图来看,在上下两层玻璃间夹着液晶, 便会形成平行板电容器, 我们称之为CLC(capacitor of liquid crystal). 它的大小约为0.1pF, 但是实际应用上, 这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候. 也就是说当TFT对这个电容充好电时, 它并无法将电压保持住, 直到下一次TFT再对此点充电的时候.(以一般60Hz的画面更新频率, 需要保持约16ms的时间.) 这样一来, 电压有了变化, 所显示的灰阶就会不正确. 因此一般在面板的设计上, 会再加一个储存电容CS(storage capacitor 大约为0.5pF), 以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候. 不过正确的来说, 长在玻璃上的TFT本身,只是一个使用晶体管制作的开关. 它主要的工作是决定LCD source driver上的电压是不是要充到这个点来. 至于这个点要充到多高的电压, 以便显示出怎样的灰阶. 都是由外面的LCD source driver来决定的.

c:框胶与spacer：

框胶与spacer两种结构成分. 其中框胶的用途,就是要让液晶面板中的上下两层玻璃, 能够紧密黏住, 并且提供面板中的液晶分子与外界的阻隔,所以框胶正如其名,是围绕于面板四周, 将液晶分子框限于面板之内. 而spacer主要是提供上下两层玻璃的支撑, 它必须均匀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, 反而会阻碍光线通过, 也无法维持上下两片玻璃的适当间隙(gap), 会成电场分布不均的现象, 进而影响液晶的灰阶表现.

<放大镜下的液晶>

图（九）

a:每个像素点的结构

放大镜下面的液晶面板如图（九）中所显示的样子.每一份像素点由"红色","蓝色","绿色"三个子基色构成（这就是所谓的三原色. 也就是说利用这三种颜色）。我们把RGB三种颜色,分成独立的三个点, 各自拥有不同的灰阶变化, 然后把邻近的三个RGB显示的点,当作一个显示的基本单位,也就是pixel.那这一个pixel,就可以拥有不同的色彩变化了.（然后对于一个需要分辨率为1024*768的显示画面, 我们只要让这个平面显示器的组成有1024*768个pixel,）便可以正确的显示这一个画面.

b：开口率

液晶显示器中有一个很重要的参数就是亮度, 而决定亮度最重要的因素就是开口率。开口率就是光线能透过的有效区域比例。每一个RGB的点之间的黑色部分, 就叫做Black matrix.我们回过头来看图（九）就可以发现,black matrix主要是用来遮住不打算透光的部分.比如像是一些ITO的走线,或是Cr/Al的走线,或者是TFT的部分.这也就是为什么我们在图（九）中,每一个RGB的亮点看起来, 并不是矩形, 在其左上角也有一块被black matrix遮住的部分, 这一块黑色缺角的部份就是TFT的所在位置.

 

<常见的滤光片排列>

图（十）

<像素>

a：像素原理

液晶面板上每个像素都分成红、绿、蓝三种颜色，RGB就是所谓的三原色，利用这三种颜色可以混合出各种不同的颜色，我们把RGB三种颜色分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把邻近的三个RGB显示的点当作一个显示的基本单元，就是像素，这个像素就可以拥有不同的色彩变化了。

b：颜色深度

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内部电路>

a:结构图

               图（十二）

b:主要的驱动TFT工作的部分有以下几个

1、source driver  源驱动， 负责供电。

2、gate driver 栅驱动， 负责打开关闭。

3、时序控制电路，负责控制gate driver

4、灰度、gamma控制电路

图（十三）

a：整片面板的大致结构

从图（十三）中我们可以看到整片面板的等效电路,其中每一个TFT与两个电容所并联(代表一个显示的点. 而一个基本的显示单元 pixel,则需要三个这样显示的点,分别来代表 RGB 三原色. 以一个1024*768分辨率的TFT_LCD来说,共需要1024*768*3个这样的点组合而成)

b：显示步骤

如图中gate driver 所送出的波形, 依序将每一行的 TFT 打开, 好让整排的source driver同时将一整行的显示点,充电到各自所需的电压,显示不同的灰阶.当这一行充好电时,gate driver便将电压关闭,然后下一行的gate driver便将电压打开,再由相同的一排source driver对下一行的显示点进行充放电.如此依序下去, 当充好了最后一行的显示点, 便又回过来从头从第一行再开始充电.

b-1:图示

先开放第一行，其他关闭。

                       图（十四）

接着关闭第一行，电压已经固定，固颜色也固定，然后开放第二类，其余关闭，以此类推。

图（十五）

由于液晶分子还有一种特性,就是不能够一直固定在某一个电压不变, 不然时间久了, 你即使将电压取消掉, 液晶分子会因为特性的破坏, 而无法再因应电场的变化来转动, 以形成不同的灰阶. 所以每隔一段时间, 就必须将电压恢复原状, 以避免液晶分子的特性遭到破坏.

<背光源>

                            图（十七）

手机上用的TFT 类型的LCD 大部分是用 LED来作为光源的，现有高通手机上背光有三种方式：

1、PWM 方式， 根据输出方波的占空比来控制电流大小

2、一线脉冲方式， 根据输入方波的逻辑连控制输出电流大小

3、dcs方式，有LCD反馈给背光控制芯片来控制输出电流大小

一般手机上都会有个背光控制芯片来升压控制电流，以8x25上的背光芯片TPS61161为例（其他的背光芯片也类似）

TPS61161的连接方式：

CTRL 需要连接到平台上的GPIO或则 PMIC上的GPIO。

这款芯片是pwm方式和一线脉冲方式两用的芯片，工作模式如下：

                            图（十八）

上图，上半部分就是PWM方式，控制就由GPIO直接连到背光芯片上即可，有一点需要注意，一般用PWM方式都是由PMIC直接控制的因为如果用AP控制在系统负载大的时候PWM波形会失真。下半部分为一线脉冲方式输入需要有一个逻辑来触发一线脉冲方式

数据格式如下：

               图（十九）

数据对应的电流值如下（只给出部分电流值）

                 图（二十）

DCS方式则是LCD本身可以支持CABC 或则 LABC功能

            图（二十一）

原理，如图， 平台这边用mipi dcs 命令控制CABC功能，LCD的寄存器为

51H（默认背光亮度 0 ～ 255）

53 H（打开关闭）

55H（模式 不同厂家定义不同）背光
平台通过mipi 包把 51H 53H 55H 发到 LCD panel 上， LCD panel 根据自身的图像和平台发过来的背光值 计算出自己合适的背光值 在通过 LCD panel 上 的管脚以PWM 方波的形式发给 平台， 平台上有对应的背光芯片接受 PWM 波，背光芯片在根据PWM的波形来控制LCD panel 上LED 两端的电压大小，来控制背光。

在DCS方式下有个LCD输出的PWM频率和背光芯片的输入频率是陪的问题在调试的时候需要注意，一般LCD端输出的PWM频率都可调。

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