液晶显示器件的驱动
液晶屏幕的驱动方式
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。
液晶的光学传输特性取决于分子排列状态，改变分子的排列状态就可以改变液晶层光学传输特性，这就是液晶电子学的应用基础。而液晶分子排列的改变可以通过电、磁、热等外部场的作用来实现。我们把这种通过
外场作用来改变分子排列状态的过程称为液晶显示器的驱动。液晶显示器常用的驱动方式分为如表2-1所示的几种类型。
目前，在LCD Monitor方面，使用的都是采用TFT（薄膜式晶体管）LCD，它采用的是有源矩阵的驱动方式。因此本节将先对TFT器件进行简要的介绍，再着重介绍有源矩阵的驱动方式。
1.薄膜式有源矩阵液晶显示器介绍
由于普通的矩阵液晶显示器的电光特性对多路、视频活动图象显示是很难满足要求的，因为每个像素都等效于一个无极电容，显示中会产生串扰。为了改善，又会限制驱动的路数。因此在每个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，从而克服了串扰，解决了大容量多路显示遇到的困难，提高了画面质量，使多路显示画面成为可能。
有源矩阵液晶显示器件根据有源器件的种类可分为如表2-2所列的多种类型。
以下将对主流的a-siTFT三端有源矩阵液晶显示器件进行介绍。
TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构
a-siTFT是一种非晶硅-薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。它制作容易，基板玻璃成本低，导通比大，可靠性高，容易大面积化。因此受到广泛应用。图2-1为其基本结构。
同一般液晶显示器件类似，a-SiTFT液晶显示器件也是在两片玻璃之间封入液晶，而且液晶显示器件就是普通的TN型方式。不过，其玻璃基板则与普通液晶显示器件大不相同，在下玻璃板上要配制上扫描线和寻址线（即行、列线），将其组合成一个个矩阵，在其交点上再制作上TFT有源器件和像素电极，如图2-2所示。
图2-2 TFT有源矩阵液晶显示屏的电极排布
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-matrix addressing）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。
如上图，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。
2. TFT-LCD的驱动原理
由于TFT-LCD矩阵结构是由一块带有TFT三端元件阵列和像素电极阵列的基板与另一块带有彩色膜和公共电极的基板，以及由此两基板叠合后夹入的液晶层构成，此外，此方式的扫描线和信号线都设置在同一个三端子元件的基板上。扫描线与该行上所有TFT元件的栅极相连，而信号线与该列上所有的TFT元件的源电极相连。TFT-LCD的等效电路如图2-3所示。在以行顺序驱动方式依次扫描行电极过程中，当某行一旦被选通，则该行上所有的TFT开关元件同时被行脉冲闭合，变成低阻（Ron）导通状态。与行扫同步，各列信号电荷分别通过列电极从保持电路送入与导通元件TFT相连的各相应像素电容，信号电压被记录在像素电容和储存电容上。当行选一结束，TFT开关元件即断开（处于高阻Roff状态），被记录的信号电压将被保持并持续驱动像素液晶，直到下帧扫描到来之前。称此驱动为准静态驱动。由此工作过程可看出，扫描电压只做TFT元件的开关电压之用，而驱动液晶的电压是信号电压通过导通TFT元件对像素电容充电后在像素电极和公共电极之间形成的电位差VLC。VLC大小决定于信号电压Vs。可见，采用TFT元件作有源矩阵驱动，可实现开关电压和驱动电压分开，从而可达到开关元件的开关特性和液晶像素的电光特性的最佳组合，可获得高像质显示。
a TFT-LCD等效电路
b 单像素TFT工作原理
3. TFT液晶显示器件写入机理
液晶显示器件写入机理，即液晶显示器件是依靠什么方法将人们所需显示的信息用来作用于器件，使器件达到显示的目的。
1) 液晶显示器件写入的条件
众所周知，所有液晶显示器件的显示原理是依靠外场（包括电、热、光等）作用于初始排列的液晶分子上。依靠液晶分子的偶极矩和各向异性的特点，使液晶分子的初始排列发生变化，通过液晶器件的外界光被调制，使液晶显示器件发生明、暗、遮、透、变色等效果达到显示目的。但是要想实现某一特性的显示目的，则需要满足以下两个基本条件：
⑴ 足够强的电（热、光）信号作用于液晶，使其改变其初始排列；
⑵ 每个电（热、光）信号均可以在一段时内作用于一个或几个像素单元。使像素能够组合成一个视觉信号。由于直流电场将会导致液晶材料的电化学反映和电极劣化、老化，因此只能在像素电极上建立交流电场，而且应该尽可能减少交流电场中的直流成分，实用中应保持直流成分在几十毫伏以下，所施加的交流电场的强弱以其有效值来表示。只有所施加的交流电场有效值大于液晶显示器件的阀值电压时，该像素才能呈显示状态。由于液晶显示器件有类型、规格、型号的不同，对所施加电压的波形、相位、频率、占空比、有效值都有不同的要求。而对于像素控制方面的要求，则包含有以下两层意思：
首先，由于器件像素电极连线的排布不同，要求外部必须配置相应的硬件，以提供驱动电压波形。
其次，按照一定的指令将若干个显示像素组合成不同的数字、字符、图形或图象。
2) 液晶显示器件的写入机理
在满足液晶显示器件写入基本条件下，信息信号作用与不同类型的液晶显示器件的机理也不一样。这里只介绍有源矩阵薄膜晶体管（TFT）液晶显示器件的写入机理。对于其他类型液晶显示器件的写入机理将不做介绍。
TFT-LCD的写入机理：以行扫描信号和列寻址信号控制作用于被写入像素电极上的薄膜晶体管有源电路，使有源电路产生足够大的通断比（Ron/Roff），从而间接控制像素电极间呈TN型的液晶分子排列，达到显示的目的。该写入的特点就是经TFT有源电路间接控制的TN型器件显示像素，可实现高路数多路显示和视频图象显示。
4. TFT液晶显示器件的驱动方法
依据液晶显示器件写入机理和显示像素电极的排布方式即可确定对其进行驱动的基本条件。液晶显示器件的种类繁多，驱动的方法也不同。但是无论哪种类型的器件，还是使用什么不同的驱动方法都是以调整施加到像素电极上的电压、相位、频率、峰值、有效值、时序、占空比等一系列参数、特性来建立起一定的驱动条件，实现显示。主要的驱动有很多，在此仅介绍TFT-LCD所采用的有源矩阵驱动法。
由于有源矩阵液晶显示器件的每个像素点上都有一套有源器件，所以对这种器件的驱动是对每个像素点上的有源器件的驱动。图2-4为TFT液晶显示驱动的时序图。
从图中可以看出，外电路不能直接将电压施加到液晶像素上，施加在
像素上的电压决定于TFT晶体管的特性。当晶体管开、关比达到106Ω以上时，则可以满足液晶功能像素对通断比的要求。
晶体管TFT是这样工作的，当TFT栅极G扫描被选通时，VG被接入一个正高脉冲，此时同步输入选址的源极信号是一个围绕一个中心值为VC的永远低于VG选通脉冲幅值的选址数据电压VLD，TFT晶体管被打开。从源极到接通液晶像素的漏极之间呈一通路，电压被加到液晶像素电极和补偿电容电极上。这时即使施加电场撤掉，由于电容作用，其像素上施加的电压也将保持相当时间，直至下次选通的到来。若设置的电容值使其像素选通达半帧时间，同时使下半帧寻址信号以VC进行反相，则可以实现：
⑴ 如图2-6所示，使加在像素上的驱动波形呈交流态；
⑵ 驱动路数与TFT晶体管特性有关，而与液晶电光响应特性无关。这将彻底解决液晶多路驱动难题；
⑶ 从图中波形还可以看出，这种驱动方式没有半选通波形，因此也就没有交叉效应以及对比度下降等缺陷；
⑷ 此外，这种驱动也不受液晶电光响应速度的影响，可以显示视频活动图象，没有闪烁也没有拖尾。
5. 液晶显示驱动器原理
液晶显示器驱动器是为液晶显示器件的像素提供电场的器件。由于液晶显示像素上施加的必须是交流电场，因此要求液晶显示驱动器的驱动输出必须是交流驱动；电场电压有效值在液晶像素的阀值电压附近时，液晶将呈现较弱的电光效应，此态将会影响液晶显示器件的显示对比度。因此液晶显示驱动器要能够控制驱动输出的电压幅值，用以实现对比度控制。
液晶显示驱动器通过对其输出到液晶显示器件上的电位信号进行相位、峰值、频率等参数的调制来建立交流电场，以实现显示效果。应用上的液晶显示驱动器有静态驱动器和动态驱动器。点阵式液晶显示器件都是采用动态驱动器。驱动器又有行驱动器和列驱动器之分。
6. 液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成
A) 液晶显示驱动系统
利用多片液晶驱动器组合成一个点阵液晶显示器件的驱动系统。这个系统包括有行驱动器，列驱动器，偏压电路，驱动电源发生器以及温度补偿电路等。
在大规模点阵液晶显示器件的驱动电路中主要的控制时序信号是不变的。行驱动脉冲LCP与列驱动器的锁存脉冲LP是同步的，所以这两个信号是合为一个LP信号的。显示数据的传输方式将根据列驱动器组的数据传输方式而定。常见的有串行数据传输方式和并行数据传输方式。
偏压电路：在动态驱动方式中，偏置电压的设置是非常重要的。根据所需的偏置电压系数，把液晶驱动电压均分为不同的电压档，这就是偏压生成电路的功能。偏压生成电路实际上是等分电压电路，常用的有两种方式：电阻分压电路和运放分压电路。
温度补偿电路一般是利用电阻、二极管或三极管等元件的温度系数在分压电路中的影响，来补偿液晶材料由于环境温度的影响而使电压阀值电压下降，从而影响显示的对比度。
驱动电源（DC-DC）电路：液晶的驱动是建立一定电压的电场来实现的，为了保证驱动器的控制信号能够与控制系统的信号电平兼容，驱动器的逻辑电源都使用了CMOS芯片的逻辑电源。这个电源也作为液晶的驱动电源的一侧。但凭这个电源使点阵液晶显示器件产生显示效果还是不够的，它需要有更大的驱动电压。为了获得这个电压，驱动器还需要一个液晶驱动电源，通常是向负电压方向增加。若控制系统的电源有合适的负电源则直接使用即可。若没有则可以利用现有的DC-DC变换器从逻辑电源转换成负电源。由于液晶可以等效成一个电容，属电压型驱动，耗电流较小，所以DC-DC变换器所需的工作电流比较小，可以直接使用IC驱动。
B) 液晶显示模块的构成
由于点阵型液晶显示器件的引线众多，而且要将这些引线从玻璃上引到驱动系统的PCB板上，这在工艺上不是普通用户所能掌握的。所以液晶显示器件的制造商们将液晶显示器件产品进一步开发，制作出相应的驱动PCB板和压框，然后用压框和导带或导电橡胶条将液晶显示器件固定在PCB板上。PCB板上含有完整的驱动器系统，电路接口包含了驱动器系统所需要的控制信号和电源。这就叫液晶显示模块（LCM）。
液晶显示模块电路中的控制信号是用来接收控制系统发来的数据信号和操作信号的。这些信号有：
FLM：帧信号； LP：锁存脉冲信号； CP：移位脉冲信号；
M：交流驱动波形； D（i）：显示数据。 |
