TFT-LCD工作原理论文.doc
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TFT-LCD工作原理
由于计算技术的发展和对图像清晰度、保真度的要求越来越高，液晶显示器作为一种比较时尚的产品备受人们的青睐。
TFT-LCD是集大规模半导体集成电路技术、驱动IC技术和平板光源技术于一体的高新技术产业。
随着人们对图像清晰度、保真度的要求越来越高，TFT－LCD的应用范围越来越广。
十年后，液晶平面显示器将无所不在，成为人类生活中最重要，也是最常用的生活必需品。
液晶平面显示器将改变整个人类的生活方式，开创人类文明新纪元。
本文主要介绍TFT-LCD的工作原理，同时也结合工作中的实际经验对笔记本LCD可能出现的故障及其原因进行了整理。
关键字：
液晶、TFT、LCM、PANEL、INVERTOR
目录
一、LCD显示架构…………………………………………………3
二、PANEL部分介绍………………………………………………4
1．什么是液晶……………………………………………………4
2．液晶显示原理…………………………………………………4
3．液晶显示器件的采光技术……………………………………6
4．液晶显示器件的驱动原理……………………………………7
5．液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成…………………9
三、主板部分介绍…………………………………………………10
四、Inverter部分介绍……………………………………………11
五、Adapter部分介绍……………………………………………13
六、笔记本常见故障分析……………………………………………
TFT-LCD工作原理
一、LCD显示器架构
LCD主要由以下几个部分构成：
1、主板：
用于外部RGB信号的输入处理，并控制PANEL工作。
2、Adapter电源适配器：
用于将90～240V的交流电压转变为12V的直流电源供给显示器工作。
3、Inverter逆变器：
用于将主板或Adapter输出的12V的直流电压转变为PANEL需要的高频的1500～1800V的高压交流电，用于点亮PANEL的背光灯。
4、PANEL部分：
该部分为液晶显示用模块，它是液晶显示器的核心部件，其包含液晶板和驱动电路。
LCD显示器的整体模块图如图1-1
图1-1LCD整机框图
二、PANEL部分工作原理
Panel部分即是液晶显示模块LCM，它是整个液晶显示器的核心部分。
它是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件配在一起的一体化组件。
本章将对液晶显示的基本原理，液晶的驱动以及液晶模块的构成进行简要的介绍。
1.什么是液晶
液晶显示器是以液晶为基本材料的组件，由于液晶是介于固态和液态之间，不但具有固态晶体光学特性，又具有液态流动特性，所以液晶可以说是处于一个中间相的物质。
液晶分子中的电子结构，都具备着很强的电子共轭运动能力，所以，当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶极性（induceddipolar），这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。
而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是利用液晶的光电效应，藉由外部的电压控制，再通过液晶分子的光折射特性，以及对光线的偏转能力来获得亮暗差别（或者称为可视光学的对比），进而达到显像的目的。
2.液晶的显示原理
2．1液晶的物理特性
当通电施加上电场时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。
让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃薄板，中间夹着一层液晶。
当光束通过这层液晶时，液晶本身会一排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。
大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。
在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。
但将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子长轴会顺着槽排列。
所以，假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。
2．2液晶显示的主要工作模式
由液晶显示的四种基本原理而派生出多种工作模式。
主要有：
TN模式、STN模式、FLC模和液晶-聚合物模式等。
由于液晶显示的众多不同分支，本文只介绍目前应用得最为广泛的TFT-LCD中使用的TN模式。
TN模式是在1971年由Schadt等人发表的，它是在液晶显示中最早获得广泛应用的一种模式。
由于它具有电压低，功耗小，寿命长以及易于实现多灰度、全彩色显示等特点，使它始终成为液晶显示的主流工作模式。
它是利用液晶材料的旋光性，采用电压调光的工作原理。
TN模式液晶显示器件的基本构成：
在涂有透明电极的两块玻璃之间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，液晶厚度约为几微米，电极表面做平行取向处理。
为使液晶分子成90°扭曲排列，上下基板的取向方向为正交设置。
2．3TN型液晶显示（LCD）原理
LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。
这两个平面上的槽互相垂直（相交成90度）。
也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90°扭转的状态。
由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90°。
但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转
LCD是依赖偏光板和光线本身，自然光线是朝四面八方随机发散的。
偏光板实际是一系列越来越细的平行线。
这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。
偏光板的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。
只有两个偏光板的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个偏光板相匹配，光线才得以穿透。
光线穿透示意图
LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。
但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。
另一方面，若给液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。
总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。
通常显像面积上亮区域都比黑区域大，所以这种方式有利于省电。
光线阻断示意图
从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。
LCD由两块玻璃板构成，厚共约1mm，其间由包含有液晶（LC）材料的5μm均匀间隔隔开。
因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的在灯管照射下可以再发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。
背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。
液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。
在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压进而改变液晶的旋光状态。
液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。
在液晶材料的周边是控制电路部分和驱动电路部分，这样就可以用信号来控制图像的生成了。
2．4彩色再现：
目前对于液晶显示而言，主要采用加法混色法来再现彩色。
采用红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三基色，简称RGB混色法。
通过控制所施加的电压大小，调配三种颜色的比例，从而使屏幕出现各种色彩。
3.液晶显示器件的采光技术
液晶显示器件是被动型显示器件，它本身不会发光，是靠调制外界光实现显示的。
外界光是显示器件进行显示的前提条件。
因此在液晶显示装配、使用中，要解决采光问题。
目前液晶显示的采光技术分为自然光采光技术和外光源设置技术。
而外光源设置有背光源，前光源和投影光源三种技术。
这里主要介绍TFT-LCD的背光源技术。
背光源采光技术的两大任务是：
A）使液晶显示器件在有无外界光的环境下都能够使用；
B）提高背景光亮度，改善显示效果。
液晶显示背光源的特点：
a.亮度均匀一致，能形成均匀的面光源；
b.亮度高，并可调亮度范围；
c.平板、薄型，适于装配；
d.重量轻；
e.光色悦目、基色准确、对液晶显示器件有较好的透过能力；
f.功耗低，效率高；
目前TFT-LCD是采用的是冷阴极荧光灯（CCF）做为背光源。
这是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉而发光的光源。
掺有少量水银的稀薄气体在高电压下会产生电离，被电离的气体的二次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射出紫外线，紫外线激发涂布于管壁的荧光粉层，使其发光。
由于电致发光的荧光粉品种齐全，转化率高，所以这种光源可制成三基色准确、色温高、亮度高的理想光源。
冷阴极荧光灯大都作成管型，所以CCF是管型线光源，用作液晶显示背光源时，必须将其变为面光源。
要实现线光源到面光源的转变，需要在液晶显示模块后加背光板。
4．液晶显示器件的驱动原理
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下表所示的几种类型。
目前，在LCDMonitor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。
因此本节将对TFT器件进行简要的介绍，并着重介绍有源矩阵的驱动方式。
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。
TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构
目前TFT的主流是a-siTFT，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。
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，如下图所示。
TFT有源矩阵液晶显示屏的电极排布
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。
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，被记录的信号电压将被保持并持续驱动像素液晶，直到下帧扫描再次到来。
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
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