LCD液晶显示器原理01.docx
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LCD液晶显示器原理01
引言
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，其科技含量、经济效益和社会效益都很突出，是现代通信和计算机等信息产业最重要的基础之一。
美国和西欧国家没有形成TFT-LCD的规模产业，不是因为TFT-LCD产业不好，而是西方国家在这一领域产业战略的失误，丧失了技术优势。
日本早期果敢地对TFT-LCD进行了大规模的投资，以生产为目标解决了技术与工艺问题，把量产化作为基础研究来进行。
虽然美国和欧洲在LCD方面也做了大量的工作，但由于投资力度不够，终于未成气候，许多研究成果倒被日本人所利用。
他们所做的一切工作都迅速地为日本人营造的规模效应所吸收，变成了投资者的财富。
对于东亚的韩国和我国大陆和台湾地区，情况却不同，这一地区整体的技术水平都比较低，而TFT-LCD已经是一个成熟的产业，可以把整个生产设备和生产技术买进来，利用后发优势进行改造和再创新，以最快的方式获取科学技术的最新成果，抢入市场。
TFT技术的引进和消化吸收将带动我国光电子产业的设备制造技术、生产技术的迅速发展，带动我国信息产业的大步前进，预计“十五”期间我国将建立5-7条3.5代以上的非晶硅TFT-LCD生产线。
在最近的十年内我国大陆将成为世界上液晶平板显示器的重要生产基地之一。
可以明确地说，在未来10年左右的时间内，不可能有在性能上优于TFT-LCD的商品显示器问世，而TFT-LCD却会越来越成熟。
所谓的平面显示器时代，实际上就是液晶平面显示器时代。
预计2005年LCD应用的构成比为液晶监视器占31%，Mobil29%，PC10%，大型AV及其它30%。
如果把2005年LCD的需求换算成面积则为1998年的7倍，产值将超过5OO亿美元。
液晶平面显示器具有很大优势：
（1）液晶平面显示器大规模批量生产的特性非常好，生产规模大，成品率高，自动化程度高；
（2）液晶平面显示器的集成化程度高，可靠性强。
控制电路和驱动电路可以集成到玻璃基板上，大幅度降低生产成本和维修成本；
（3）液晶平面显示器原材料来源丰富，价格低廉；
（4）液晶平面显示器采用新工艺，新技术，新材料的能力强。
随着材料科学、光源技术和半导体工艺技术的同步发展，为降低成本留下了广阔的空间。
根据现在的生产技术和生产规模测算，到20O5年30英寸以上的家用多功能数字液晶平面终端显示器（不是单一功能的大屏幕电视）的价格将不到90美元。
十年以后，液晶平面显示器的价格肯定比现在的CRT还要低。
LCD产品技术为传统电子产业产品带来诸多变革，日本、韩国与中国台湾厂商已形成三强纷争的局面。
对于未来桌面PC的显示设备，大屏幕CRT甚至纯平面CRT都无法与LCD相竞争，谁抢占先机谁就拥有更大的市场。
不过，最终的市场的扩展速度，还要决定于CRT显示器与LCD之间价差的进一步缩小以及各大厂商的推广力度，LCD市场的形成只是一个时间问题。
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。
本课题就是要对目前广泛使用TFT-LCD的工作原理进行研究，以期对TFT-LCD有较深的了解。
目录
引言…………………………………………………………………………3
第一章LCD显示架构……………………………………………………5
第二章PANEL部分工作原理……………………………………………6
第一节什么是液晶……………………………………………………6
第二节液晶的电光特性………………………………………………6
第三节液晶显示原理…………………………………………………7
第四节液晶显示器件的采光技术……………………………………9
第五节液晶显示器件的驱动原理…………………………………10
第六节TFT液晶显示器件的写入机理………………………………13
第七节TFT液晶显示器件的驱动方法………………………………14
第八节液晶显示驱动器原理………………………………………15
第九节液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成………………15
第三章主板部分电路分析………………………………………………17
第四章Inverter部分电路分析…………………………………………30
第五章Adapter部分电路分析……………………………………………37
第一章LCD显示器架构
一．LCD构成
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。
二．LCD整机框图
LCD显示器的整体模块图如图1-1。
图1-1LCD整机框图
在以下各章中，将对构成LCDMonitor的各部分的工作原理进行研究。
首先对核心部分Panel的工作原理进行介绍，再对其他各部分电路进行分析。
第二章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。
第一节什么是液晶（LiquidCrystal）
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。
而要了解液晶的所产生的光电效应，我们必须先来解释液晶的物理特性，包括它的黏性（visco-sity）与弹性（elasticity）和其极化性（polarizalility）。
液晶的黏性和弹性从流体力学的观点来看，可说是一个具有排列性质的液体，依照作用力量的不同方向，会有不同的效果。
就好像是将一簇细短木棍扔进流动的河水中，短木棍随着河水流着，起初显得凌乱，过了一会儿，所有短木棍的长轴都自然的变成与河水流动的方向一致，达到排列状态，这表示黏性最低的流动方式，也是流动自由能最低的一个物理模型。
此外，液晶除了有黏性的特性反应外，还具有弹性的表现，它们都是对于外加的力，呈现出方向性的特点。
也因此光线射入液晶物质中，必然会按照液晶分子的排列方式传播行进，产生了自然的偏转现象。
至于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。
第二节液晶的电光特性
液晶同固态晶体一样具有特异的光学各向异性。
而且这种光学各向异性伴随分子的排列结构不同将呈现不同的光学形态。
例如，选择不同的初期分子取向和液晶材料，将分别得到旋光性、双折射性、吸收二色性、光散射性等各种形态的光学特性。
一旦使分子取向发生变化，这些光学特性将随之变化，于是在液晶中传输的光就受到调制。
由此可见，变更分子的排列状态即可实行光调制。
由于液晶是液体，分子排列结构不象固态晶体那样牢固。
另一方面液晶又具有显著的介电各向异性△ε和自发偶极子P0。
一旦给液晶层施加上电压，则在介电各向异性△ε和自发偶极子P0和电场的相互作用下，分子排列状态很容易发生变化。
因此利用外加电场即可改变液晶分子取向，产生调制。
这种由电场产生的光调制现象叫做液晶的电光效应（electro-opticeffect）。
它是液晶显示的基础。
这种光学特性可通过表面处理、液晶材料选择、电压及其频率的选择获得。
第三节液晶显示原理
1．液晶的物理特性
液晶的物理特性是：
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.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，本章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，同时，为防止液晶层出现畴区等缺陷，在取向上要设置1°～2°的预倾角，并在液晶中掺入能形成单一右旋或左旋的手性材料。
盒子外侧的两片偏振片有两种设置方式：
一是起偏器光轴和检偏器光轴分别平行（或垂直）于入射侧和出射侧分子取向方向，呈正交状态，称之为常白方式。
另一种是起偏器光轴平行（或垂直）于入射侧分子取向方向，而检偏器的光轴垂直（或平行）于出射侧分子取向，两偏振片光轴呈平行状态。
称之为常黑模式。
3.TN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是依赖极化滤光器（片）和光线本身，自然光线是朝四面八方随机发散的。
极化滤光器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。
极化滤光器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。
只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。
（如图2-1）
图2-1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。
（如图2-2）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。
图2-2光线阻断示意图
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