平板显示驱动技术报告冬.docx
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平板显示驱动技术报告冬
平板显示驱动技术（2017-冬）
FLATPANELDISPLAYDRIVETECHNOLOGY
课程报告
COURSEREPORT
目录
题目二TFT-LCD驱动技术2
1要求2
2正文2
2.1单个TFT-LCD电路架构2
2.2整块TFT-LCD面板的电路架构3
2.3PM-LCD的电路架构5
2.4TFT-LCD面板的各种极性变换方式6
2.5TFT-LCD公共电极的驱动方式7
题目三平板显示屏接口8
1要求8
2正文8
2.1AV接口8
2.2S端子8
2.3YPbPr色差接口9
2.4VGA接口9
2.5DVI接口10
2.6HDMI接口10
2.7BNC接口11
2.8TTL接口11
2.9LVDS接口12
2.10TMDS接口12
题目二TFT-LCD驱动技术
1要求
1）查阅相关资料，基于交叉串扰、驱动电压、响应时间、灰度控制和显示时序等参数，说明的工作机理，并与PMLCD进行对比。
2）TFTLCD如何实现交流驱动，并对比点、行、列和帧极性反转对显示质量的影响。
2正文
薄膜晶体管液晶显示器，其英文名称为ThinFilmTransistorLiquidCrystalDisplay，简称之TFT-LCD。
无源矩阵液晶显示器，其英文名称为PassiveMatrixLiquidCrystalDisplay，简称之PM-LCD。
根据题目要求，该报告不解释LCD和TFT在物理层面的工作原理，仅从电路角度进行分析。
2.1单个TFT-LCD电路架构
平板显示一般采用行、列电极交叉构成的点阵显示方式。
如n个行电极和m个列电极交叉构成n×m个像元，以n+m个电极控制n×m个像元得到任意文字、图形、图像。
用时间分割多路驱动时，选通电压必须高于液晶电光特性阈值电压，在非选通像元上分布电压要求低于阈值电压，才能保证显示对比度。
图1单个TFT的像素结构
单个TFT的像素结构如图1所示。
TFT导通、截止接近理想开关，此开关控制了液晶电压的加入情况。
因此各个像素之间的寻址完全独立，从而减弱了液晶像素之间的交叉串扰，大大改善了图像的对比度和清晰度。
实际上，逐行扫描寻址时，有时同一行大部分像元同时被选通，还是会引起交叉干扰，使非选通像元电压超过阈值电压，产生交叉效应。
为了克服交叉效应可采用平均偏压法，使在所有非选通像元上均匀施加低于阈值的电压，保证均匀底色和对比度。
图2TFT-LCD驱动脉冲电压
TFT-LCD像素有存贮特性，存贮时间长短取决于TFT关态电阻和液晶像素电容、存贮电容的RC常数。
因此，TFT-LCD驱动方式不同于TN-STN。
TFT-LCD驱动脉冲电压如图2所示。
开通TFT，并在短时间内充电，要求TFT开态电阻run要小，但放电时间大于帧周期17ms（60Hz）。
对VGA显示，扫描行数为480线，行寻址时间（脉宽Tw）为35μs，行回扫时间为行周期的16%。
当像素电容C=lpF时，ron<5.6×106Ω。
在TFT关态时间内，存贮信号泄漏5%时，roff>3.35.6×1011Ω。
这说明应要求TFT开关比在105以上。
然而，TFT性能受温度影响，在实际应用中，开关比应达到106以上。
2.2整块TFT-LCD面板的电路架构
液晶显示器为了显示任意图像，用n×m点排列的矩阵显示，电极的构成如图3所示。
由于点阵画面上的图像数据量庞大，所以在图像发送端把图像数据按时间坐标分解，并且换成按时间顺序串行的信号，然后传送。
接收端显示器接收按时间顺序串行的信号，并把它处理成能显示的图像，此操作称为“扫描”。
扫描可以分为“逐点扫描”、“逐行扫描”和“帧扫描”。
图3TFT-LCD面板的电极构成
在驱动n×m矩阵的TFT-LCD时，将扫描电路的寻址信号供给栅线Y1，Y2，Y3，……Yn。
另外，将数据电路的数据信号供给数据线X1，X2，X3，……Xm。
TFT-LCD的TFT放在基板上的栅线和数据线的交点上，用栅极总线选通1行像素，从数据线上输入模拟信号。
TFT-LCD的驱动采用“逐行扫描”，所以可任意选通某一个栅极总线Y的像素，如果依次选择栅极Yi上的X（i，1）到X（i，m）像素，再从Yi起按顺序选到Yn，整个画面选通完后构成一个画面，构成1帧。
将1帧的时间进行分割，每个栅极分给一定的时间t1，t2，t3，……。
在t1期间，给栅线Y1施加寻址信号，接通Y1上所有的TFT，成为导通状态。
然后，数据线X1，X2，X3，……Xm的数据信号，通过TFT加在像素电容Clc和存贮电容Cs上，并由各自的数据信号电压充电，到各自所需的电压，以显示不同的灰阶。
在t2期间，关断栅极总线Y1上所有的TFT和由Y1所选择的像素，从数据线上断电。
所以，在t1期间充电的数据信号，由像素电容器Clc和存贮电容器Cs来保持。
而且，在t3，t4，……期间也保持电荷，可储存一帧的时间。
一方面，接通Y2栅线上所有的TFT，数据线上的数据信号通过TFT来供给Y2选择的像素来形成图像，对Clc和Cs充电到数据信号电压，即像素电压。
然后，重复进行同样的动作，完成1帧的驱动。
这样将供给的数据信号，由寻址信号通过控制开关的TFT，写入到像素电容器Clc和存储电容器Cs，就成为像素电压。
以此像素电压和对面公共电极上的电压之差，使之显示图像。
并且，被写入的数据信号，可保持到下一个寻址信号来时为止，即下一个寻址信号把数据再写入为止，一直保持前一个数据信号，直到再写入数据信号更新画面。
所以，从液晶角度，因保持着数据信号施加的电压，实质上液晶在一帧时间内做静态动作。
2.3PM-LCD的电路架构
PM-LCD是由两块玻璃贴合并在两块玻璃基板之间注入液晶材料而构成的。
对其两块玻璃板内表面的透明电极施加电压，可使两电极交叉部分的像素显示。
对于液晶显示器的电极构造，可分为段码型和点阵型两种。
因为TFT-LCD采用多路驱动方式，故只报告多路驱动方式。
多路驱动法是为了解决静态驱动法的缺点而考虑的一种驱动方法。
这种多路驱动法主要包括时间分割驱动方式、动态驱动方式或者称为矩阵驱动方式。
图44×5矩阵简单LCD
对于简单矩阵LCD，构成如图4所示最简单的4×5矩阵来说明多路驱动。
设驱动电压为单极性，外加电压X电极为数据信号，Y电极为扫描信号，而且有斜线的点为显示点，其它点为非显示点。
寻址电压Vy按顺序加到Y电极上，对于t1时间显示Y1线上的点，对于t2时间显示Y2线上的点，对于t3时间显示Y3线上的点。
而且对于显示的点，其X电极供给数据电压，对于非显示的点，其X电极不加数据电压。
对所有的线在T时间内进行这样的扫描，如其以60Hz的频率重复进行，对人眼不会造成“闪烁现象”，可实现图象显示。
如上所述，对每条线分配时间的显示方法称为逐行扫描。
图51个周期的电压波形
1个周期的电压波形如5所示。
对于时间t1，点P31和点P33都被施加同样的电压。
但在t2时间，点P31上外加电压为V，点P33上外加电压为0。
对于液晶有一定的阈值特性，外加电压比阈值电压低，而且若是瞬时响应，在t2时间内，电压的不同不会影响液晶的亮度，点P31和点P33会有同样的亮度。
但对于简单矩阵LCD具有阈值电压平缓，由于保持有效值响应，在t2时间，点P31和点P33的外加电压差显示出亮度的差异。
这种现象被称为半选择电压引起的“交叉效应”。
于简单矩阵LCD的灰度显示，有采用多帧控制各自帧内显示数据的有无来实现的帧比率控制灰度法（FRC灰度法）和面积灰度法。
于时钟频率fΦ比较高、灰度级多，所以驱动电路的规模较大。
为此，直接驱动IC/LSI的灰度级要比所希望实现的灰度级设定的少一些，对不足的灰度级，用相应比特数的帧间延展控制的方法实现，将这种方法叫做帧比率控制灰度法（FRC灰度法）。
而面积灰度法，是将几个像素看成一个新的像素，例如将4个像素看成一个新的像素，通过改变显示的点数，来实现灰度的方法，这种方法存在分辨率下降的问题，所以实际上是将帧比率控制灰度法和面积灰度法并用。
2.4TFT-LCD面板的各种极性变换方式
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，液晶分子的特性会被破坏。
即使将电压取消掉，也无法再随电场变化，以形成不同的灰阶。
所以为了保证液晶材料寿命，用交流电压脉冲驱动液晶屏应每帧反转电压极性。
于是液晶显示器内的显示电压就分成了两种极性。
当显示电极的电压高于公共电极电压时，就称之为正极性，反之为负极性。
当上下两层玻璃的压差绝对值是固定时，不管是那种极性，表现出来的灰阶都是一样的。
不过这两种情况下，液晶分子的转向却是完全相反，也就可以避免液晶分子的特性被破坏。
图6面板各种极性变换方式
图6就是面板各种不同极性的变换方式，它们的共通点都是在下一次更换画面资料的时候改变极性。
以60Hz的更新频率来说，每16ms更改一次画面的极性。
对于同一点而言，它的极性是不停的变换的。
而相邻的点是否拥有相同的极性，那可就依照不同的极性转换方式来决定了。
首先是帧反转，其整个画面所有相邻的点，都是拥有相同的极性；而行反转与列反转则各自在相邻的行与列上拥有相同的极性；最后是点反转，每个点与自己相邻的上下左右四个点的极性都不一样。
2.5TFT-LCD公共电极的驱动方式
（a）（b）
图7两种公共电极的电压驱动方式
图7为两种不同的公共电极的电压驱动方式，（a）中公共电极的电压是一直固定不动的，而显示电极的电压却是依照其灰阶的不同，不停的上下变动。
（a）中是256灰阶的显示电极波形变化，以V0这个灰阶而言，如果要在面板上一直显示V0这个灰阶的话，则显示电极的电压就必须一次很高，而另一次却很低。
因此在不同的帧中，其显示电极与公共电极的压差绝对值是固定的，所以它的灰阶也一直不曾更动。
只不过位在Clc两端的电压，一次是正的，称之为正极性，而另一次是负的，称之为负极性。
如（b）所示，为了达到极性不停变换这个目的，也可以让公共电压不停地变动，同样也可以达到让Clc两端的压差绝对值固定不变，而灰阶也不会变化的效果。
这个方法只是将公共电压一次很大、一次很小的变化。
并且，公共电压一定要比灰阶中最大的电压还大，而电压小的时候则要比灰阶中最小的电压还要小。
而各灰阶的电压与（a）中的一样，仍然要一次大一次小的变化。
这两种不同的公共驱动方式影响最大的就是显示电极电压的变化。
以图5中公共电极电压若是固定于5伏特的话，则显示电极电压的工作电压范围就要到10伏特以上。
但是在（b）中，公共电极的电压是变动，假使公共电极电压最大为5伏特，则显示电极电压的最大工作电压也只要为5伏特就可以了
题目三平板显示屏接口
1要求
1）查阅相关资料，说明AV接口（复合视频接口）、S端子（S-Video接口）、YPbPr色差接口、VGA接口、DVI接口、HDMI接口与BNC接口等视频接口的工作机制。
2）从接口电路、接口信号和工作原理，说明平板显示器几种主要数据信号接口：
TTL接口、LVDS接口和TMDS接口的工作机制。
2正文
2.1AV接口
AV接口，其英文为AudioVideo接口，一般叫做复合视频接口。
是目前最普遍的一种视频接口，几乎所有的电视机、影碟机类产品都有这个接口。
AV接口一般由黄、白、红3路三个独立的RCA插头组成的，其中V接口连接混合视频信号，为黄插口；L接口连接左声道声音信号，为白色插口；R接口连接右声道声音信号，为红色插口。
在连接方面非常的简单，只需将3种颜色的AV线与电视端的3种颜色的接口对应连接即可。
AV接口实现了音频和视频的分离传输，这就避免了因为音/视频混合干扰而导致的图像质量下降。
但由于AV接口传输的仍然是一种亮度/色度（Y/C）混合的视频信号，需要对其进行亮/色分离和色度解码才能成像。
在先混合，再分离处理过程中必然会造成信号的丢失或失真，色度信号和亮度信号也会有很大的机会相互干扰。
所以AV接口的画质依然不能让人满意。
由于亮度/色度（Y/C）混合的视频信号处理方式所固有的技术缺陷，AV视频接口的应用就有了极大的限制。
2.2S端子
S端子，子其英文为SeparateVideo，一般叫做二分量视频接口。
S端子是应用最普遍的视频接口之一，是一种视频信号专用输出接口。
一般DVD或VCD、TV、PC都具备S端子输出功能，投影机可通过专用的S端子线与这些设备的相应端子连接进行视频输入。
常见的S端子是一个5芯接口，它在AV接口的基础上将色度信号C和亮度信号Y进行分离，再分别以不同的通道进行传输。
同AV接口相比由于它不再进行Y/C混合传输因此也就无需再进行亮色分离和解码工作，而且使用各自独立的传输通道在很大程度上避免了视频设备内信号串扰而产生的图像失真，极大地提高了图像的清晰度。
但S端子仍要将两路色差信号（Cr/Cb）混合为一路色度信号C，进行传输然后再在显示设备内解码为Cb和Cr进行处理，这样多少仍会带来一定信号损失而产生失真，而且由于Cr/Cb的混合导致色度信号的带宽也有一定的限制，所以 S端子虽然已经比较优秀但离完美还相去甚远。
但考虑到目前的市场状况和综合成本等其它因素，它还是应用最普遍的视频接口。
2.3YPbPr色差接口
YPbPr色差接口，其英文为YPbPrComponentVideoConnector。
YPbPr色差接口是把模拟视频中的明度、彩度、同步脉冲分解开来各自传送的接口。
在数字信号纪录与数字电视播送时使用了分量技术来压缩数据。
所以在DVD播放器与机顶盒等产品上，分量输出是最自然且转换损失最少的传送端子。
分量传送的视频有许多种方式，例如从RGB转换为明度（Y）与色差（Cb/Cr或Pb/Pr）的方式。
色差在设计上利用了“人眼对明度较敏感，而对色度较不敏感”的特性，将视讯中的色彩信息加以削减，转换公式如下：
明度：
Y=0.299×R+0.587×G+0.114×B
色差：
Cb=-0.169×R-0.331×G+0.500×B
Cr=0.500×R-0.419×G-0.081×B
这样就避免了两路色差混合解码并再次分离的过程，也保持了色度通道的最大带宽，只需要经过反矩阵解码电路就可以还原为RGB三原色信号而成像，这就最大限度地缩短了视频源到显示器成像之间的视频信号通道，避免了因繁琐的传输过程所带来的图像失真，所以色差输出的接口方式是目前各种视频输出接口中最好的一种。
2.4VGA接口
VGA接口，其英文为VideoGraphicsArray，一般称为视频图形阵列。
VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。
VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔，显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口。
它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号。
VGA接口是一种D型接口，上面共有15针孔，分成三排，每排五个。
其中，除了2根NC信号、3根显示数据总线和5个GND信号，比较重要的是3根RGB彩色分量信号和2根扫描同步信号HSYNC和VSYNC针。
VGA接口中彩色分量采用RS343电平标准。
RS343电平标准的峰值电压为1V。
VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。
有些不带VGA接口而带有DVI接口的显卡，也可以通过一个简单的转接头将DVI接口转成VGA接口，通常没有VGA接口的显卡会附赠这样的转接头。
对于模拟显示设备，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。
而对于LCD、DLP等数字显示设备，显示设备中需配置相应的A/D转换器，将模拟信号转变为数字信号。
在经过D/A和A/D两次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。
VGA接口应用于CRT显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。
2.5DVI接口
DVI接口，其英文为DigitalVisualInterface，一般称为数位视讯介面。
DVI接口是一种视讯介面标准，设计的目的是用来传输未经压缩的数字化影像。
目前广泛应用于LCD、数位投影机等显示设备上。
DVI介面可以传送未压缩的数位视频资料到显示装置。
一个“单炼结”DVI通道包括了四条双绞缆线（红，绿，蓝，时脉讯号），每个像素资料量为24位元。
讯号的时序与VGA极为类似。
画面是以逐行的方式被传送，并在每一行与每帧画面传送完毕后加入一个特定的空白时间，并没有将资料封包化，也不会只更新前后画面改变的部分。
每张画面在该更新时都会被完整的重新传送。
单炼结DVI最大可传送的解析度为2.6百万像素，每秒钟更新60次。
DVI会使得像素的亮度与色彩讯号从讯号来源以二进位方式传送到显示装置。
当显示装置以其原生解析度被驱动时，仅需读取DVI传来的每个像素的数值资料并且套用到正确的位置即可。
相对于类比方式传送的像素资料会受到邻接像素资料以及电磁杂讯以及其他的类比失真影响，在此方法中，输出端暂存器中的每个像素都直接对应显示端的每个像素。
使得画面品质有基本的保障。
2.6HDMI接口
HDMI接口，其英文为HighDefinitionMultimedia，一般称为高清晰度多媒体接口。
HDMI接口是一种全数字化视频和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号。
HDMI可用于机顶盒、DVD播放机、个人电脑、电视游乐器、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。
HDMI可以同时发送音频和视频信号，由于音频和视频信号采用同一条线材，大大简化系统线路的安装难度。
HDMI在保持高品质的情况下能够以数码形式传输未经压缩的高分辨率视频和多声道音频数据，最高数据传输速度为5Gbps。
同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。
HDMI能够支持所有的ATSCHDTV标准，不仅可以满足目前最高画质1080p的分辨率，还能支持DVDAudio等最先进的数字音频格式，支持八声道96kHz或立体声192kHz数码音频传送，而且只用一条HDMI线连接，免除数码音频接线。
HDMI与去掉音频传输功能的UDI都继承了DVI的核心技术“传输最小化差分信号”TMDS，从本质上来说仍然是DVI的扩展。
DVI、HDMI、UDI的视频内容都以即时、专线方式进行传输，这可以保证视频流量大时不会发生堵塞的现象。
HDMI可搭配宽带数字内容保护，以防止具著作权的影音内容遭到XX的复制。
正是由于HDMI内嵌HDCP内容保护机制，所以对好莱坞具有特别的吸引力。
2.7BNC接口
BNC接口，其英文为BayonetNutConnector，一般称为刺刀螺母连接器。
BNC接口是一种很常见的RF端子同轴电缆终结器。
通常用于工作站和同轴电缆连接的连接器，标准专业视频设备输入、输出端口。
BNC接口有5个连接头用于接收红、绿、蓝、水平同步和垂直同步信号。
NC接口有别于普通15针D－SUB标准接头的特殊显示器接口。
由R、G、B三原色信号及行同步、场同步五个独立信号接头组成。
BNC接口可将数字信号传送至150/300M以上，模拟可传送300M以上。
BNC接口可以隔绝视频输入信号，使信号相互间干扰减少且信号频宽较普通D-SUB大，可达到最佳信号响应效果。
B主要用于连接工作站等对扫描频率要求很高的系统。
BNC接头可以隔绝视频输入信号，使信号相互间干扰减少，且信号频宽较普通D－SUB大，可达到最佳信号响应效果。
2.8TTL接口
TTL，其全称为Transistor-TransistorLogic，简称之逻辑门电路。
TTL是市面上较为常见且应用广泛的一种逻辑门数字集成电路，由电阻器和晶体管而组成。
TTL最早是由德州仪器所开发出来的，现虽有多家厂商制作，但编号命名还是以德州仪器所公布的资料为主。
其中最常见的为74系列。
TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，高电平等价于逻辑“1”，低电平等价于逻辑“0”。
在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V，噪声容限是0.4V。
这被称做TTL信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。
TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的。
首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低。
另外TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路。
再者计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL接口的操作恰能满足这个要求。
TTL型通信大多数情况下，是采用并行数据传输方式，而并行数据传输对于超过10英尺的距离就不适合了。
这是由于可靠性和成本两面的原因。
因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题，这些问题对可靠性均有影响。
2.9LVDS接口
LVDS，其全称为LowVoltageDifferentialSignaling，简称为低压差分信号。
LVDS是一种电子讯号系统，可满足现今对高效能资料传输应用的需求，同时系统供电电压减低到2伏特，适用于解析度高于SVGA的TFT-LCD显示装置，目前已得到了广泛的应用，甚至可以嵌入到FPGA、ASIC或其他元件身上。
此技术基于ANSI/TIA/EIA-644LVDS接口标准，由电流驱动，通过在接收端放置一个负载而得到电压，当电流正向流动，接收端输出为1，反之为0。
他的摆幅为250mV-450mV。
LVDS技术拥有330mV的低压差分信号和快速过渡时间。
这可以让产品达到自100Mbps至超过1Gbps的高数据速率。
此外，这种低压摆幅可以降低功耗消散，同时具备差分传输的优点。
LVDS技术用于简单的线路驱动器和接收器物理层器件以及比较复杂的接口通信芯片组。
通道链路芯片组多路复用和解多路复用慢速TTL信号线路以提供窄式高速低功耗LVDS接口。
这些芯片组可以大幅节省系统的电缆和连接器成本，并且可以减少连接器所占面积所需的物理空间。
LVDS解决方案为设计人员解决高速I/O接口问题提供了新选择。
LVDS为当今和未来的高带宽数据传输应用提供毫瓦每千兆位的方案。
2.10TMDS接口
TMDS，其全称为TransitionMinimizedDifferentialSignaling，简称为最小化传输差分信号。
TMDS是美国SiliconImage公司开发的一项高速传输资料技术，可用于DVI与HDMI的影像传输接口。
TMDS差分传输技术是一种利用2个引脚间电压差来传送信号的技术，TMDS具备4个Channel，前3条缆线分是YU（Pb）V（Pr）的传输线，或视为RGB的传输线，第4条是Clock，以保证传输时所需的统一时序,总称为１个连接或Single-link。
每个通道最大传输速度是165MHz（4.95Gb/s），１个连接有5Gbps的传输速度。
MDS解码之后的原始资料被HDCP加密。
并采用了8b/10b差分信号来降低EMI及提高精确的信号传输速率，将8位元的输入信号转换成10位元的编码。
DVI技术已成功的应用于PC领域，HDMI技术也成功的推向了消费电子市场。
但是，TMDS并没有因此成为广泛使用的面板接口标准。
相反，没有专利费的LVDS已被普遍使用。
此外，当前的DVI版本并不能更新，而且具有物理上、功能上及成本上的局限。
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