TFT-LCD工作原理論文

1、TFT-LCD工作原理由于計算技術(shù)的發(fā)展和對圖像清晰度、保真度的要求越來越高，液晶顯示器作為一種比較時尚的產(chǎn)品備受人們的青睞。TFT-LCD是集大規(guī)模半導體集成電路技術(shù)、驅(qū)動IC技術(shù)和平板光源技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。隨著人們對圖像清晰度、保真度的要求越來越高，TFTLCD的應用范圍越來越廣。十年后，液晶平面顯示器將無所不在，成為人類生活中最重要，也是最常用的生活必需品。液晶平面顯示器將改變整個人類的生活方式，開創(chuàng)人類文明新紀元。 本文主要介紹TFT-LCD的工作原理，同時也結(jié)合工作中的實際經(jīng)驗對筆記本LCD可能出現(xiàn)的故障及其原因進行了整理。關鍵字： 液晶、TFT 、LCM、PANEL 、IN

2、VERTOR 目錄一、 LCD顯示架構(gòu) 3二、 PANEL部分介紹 41 什么是液晶42 液晶顯示原理43 液晶顯示器件的采光技術(shù)64 液晶顯示器件的驅(qū)動原理75 液晶顯示驅(qū)動系統(tǒng)和液晶顯示模塊的構(gòu)成9三、 主板部分介紹10四、 Inverter部分介紹11五、 Adapter部分介紹13六、 筆記本常見故障分析TFT-LCD工作原理一、 LCD顯示器架構(gòu)LCD主要由以下幾個部分構(gòu)成：1、 主板：用于外部RGB信號的輸入處理，并控制PANEL工作。2、 Adapter電源適配器：用于將90240V的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?2V的直流電源供給顯示器工作。3、 Inverter逆變器：用于將主板或Adap

3、ter輸出的12V的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)镻ANEL需要的高頻的15001800V的高壓交流電，用于點亮PANEL的背光燈。4、 PANEL部分：該部分為液晶顯示用模塊，它是液晶顯示器的核心部件，其包含液晶板和驅(qū)動電路。LCD顯示器的整體模塊圖如圖1-1圖1-1 LCD整機框圖二、 PANEL部分工作原理Panel部分即是液晶顯示模塊LCM，它是整個液晶顯示器的核心部分。它是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、PCB線路板、背光源、結(jié)構(gòu)件配在一起的一體化組件。本章將對液晶顯示的基本原理，液晶的驅(qū)動以及液晶模塊的構(gòu)成進行簡要的介紹。1. 什么是液晶液晶顯示器是以液晶為基本材料的組件，由于液晶是介于固態(tài)

4、和液態(tài)之間，不但具有固態(tài)晶體光學特性，又具有液態(tài)流動特性，所以液晶可以說是處于一個中間相的物質(zhì)。液晶分子中的電子結(jié)構(gòu)，都具備著很強的電子共軛運動能力，所以，當液晶分子受到外加電場的作用，便很容易的被極化產(chǎn)生感應偶極性（induced dipolar），這也是液晶分子之間互相作用力量的來源。而一般電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，就是利用液晶的光電效應，藉由外部的電壓控制，再通過液晶分子的光折射特性，以及對光線的偏轉(zhuǎn)能力來獲得亮暗差別（或者稱為可視光學的對比），進而達到顯像的目的。2. 液晶的顯示原理21 液晶的物理特性當通電施加上電場時，液晶排列變得有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線

5、通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透，從技術(shù)上說，液晶面板包含了兩片相當精致的無鈉玻璃薄板，中間夾著一層液晶。當光束通過這層液晶時，液晶本身會一排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過。大多數(shù)液晶都屬于有機復合物，由長棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。但將液晶倒入一個經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子長軸會順著槽排列。所以，假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。 22液晶顯示的主要工作模式由液晶顯示的四種基本原理而派生出多種工作模式。主要有：TN模式、STN模式、FLC模和液晶-聚合物模式等。由于液晶顯示的眾多不同分支，本文只介紹目前應用得最為廣泛的TFT

6、-LCD中使用的TN模式。TN模式是在1971年由Schadt等人發(fā)表的，它是在液晶顯示中最早獲得廣泛應用的一種模式。由于它具有電壓低，功耗小，壽命長以及易于實現(xiàn)多灰度、全彩色顯示等特點，使它始終成為液晶顯示的主流工作模式。它是利用液晶材料的旋光性，采用電壓調(diào)光的工作原理。TN模式液晶顯示器件的基本構(gòu)成：在涂有透明電極的兩塊玻璃之間夾有介電各向異性為正的向列相液晶，液晶厚度約為幾微米，電極表面做平行取向處理。為使液晶分子成90扭曲排列，上下基板的取向方向為正交設置。23 TN型液晶顯示（LCD）原理 LCD技術(shù)是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是

7、說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子東西向排列，而位于兩個平面之間的分子被強迫進入一種90扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過液晶時也被扭轉(zhuǎn)90。但當液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)LCD是依賴偏光板和光線本身，自然光線是朝四面八方隨機發(fā)散的。偏光板實際是一系列越來越細的平行線。這些線形成一張網(wǎng)，阻斷不與這些線平行的所有光線。偏光板的線正好與第一個垂直，所以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個偏光板的線完全平行，或者光線本身已扭轉(zhuǎn)到與第二個偏光板相匹配，光線才得以穿透。 光線穿透示意圖LCD正是由這樣兩個相互垂直

8、的極化濾光器構(gòu)成，所以在正常情況下應該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個濾光器后，會被液晶分子扭轉(zhuǎn)90度，最后從第二個濾光器中穿出。另一方面，若給液晶加一個電壓，分子又會重新排列并完全平行，使光線不再扭轉(zhuǎn)，所以正好被第二個濾光器擋住?？傊?，加電將光線阻斷，不加電則使光線射出。通常顯像面積上亮區(qū)域都比黑區(qū)域大，所以這種方式有利于省電。 光線阻斷示意圖從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚共約1mm，其間由包含有液晶(LC)材料的5m均勻間隔隔開。因為液晶材料

9、本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的在燈管照射下可以再發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進入包含成千上萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個或多個單元格構(gòu)成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓進而改變液晶的旋光狀態(tài)。液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。在液晶材料的周邊是控制電路部分和驅(qū)動電路部分，這樣就可以用信號來控制圖像的生成了。 24彩色再現(xiàn)： 目前

10、對于液晶顯示而言，主要采用加法混色法來再現(xiàn)彩色。采用紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）三基色，簡稱RGB混色法。通過控制所施加的電壓大小，調(diào)配三種顏色的比例，從而使屏幕出現(xiàn)各種色彩。3. 液晶顯示器件的采光技術(shù)液晶顯示器件是被動型顯示器件，它本身不會發(fā)光，是靠調(diào)制外界光實現(xiàn)顯示的。外界光是顯示器件進行顯示的前提條件。因此在液晶顯示裝配、使用中，要解決采光問題。目前液晶顯示的采光技術(shù)分為自然光采光技術(shù)和外光源設置技術(shù)。而外光源設置有背光源，前光源和投影光源三種技術(shù)。這里主要介紹TFT-LCD的背光源技術(shù)。背光源采光技術(shù)的兩大任務是：A) 使液晶顯示器件在有無外界光的環(huán)境下都能夠使用；

11、B) 提高背景光亮度，改善顯示效果。液晶顯示背光源的特點：a.亮度均勻一致，能形成均勻的面光源；b.亮度高，并可調(diào)亮度范圍；c.平板、薄型，適于裝配；d.重量輕；e.光色悅目、基色準確、對液晶顯示器件有較好的透過能力；f.功耗低，效率高；目前TFT-LCD是采用的是冷陰極熒光燈（CCF）做為背光源。這是一種依靠冷陰極氣體放電，激發(fā)熒光粉而發(fā)光的光源。摻有少量水銀的稀薄氣體在高電壓下會產(chǎn)生電離，被電離的氣體的二次電子發(fā)射，轟擊水銀蒸氣，使水銀蒸氣被激發(fā)，發(fā)射出紫外線，紫外線激發(fā)涂布于管壁的熒光粉層，使其發(fā)光。由于電致發(fā)光的熒光粉品種齊全，轉(zhuǎn)化率高，所以這種光源可制成三基色準確、色溫高、亮度高的理

12、想光源。冷陰極熒光燈大都作成管型，所以CCF是管型線光源，用作液晶顯示背光源時，必須將其變?yōu)槊婀庠?。要實現(xiàn)線光源到面光源的轉(zhuǎn)變，需要在液晶顯示模塊后加背光板。4液晶顯示器件的驅(qū)動原理液晶的光學傳輸特性取決于分子排列狀態(tài)，改變分子的排列狀態(tài)就可以改變液晶層光學傳輸特性，這就是液晶電子學的應用基礎。而液晶分子排列的改變可以通過電、磁、熱等外部場的作用來實現(xiàn)。我們把這種通過外場作用來改變分子排列狀態(tài)的過程稱為液晶顯示器的驅(qū)動。液晶顯示器常用的驅(qū)動方式分為下表所示的幾種類型。目前，在LCD Monitor方面，使用的都是采用TFT（薄膜式晶體管）LCD，它采用的是有源矩陣的驅(qū)動方式。因此本節(jié)將對TFT

13、器件進行簡要的介紹，并著重介紹有源矩陣的驅(qū)動方式。由于普通的矩陣液晶顯示器的電光特性對多路、視頻活動圖象顯示是很難滿足要求的，因為每個像素都等效于一個無極電容，顯示中會產(chǎn)生串擾。為了改善，又會限制驅(qū)動的路數(shù)。因此在每個像素上設計一個非線性的有源器件，使每個像素可以被獨立驅(qū)動，從而克服了串擾，解決了大容量多路顯示遇到的困難，提高了畫面質(zhì)量，使多路顯示畫面成為可能。TFT有源矩陣驅(qū)動LCD的基本結(jié)構(gòu)目前TFT的主流是a-siTFT，a-siTFT是一種非晶硅-薄膜晶體管類型的三端有源矩陣液晶顯示器件。它制作容易，基板玻璃成本低，導通比大，可靠性高，容易大面積化。因此受到廣泛應用。同一般液晶顯示器件

14、類似，a-SiTFT液晶顯示器件也是在兩片玻璃之間封入液晶，而且液晶顯示器件就是普通的TN型方式。不過，其玻璃基板則與普通液晶顯示器件大不相同，在下玻璃板上要配制上掃描線和尋址線（即行、列線），將其組合成一個個矩陣，在其交點上再制作上TFT有源器件和像素電極，如下圖所示。TFT有源矩陣液晶顯示屏的電極排布TFT-LCD矩陣結(jié)構(gòu)是由一塊帶有TFT三端元件陣列和像素電極陣列的基板與另一塊帶有彩色膜和公共電極的基板，以及由此兩基板疊合后夾入的液晶層構(gòu)成，此外，此方式的掃描線和信號線都設置在同一個三端子元件的基板上。掃描線與該行上所有TFT元件的柵極相連，而信號線與該列上所有的TFT元件的源電極相連。

15、在以行順序驅(qū)動方式依次掃描行電極過程中，當某行一旦被選通，則該行上所有的TFT開關元件同時被行脈沖閉合，變成低阻導通狀態(tài)。與行掃同步，各列信號電荷分別通過列電極從保持電路送入與導通元件TFT相連的各相應像素電容，信號電壓被記錄在像素電容和儲存電容上。當行選一結(jié)束，TFT開關元件即斷開，被記錄的信號電壓將被保持并持續(xù)驅(qū)動像素液晶，直到下幀掃描再次到來。掃描電壓只做TFT元件的開關電壓之用，而驅(qū)動液晶的電壓是信號電壓通過導通TFT元件對像素電容充電后在像素電極和公共電極之間形成的電位差，而該電壓的大小決定于信號電壓?？梢?，采用TFT元件作有源矩陣驅(qū)動，可實現(xiàn)開關電壓和驅(qū)動電壓分開，從而可達到開關元

16、件的開關特性和液晶像素的電光特性的最佳組合，可獲得高像質(zhì)顯示。5 液晶顯示驅(qū)動系統(tǒng)和液晶顯示模塊的構(gòu)成液晶顯示驅(qū)動系統(tǒng)：利用多片液晶驅(qū)動器組合成一個點陣液晶顯示器件的驅(qū)動系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括有行驅(qū)動器，列驅(qū)動器，偏壓電路，驅(qū)動電源發(fā)生器以及溫度補償電路等。液晶顯示模塊的構(gòu)成：由于點陣型液晶顯示器件的引線眾多，而且要將這些引線從玻璃上引到驅(qū)動系統(tǒng)的PCB板上，這在工藝上不是普通用戶所能掌握的。所以液晶顯示器件的制造商們將液晶顯示器件產(chǎn)品進一步開發(fā)，制作出相應的驅(qū)動PCB板和壓框，然后用壓框和導帶或?qū)щ娤鹉z條將液晶顯示器件固定在PCB板上。PCB板上含有完整的驅(qū)動器系統(tǒng)，電路接口包含了驅(qū)動器系統(tǒng)所需

17、要的控制信號和電源。這就叫液晶顯示模塊（LCM）。三 、主板部分工作原理 主板是由PANEL控制邏輯，亮度控制邏輯，DC to DC轉(zhuǎn)換邏輯，傳輸TTL電平信號到LCD顯示模塊電路等組成。主板上各主要IC芯片描述： MCU：8051單片機，其主要作用有：電源控制，OSD（屏幕顯示菜單）控制，頻率計算，RS232通信等。 GMZAN1：集成ADC、OSD、SCALER，把計算機輸入的RGB模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過差補縮放處理，輸出至液晶顯示器PANEL時序控制電路。 LM2596：直流電源變換器，用于將12V輸入轉(zhuǎn)變?yōu)?V的直流輸出。 AIC1084：也是直流電源變換器，用于將5V輸入

18、轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V的直流輸出。 24LC21：1KB EEPROM，用于存儲表示顯示設備標志的DDC數(shù)據(jù)，其中包含有：設備的基本參數(shù)，制造廠商，產(chǎn)品名稱，最大行頻，可支持的分辨率等等。24C04：4KB EEPROM，用于存儲Auto Config數(shù)據(jù)，白平衡數(shù)據(jù)，POWER KEY狀態(tài)及POWER ON計數(shù)數(shù)據(jù)等。PS: 筆記本上主板部分集成在BareBone上，并非PANEL后面的PCB板。四、INVERTER部分工作原理 Inverter即逆變器，又叫電壓升壓板。它是專為Panel的背光燈提供工作電源的。 Panel使用的背光燈管的工作電壓很高，正常工作時的電壓為600800V，而啟動電壓則

19、高達15001800V，工作電流則為59mA。這樣的工作特點需要Inverter有如下功能： 1）、能夠產(chǎn)生1500V以上的高壓交流電，并且在短時間內(nèi)迅速降至800V左右，這段時間約持續(xù)1-2S。2)、由于Inverter提供電流的大小將影響冷陰極熒光燈管的使用壽命，因此輸出的電流應小于9mA，需要有過流保護功能。3）、出于使用的考慮，要有控制功能，即在顯示暗畫面的時候，燈管不亮。 Inverter是一種DC TO AC的變壓器，它其實與Adapter是一種電壓逆變的過程。Adapter是將市電電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的12V直流輸出，而Inverter是將Adapter輸出的12V直流電壓轉(zhuǎn)

20、變?yōu)楦哳l的高壓交流電；兩個部分同樣都采用了目前用得比較多的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。其核心部分都是一個PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，Inverter則采用TL5001芯片。TL5001的工作電壓范圍3.640V，其內(nèi)部設有一個誤差放大器，一個調(diào)節(jié)器、振蕩器、有死區(qū)控制的PWM發(fā)生器、低壓保護回路及短路保護回路等。以下將對Inverter的工作原理進行簡要介紹： Inverter工作原理框圖輸入接口部分：輸入部分有3個信號，12V直流輸入VIN、工作使能電壓ENB及Panel電流控制信號DIM。VIN由Adapter提供，ENB電壓由主板上的MCU提供，其值為0或3V，當EN

21、B=0時，Inverter不工作，而ENB=3V時，Inverter處于正常工作狀態(tài)；而DIM電壓由主板提供，其變化范圍在05V之間，將不同的DIM值反饋給PWM控制器反饋端，Inverter向負載提供的電流也將不同，DIM值越小，Inverter輸出的電流就越大。電壓啟動回路：ENB為高電平時，輸出高壓去點亮Panel的背光燈燈管。PWM控制器：有以下幾個功能組成：內(nèi)部參考電壓、誤差放大器、振蕩器和PWM、過壓保護、欠壓保護、短路保護、輸出晶體管。直流變換：由MOS開關管和儲能電感組成電壓變換電路，輸入的脈沖經(jīng)過推挽放大器放大后驅(qū)動MOS管做開關動作，使得直流電壓對電感進行充放電，這樣電感的

22、另一端就能得到交流電壓。LC振蕩及輸出回路：保證燈管啟動需要的1600V電壓，并在燈管啟動以后將電壓降至800V。輸出電壓反饋：當負載工作時，反饋采樣電壓，起到穩(wěn)定Inventer電壓輸出的作用。 五、Adapter部分工作原理 Adapter即電源適配器，由于LCD是低電壓工作，而一般市用電網(wǎng)提供的是110V或220V的交流電壓，所以需要在顯示器上專門配有電源適配器其作用就是將電網(wǎng)的220V交流電壓轉(zhuǎn)換成12V的直流電壓向整個LCD Monitor供電。 在LCD Monitor中Adapter采用的是開關電源設計方法。開關電源具有體積小、重量輕、變換效率高等優(yōu)點，因此被廣泛應用于電子產(chǎn)品中

23、，特別是脈寬調(diào)制（PWM）型的單片開關電源。PWM型開關電源的特點是固定開關頻率，改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比。其基本工作原理：交流220V輸入電壓經(jīng)過整流濾波電路變成直流電壓，再由開關功率管斬波和高頻變壓器降壓，得到高頻矩形波電壓，經(jīng)整流濾波后獲得所需要的直流輸出電壓。脈寬調(diào)治器是這類開關電源的核心，它能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動信號，控制開關功率管的通斷狀態(tài)，來調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達到穩(wěn)壓的目的。1 Adapter原理框圖：2 輸入交流濾波該部分的主要作用是用于防止由交流輸入線引入的噪聲，抑制電源內(nèi)部產(chǎn)生的反饋噪聲。 3 橋式整流及濾波220V交流輸入經(jīng)橋式整流輸出后經(jīng)濾波電容后生成高壓的直流電壓，同時濾除高頻電磁干擾。4 軟啟動電路通過大阻值電阻降低工作電流，電容充電放緩，Vin逐漸上升到16V以上，也就實現(xiàn)了軟啟動。5 脈寬調(diào)制控制器為電流控制型，通過誤差電壓控制流過開關功率管的電流最