光电显示技术3.7 液晶显示器件的驱动技术1

3.7液晶显示的驱动技术•液晶显示器件的电极连接•PM－LCD的静态驱动技术•PM－LCD的动态驱动技术•抑制交叉效应的措施•提高大容量液晶显示图像质量的方法•灰度显示法•动态驱动器原理•液晶显示控制原理3.7.1液晶显示器件的电极连接液晶显示器是通过外加电场改变其分子的初始排列，从而改变液晶层的透光特性进行工作的，其透光特性包括光透过率的高低，白光照射彩色光出射两种情况，外加电压必须超过阈值电压，并维持一定时间，才能获得人眼可觉察到的显示效果。另外要求：⑴LCD必须交流驱动。⑵LCD透光率的改变只与外加电压的有效值有关。⑶液晶显示器的一个显示单元等效于一个电容，为容抗性负载。一、液晶显示器的电极连接LCD有段形显示和点阵显示，取决于电极的形状。1、段形显示可用于显示数字、字母和汉字等。在上玻璃基片上刻ITO膜，每段一根引线或相同的段共用一根引线，视驱动方法的不同而不同；下玻璃基片不刻，整块作为一个公共电极或一位数码刻一个电极，用一根引线。占空比：在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。2、点阵显示在上、下玻璃基片内侧光刻栅网形电极，水平电极称为扫描电极，用X表示，垂直电极称信号电极或选址电极，用Y表示，水平电极与垂直电极交叉处为一个像素。点阵显示又分为普通点阵和有源点阵。二、PMLCD的静态驱动技术驱动电压直接施加于像素电极上，使液晶显示直接对应于所加驱动电压信号的驱动技术称为直接驱动法。1、三种静态驱动方法⑴笔段式数码显示每个数码有七划，加一个小数点，共八个电极引线，背电极称为位电极，用一根电极引线，若要显示n位数，共需(8n+1)根电极引线。每个数码配一个译码器，驱动电压为交流3～5V。工作时，振荡器发出固定的、占空比为1/2的连续方波加在公共电极（COM电极）上，这个方波信号B与要显示的信号A经过一个异或门再输出给笔段电极。LCCellA振荡器BABCOMSEG1SEG2COM－SEG1COM－SEG2异或门的输出与COM波形不是同相就是反相，同相时，液晶上无电场，不显示；反相时，加在液晶上的信号波形幅值为2倍的连续方波信号，若此幅值大于液晶的，则为显示状态。thV⑵棒形模拟显示用液晶制作类似水银温度计那样的模拟量显示器。将背电极用分成十段，需十根电极引线，每段对应十个棒形像素，不同段中的棒形像素按一定规律连在一起，需十根棒电极引线。振荡器发出固定的、连续的占空比为1/2的方波信号，此信号分为五路，前三路经相移器产生相移为0，π/2，π的信号，后两路经延时、触发、相移等逻辑电路进行波形转换得双极性归零信号，有π/2的位相差。⑶示波器显示像素电极排布为点阵式，任何一幅波形中都具有一个Y电极中只有一个X电极与其选通的特点。对于这种显示任务，X电极和Y电极都只需两种驱动波形。静态驱动器原理：以段形显示为例，显示一个数字需四位二进制码表示，0000～1111，有四根数据线D0、D1、D2、D3，输入4位二进制码，经译码器后控制要点亮的段，从而显示数字。缓冲器的作用是暂存D0～D3的数据。三、PM－LCD的动态驱动技术1、动态驱动技术仍以笔段式数码显示为例，显示N位带小数点的数字，将背电极（公共电极）分成N块，每一块对应一位数码（称为位电极）引出一根引线，在各背电极上顺序加反相后的连续矩形脉冲，类似于行扫描，扫到哪一位就将它选通。对于段电极则将相对应的段连在一起共用一根引线，要显示的段则输入显示电压，再看扫描选通信号，选中的就亮，没选中的不亮，这就是简单的动态驱动技术。在方波扫描期间，每一位被点亮的数字实际上是在闪烁的，只要扫描频率超过人眼的临界闪烁频率，人眼就只看到被点亮的一串数字。显然位数越多扫描的频率也就越高。优点：N位数字的N个相应的段用一根引线，加一小数点，共8根，再加N根背电极引线，共需N＋8根引线。电极引线少，驱动信号波形少。技术思想：将驱动信号一分为二，一个用于扫描选通（对应背电极），称扫描信号；一个用于给出显示与不显示信号，称显示信号。由扫描信号和显示信号二者的迭加来决定哪位数码显示，当时亮，反之不亮。thVV2、无源矩阵的动态驱动技术X电极，即扫描电极，加扫描信号；Y电极，即选通或选址电极，加选通信号，选择要显示的点的地址。若X电极有m条，Y电极有n条，则它们组成的点阵为m×n方阵，提供m×n个像素，在动态驱动下只需要(m＋n)根电极引线，引线数目大大减少。⑴X电极加扫描脉冲，将它逐行施加于X电极就相当于在做逐行扫描，从第一行扫描到第m行即完成了一帧的扫描，所用的时间称为帧周期，帧周期的倒数就是帧频。扫描某一行时，其余的m-1行都处于空闲状态，扫描电极扫描某一行所占用的时间与帧周期的比称为占空比，它等于1/m。⑵Y电极执行选址任务，它需要两种波形，一种是选通波形，一种是非选通波形，它们与扫描信号是同步的。当扫描到某一行时，凡是加了选通波形的列与该行的交叉点就是被点亮的像素，加了非选通波形的则不被点亮，扫完一帧后所有这些被点亮的像素便组成了一幅画面。因为画面上各行的像素是在不同时段被选通的，所以动态驱动技术又称为时间分割显示。四、无源矩阵驱动的交叉效应以3×3矩阵驱动为例，点亮（2，2），点阵中9个点的电压：x1x2x3y1y2y30000u0-u0(1,1)(1,2)(1,3)(2,1)(2,2)(2,3)(3,1)(3,2)(3,3)1、交叉效应0000000200uuuuu当时，（2，2）像素就被点亮。02thuV若像素的亮度不够，根据液晶的电光效应曲线，要增大使其透光率增大才能将亮度提高，若电光曲线的陡度太大，则增加的越多，当时，则行和列上的所有像素就被点亮了。0u0thuV0u导致图像对比度下降，分辨力也下降，从而影响了图像质量，这就是交叉效应。随着点阵数目的增多，交叉效应也越严重。（2，2）像素为全选点，和x2、y2不相连的像素点为非选点，和x2、y2相连的像素除全选点外称半选点。2、N×M矩阵液晶显示的交叉效应将所有开路行电极连在一起，所有开路列电极连在一起，第i行和第j列电极间的像素阻抗等效电路如右图：⑴逐点扫描（i，j）（i，l），（k，j）（l，k）电压N＝8N＝∞00121NVN0121VN0V0V0V07/15V0/15V0/2V1ijNMRRNM221ijNRRN⑵逐行扫描选择点半选点非选点电压N＝8N＝∞0011NVN011VN0V0V0V07/9V0/9V0V一幅图像为左明右暗：五、抑制交叉效应的措施交叉效应对画面质量的影响：①选择点与非选点电压接近，当外加电压超过阈值电压后，半选点也会呈显示状态，使对比度下降。②半选点与非选点电压不一样，若它们变明或变暗的状态不一致，造成画面不均匀。要抑制交叉效应，可以：①从液晶角度讲，选用电光曲线较陡的液晶材料。②从驱动角度讲，要增大全选点与半选点的电压差。1、平均电压法以3×3矩阵驱动为例，X电极上没扫到的行接地，扫到的行加信号为(b-1)u0，Y电极上选通信号为-u0，非选通的信号为u0。(b-1)u0x1x2x3y1y2y300-u0u0u0各像素点的电压：(1,1)(1,2)(1,3)(2,1)(2,2)(2,3)(3,1)(3,2)(3,3)000000000(2)(2)uuubububuuuu在选通的列上，半选点的电压是全选点的1/b，b就称为偏压比。当b＝3时，点阵电压为：000000000(1,1)(1,2)(1,3)(2,1)(2,2)(2,3)3(3,1)(3,2)(3,3)uuuuuuuuu半选点与非选点电压的有效值相等，且都等于全选点的1/3，这就是消除交叉效应的1/3偏压法。液晶显示器件的驱动电压工作范围：250thVV2、最佳偏压法为了减小交叉效应，获得良好对比度的图像，对于每一个给定的扫描行数，均存在一个最佳的偏压比。像素的透光率由一帧时间内加在像素上的电压的圴方根值决定。222200111()onNVVVNNb选择点：　2222001211()()offbNVVVNbNb非选点：　定义工作裕度α22(1)(2)(1)onoffVbNVbNα直接影响图像的对比度。对于每一个给定的扫描行数，都有一个最佳偏压比，使Von/Voff最大，称为最佳偏压法。裕度最大最好，求其最大值：01b由可求得：b=Nmax11NN此时：交流驱动铁的定律：1bN但随着N的增加，α将很快趋于1，即显示对比度将趋于零。为了显示高对比度的图像，要求：max相应的，可以得到扫描电极数目的限制为：maxmax2221()1N液晶材料的电光特性的陡度限制了N。只有提高液晶显示器电光特性曲线的陡度，才能工作于扫描行数N较大的情况下。TN型器件的β为1.2～1.5，故驱动3～8路没有问题。最新的TN型器件的β＜1.2，可驱动的路数可达到16～24路；STN型器件的β＜1.05，最大可驱动路数为256，能满足典型的VGA显示，所以STN型器件广泛应用于中低档的笔记本电脑中。10902.94.2VVVV，扫描电极数N＝100，则max103.2VVVmax11.11NN选择点的电压：对应的透光率30%，无法实现大屏幕显示。3、实际采用的偏压法⑴1/2偏压法多用于钟表显示。1/2偏压法驱动波形笔段显示引线图多用于计算器和仪表用液晶仪器，大都是多位笔段形显示，位数可达1O位以上。1／3偏压法最适用于四路驱动，但经常用于三路驱动。⑵1/3偏压法⑶5级、6级偏压法用于驱动路数较多的点阵液晶显示器件，目的是实现行驱动器和列驱动器驱动电压的平衡，使用偏离最佳偏压比的5级、6级偏压。设器件扫描行数为100线，1245RRRRR3(3)(4)RNRbR37RR6级分压法五、提高大容量液晶显示器件的图像质量的方法电极排布上1、分割矩阵法将全屏的行数分成上下两组，从而使2N数量的行电极可用1/N占空比驱动，又称为双屏驱动方式。特点：占空比增加1倍，列电极也增加1倍，在驱动电路中要引入帧存储器。2、多重矩阵法每一行电极涵盖了两行像素，可用1/N占空比驱动2N行电极，列电极数目也增加1倍，但其控制写入方式与分割矩阵方式不同。3、线反转技术液晶显示工作于交流驱动下，当显示容量很大时，要考虑像素电容及引线电阻的影响。xiyj如图所示，在交流驱动下，在电极中有驱动电流流过，电极电阻将产生压降，导致一行像素中明暗不同，显示画面不均匀。扫描信号每隔数行变一次极性，使间隔行数周期与帧周期无公约数，称为线反转技术。线反转驱动波形4、双频驱动法利用液晶材料的介电各向异性与频率有关的特性。双频驱动分高频选取方式和低频选取方式。高频选取是指列上信号采用高频脉冲寻址，行的寻址采用高、低频混合脉冲，总是使在被选通的行上施加高频脉冲，在所有未被选通的行上施加低频脉冲。低频选取是指列上信号采用低频脉冲寻址，选通行上加低频脉冲，未选通的行上加高频脉冲。以高频选取方式为例：关态关态开态这种方法是不需要特殊的驱动、控制技巧，但是有很大缺点。六、灰度显示法显示器件除了显示不需要灰度的数码、曲线等，很多场合是需要显示灰度的。灰度显示方式分两大类：空间灰度调制和时间灰度调制。1．空间灰度调制将一个像素划分为若干个单独可控的“子像素”，控制子像素被选通数量，便可实现灰度显示。2．时间灰度调制在一个时间单位内，控制显示像素选通、截止的时间长短．从而实现灰度显示。⑴帧灰度调制以数帧为一个时间单元，控制显示像素选通的帧数，可实现灰度调制。⑵脉冲灰度调制在数据脉冲中划出一个灰度调制脉冲，不同的宽度代表不同的灰度级，即可实现一个像素上的灰度调制。由于液晶对过窄的脉冲不能响应，所以一般限于以4位移位寄存器调制16级灰度，即列信号的宽度有16种组合。七、动态驱动器原理每个液晶像素的位置都由其所在的行与列