1.2.3 TFT液晶显示屏及其驱动方式

TFT液晶显示屏是目前的顶级材质液晶屏，属于主动式有源矩阵类型液晶显示屏，具有优良的性能，在计算机液晶显示器、液晶电视、手机等设备中得到广泛的应用。

TFT液晶显示屏是在TN液晶显示屏的基础上发展起来的，理解前面介绍的TN、STN液晶显示屏的结构、原理与驱动方式，对于分析TFT液晶显示屏具有重要的指导意义。

1.TFT液晶显示屏的结构

TFT液晶显示屏是一种薄形的显示器件，它有两片偏光板、两片玻璃，中间夹上TN液晶。图1-2-11所示是TFT液晶显示屏的立体结构示意图。

在后玻璃板衬底上分布着许多纵横排列并相互绝缘的格状透明金属膜导线，将后玻璃衬分隔成许多微小的格子，称为像素单元（或称子像素）；而每个格子中又有一片与周围导线绝缘的透明金属膜电极称为像素电极（显示电极）。像素电极的一角，通过一个用印刷法制作在玻璃衬底上的TFT薄膜场效应管，分别与两根纵横导线连接，形成矩阵结构，如图1-2-12所示， TFT管的栅极与横线相接，横线称为栅极扫描线或X电极，因起到TFT管选通作用又称为选通线；而TFT管的源极与竖线连接，竖线称为源极列线或Y电极；TFT的漏极与透明像素电极连为一体。TFT管的功能就是一个开关调整管，通过施加栅极电压，可控制其是否截止。

对于TFT液晶显示屏，每个像素单元从结构上可以看做是像素电极和公共电极之间夹一层NT液晶，液晶层可等效为一个液晶电容Cc，约为0.1pF。在实际应用中，这个电容并无法将电压保持到下一次更新画面数据的时刻，也就是说，当TFT管对这个电容充好电后，它无法将电压保持到再对此电容充电的时刻（一般60Hz的画面更新频率，需要保持约16ms），这样一来，电压有了变化，所显示的灰阶就会不正确，因此，一般在设计面板时，会再加一个存储电容Cs（一般由像素电极与公共电极布线所形成），其值约为0.5pF，以便让充好电的电容电压能保持到下一次更新画面的时刻。

在前玻璃衬底上，也同样划分为许多小格子，每个格子均与下玻璃衬底的一个像素电极对应，但其差别是它没有独立的电极，而只是覆盖着一片R（红）、G（绿）、B（蓝）三基色的透明薄膜滤光片，称为彩色滤光片（或称RGB浅色膜），用以还原出正常的色级，如果用放大镜观察液晶显示屏，可观察到图1-2-13所显示的样子（图中的R、G、B是笔者为了说明彩色的颜色而加的标注）。

红色、蓝色及绿色是所谓的三基色，也就是说，利用这3种颜色可以混合出各种不同的颜色，CRT电视和显示器就是利用这个原理来显示出色彩的。把R、G、B 3种颜色分成独立的3个单元，各自有不同的灰阶变化，然后把邻近的3个R、G、B显示单元当做一个显示的基本单位——像素点（Pixel Point），这个像素点就可以拥有不同的色彩变化。

图1-2-13所示是常见的彩色滤光片的排列方式——条状排列，常用于办公设备中，如常见的笔记本式计算机或台式计算机显示器等。为什么这种应用要用条状排列的方式呢？原因是目前的软件多半都是窗口化的接口，也就是说，屏幕内容是由一大堆大小不等的方框所组成的，条状排列恰好可以使这些方框边缘看起来更笔直，而不会有毛边或是锯齿状的感觉。但是，如果应用在AV产品（如液晶电视）上，就不一样了，因为电视信号多半是人物，人物的轮廓线条大部分是不规则的曲线，因此最初使用于AV产品的都是马赛克排列（或称为对角形排列）。不过最近的AV产品大多已改进为使用三角形排列。除了上述的排列方式外，还有一种排列，称为正方形排列，它与前面几种不同的地方在于，它并不是3个单元而是以4个单元作为一个像素点，而4个单元组合起来刚好形成一个正方形。

对于一个分辨率为1024×768的显示画面，表示显示器可以显示768行、1024列，共可显示1024×768=786432个像素点，由于每个像素点都由R、G、B 3个像素单元（或称为子像素）构成，分别完成红色、绿色和蓝色的显示，所以总共有1024×3×768=2359296个像素单元，所以在标示显示屏分辨率时，2359296个基色像素单元需要2359296个TFT管进行控制，图1-2-14所示为其像素排列图。

开口率是液晶显示屏结构中一个十分重要的概念，它是决定液晶显示屏亮度的重要参数。简单的说，开口率就是光线能透过的有效区域的比例，如图1-2-15所示。其左侧是一个液晶屏从正上方或从正下方看过去的结构图，当光线由背光板发射出来时，并不是所有的光线都能穿过面板。例如，给液晶屏用的信号布线及TFT管本身，还有存储电压用的存储电容等，这些地方除了不完全透光外，也由于经过这些地方的光线并不受到电压的作用而无法显示正确的灰阶，所以，都需要利用Black Matrix加以遮蔽，以免干扰到其他透光区域的正常亮度。因此，有效的透光区域就只剩下图1-2-15右侧所显示的区域。这块有效的透光区域面积与全部面积的比例就称为开口率。

当光线从背光板发射出来时，会依次穿过偏光板、玻璃板、液晶、彩色滤光片等，假设各个部件的穿透率：偏光板为50%（因为其只允许单方向的极化光波通过）；玻璃板为95%（需要计算上、下两片）；液晶为95%；开口率为50%（有效透光区域只有一半）；彩色滤光片为27%（假设材质本身的穿透率为80%，但由于滤光片本身涂有色彩，只能允许该色彩的光波通过。以R、G、B三基色来说，只能允许3种中的一种通过，所以仅剩下三分之一的亮度，因此总的通过率为80%×33%=27%）。

以上述的穿透率来计算，从背光源发出的光线只剩下6%，实在是少得可怜，这也是为什么在TFT液晶显示屏的设计中，要尽量提高开口率的原因，只要提高开口率，便可以增加亮度，同时背光源的亮度也不用那么高，可以减少耗电及花费。

2.TFT液晶显示屏的驱动

1）系统构成和接口电路

图1-2-16是分辨率为1024×768的XGA模式、262144色（R、G、B各6b）的TFT液晶显示系统原理框图。在TFT液晶里，采用低压差分信号LVDS（Low Voltage Differential Signaling）高速传送，将图像信号按像素逐个传送，并在液晶模块里将其转换成层次电压。

图1-2-17所示是LVDS发送电路和接收电路的构成图。LVDS的图像数据可对应到24b（R、G、B各8b），发送端数据和垂直同步等控制信号用并/串变换电路变换成频率值7倍的串行信号、4对数据比特和l对时钟变换后传送。接收端进行串/并变换，恢复出原信号。这种信号差动电压的信号电平振幅为200mV，幅度值低对EMI有利。

另外，在差动传送方式中除了用LVDS外，还有最小化差分信号传送TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）和十亿比特视频接口GVIF（CLsa bit Video Interface）等实用技术。目前，以各种方式表示数据和同步信号串行化的配线根数都有削减，同时也以低振幅差动信号方式传送；串行化的比例LVDS为7倍，TMDSI为10倍，信号的直流平衡及变化点数的最小化能力也各有不同。

这样，从图像控制输出的垂直同步信号VSYNC，水平同步信号HSYNC，有效指示信号DTMG，数据信号DR0～DR5、DG0～DG5、DB0～DB5，点时钟DCLK，都用LVDS变换变成差动信号。

在液晶模块里，以LVDS方式接收，并把CMOS电平变换成小振幅差动值，输入TFT定时变换器，生成相应的数据驱动和扫描驱动信号。图1-2-18所示是分辨率为1024×768的TFT液晶模块驱动电路图。

2）TFT定时变换电路

图1-2-19是分辨率为1024×768的TFT液晶模块数据驱动、扫描驱动的时序图，TCO把从图像控制开始的接口信号在这里进行定时变换。水平同步信号与驱动线、门线定时不同，数据驱动、扫描驱动不同的定时关系用相对应的CL1、CL3来变换。CL1、CL3的时钟按TFT液晶板特性来设定。

为了降低图像数据在液晶模块中的传送频率，与数据读取时钟CL2同步，将数据变换成2像素并行（6×3×2=36b）的信号。

读入数据的定时，以基于图像数据的定时有效信号DTMG进行有效的数据定时，用输出信号读取有效（EIO）来控制数据输出的读取。

图1-2-20所示是数据驱动IC HD66325的内部框图。与STN液晶屏电路相同，它也是用数据读入时钟（CL2）的前沿驱动数据。锁存电路（1）以36b（两个RGB像素并行）顺次取入6个输出数据。当384个输出数据都取入第l数据驱动器后，EIO信号输出“H”，接着取第2个数据驱动器里的数据输入。当一行数据取满8个数据驱动器时，水平同步信号（CLl）的前沿到来，全部数据进入锁存电路（2）。TFT的数据取入与STN液晶的数据比特数、输出幅值不同，但动作基本相同。

在STN液晶中，只要用模拟开关来选择ON/OFF电压即可。TFT液晶可以控制电压电平来表现灰度层次，所以表示数据的电压就需要有等级。例如，R、G、B各6b的数据就有64个电平的灰度层次电压电路，加之极性的交变，合计有128个电平。灰度层次电压经放大电路缓冲放大后，驱动TFT液晶的驱动线。

图1-2-21所示是梯形电阻型D/A变换方式的灰度层次电压产生电路原理图。用电阻分压生成正、负各64种电平，表示对应的数据。在点反转驱动里，因为相邻的层次电压输出极性正好相反，就可以用简化的电路构成层次电压选择电路，为了实现高画质，灰度层次电压精度的偏差要在±3mV以下。为了能使芯片小型化，使用开关电容的D/A放大电路也正在实用化。

3）扫描驱动电路

TFT液晶和STN液晶所加的门电压电平数不相同，STN的交变电压分3个电平，TFT的交变电压只有两个电平。但两者的内部结构相同，实际上也有TFT用STN液晶屏使用的扫描驱动IC的情况。

TFT定时变换器的性能与液晶板的特性有关，扫描驱动的水平同步信号 （CL3）与门线波形的定时关系要考虑时延对其的影响。