液晶显示器原理

　　众所周知，物质有三态：固态、液态和气态。有些物质、它们在从固态转变成液态的过程中，不是直接从固态变为液态，而是给一种中间状态。各种能在一定的温度范围内兼有液体和晶体的特性的物质叫做液晶（Liquid Crystal） 也叫做液晶相、中间相或中介相等，又称为物质的第四态。

　　从成分和出现液晶相物理条件来看，液晶可分为热致液晶和溶致液晶两大类。
　　根据液晶分子的不同排列方式，可分为三大类：即向列液晶、胆甾相液晶和层列相液晶三大类。
　　向列液晶：向列液晶的分子种类的重心混乱无序，使它象普通液体一样可以流动，但分子杆的指向矢大体一致，如图（2）
　　胆甾相液晶：在胆甾相液晶中，分子的重心排列是无序的，但分子的指向矢在一个平面内大致指向一个方向。在垂直于这个平面上的方向上。分子的指向矢会旋转形成螺旋结构，如图（3）：
　　层列相液晶：在层列相液晶中，分子形成一层一层的结构。分子层的厚度大约是一个分子的长度。分子垂直于分子层平面排列，分子的重心在分子层中是无序的，形成一层层的二维流体。如图（4）

　　液晶显示器有如下优点：平面型显示、体积小、重量轻、便于携带；功耗低、驱动电压低；寿命长，一般在5 万小时以上；不含有害射线，对人体无害；易于驱动，可用大规模集成电路直接驱动；结构简单，没有复杂的机械部分；造价成本低。

　　随着液晶显示器的广泛应用，人们也可以发现其有些缺点：由于它是被动元件，本身不发光，在暗处需借助其它的光源才具有可视性；有视角之限；应答速度（30ms-120ms）与其他元件相比尚嫌差些；（现在一般的液晶显示器应答速度为2-8ms）；寿命尚未能成为半永久性元件。

LCD分类

　　液晶显示器的种类很多，按显示方式可分为透射及反射的直视型显示器。
　　透射型LCD 背面装有荧光灯，电致发光极等光源。因而在昏暗的环境光下也能使用。
　　反射型就是一种将铝箔光反射片贴在LCD 背面玻璃基板的外面，使其反射LCD 的入射光，用于显示。在TN 和STN 模式中，背面玻璃
基板上贴有偏光片和表面有皱纹状的反射片，这种反射型充分发挥了非发光型LCD 耗电少的特点。

　　利用光电效应制作的LCD 大致分为以下几种TN-LCD 和STN-LCD、HTN-LCD、FSTN-LCD、TFT-LCD.
　　TN-LCD 就是扭曲向列液晶显示器。我们通常所见到的电子表，计算器、游戏机等LCD 大都是TN-LCD.
　　STN-LCD 是Super Twist Liquid Crystal Display 的简称。即超扭曲向列型LCD. 它与TN-LCD 的结构相似，不同的是它的扭曲角不是
90度，而是在180~270 之间，虽然仅仅是扭曲角不同，它的工作原理同TN-LCD 完全不同。STN-LCD 是目前LCD 生产的中档产品。它
是有比TN-LCD 显示信息量大等特点，它主要用于多种仪器仪表、汉显机、记事本、笔记本电脑等。STN-LCD 的制造工艺基本成熟，但主要技术掌握在日本、韩国等少数国家手中，国内现有十多家STN-LCD 制造公司。
　　HTN-LCD 是Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display 的简称。即高扭曲向列型液晶显示器，HTN-LCD 的扭曲角在100度~120度 之间，介于TN-LCD 和STN-LCD 之间。HTN-LCD 目前数量并不多，其性能也介于TN-LCD 和STN-LCD 之间。
　　FSTN-LCD 是Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display 的简称。这里Film 是指补偿膜或延迟膜，所以FSTN-LCD 称补偿膜超扭
曲向列型液晶显示器。通过一层特殊处理的补偿膜，能够克服STN-LCD 的缺点。
　　TFT-LCD 即薄膜晶体管的有源矩阵LCD，它是目前LCD 市场中最高档次的产品。它主要用于笔记本电脑，液晶彩电等。TFT-LCD 的制
造工艺比较复杂，价格比较高。

LCD 的结构（如图⑤、如图⑥）

　　①偏光片；②基板玻璃；③SIO2 隔阻层；④电极；⑤定向膜；⑥封接框；⑦过渡电极；⑧液晶；⑨反射片；⑩封口胶；○11 间隙子

LCD 的工作原理

　　要了解LCD 的工作原理，我们首先须了解光。这是一种电磁波。即电磁场以波动的形式传播的。人眼可见的光的波长范围大致在380 纳米至780 纳米之间。通常光是沿直线方式传播的，光波的振动方向垂直于光的传播方向。对自然光（如太阳光）来说在垂直光传播方向的各平面内，光波的振动方向随机均匀分布的。如果光波振动的方向是沿一个方向，这样的光线称为偏振光，这个振动方向称为偏振方向。偏振方向与光波的传播方向形成的平面称为振动面。

偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向一致的光通过。而振动方向与偏光轴垂直的光将被其吸收。偏振光经过液晶盒后再经过偏光片（称为检偏器）射出。这样光是否通过检偏器多少，取决于线性偏振光经过液晶盒后的偏振状态。从而控制最后透过检偏器的光状态来实现显示的。如图4-2-1

具体的说，TN 型液晶盒内液液晶分子形成一种扭曲结构。在一定条件下入射光的偏振将顺着液晶分子的扭曲方向旋转。液晶分子长轴扭曲900 导致900 的旋光如图4-2-1，当对两块玻璃片上的电极施加一定大小的电压后，液晶分子就转变为垂直于上下玻璃片排列，扭曲结构消失，导致旋光作用消失，这种电光效应就称为扭曲电场效应。

LCD 的主技术指标

　　电光响应特性：液晶显示器的相对透光率随着外加信号电压变化而变化，就是电光响应特性，这是最重要的特性之一。
　　对比度：液晶显示器的对比是显示状态和非显示状态相对透光率的比值，当对比度≥5 时，图象清晰。

　　视角：LCD 的对比度跟视角（即人眼观察角度）有关。对比度随观察角度变化的特性称之为视角特性。视角特性指标。一般取定一个对比度的最小可接受值，来考察对比度大于这个值的视角范围，这个范围称为视角锥。例如LCD 的对比度=3 的视角值时。其上视角为100，下视角为400，左右视角为300。视角即观察方向与显示器件法线的夹角。视角方向（最佳视角象限）：扭曲向列型液晶显示器有一个最佳视观方向，一般的前视角（正视角）都从这个方向的θ角来确定。如图：4-3-3

　　功耗：功耗是LCD工作所消耗的能量，一般在微瓦/平方厘米量级，功耗低是LCD 最大的优点之一。LCD 功耗的大小取决于显示面积，驱动电压及频率、液晶的电阻率、介电常数和盒厚等。其中液晶的正电阻率很容易随液晶被污染而急剧下降。故液晶的妥善保存至关重要。

关于TFT

　　背光分类：CCFL （冷阴极荧光灯） VS LED （发光二极管）

　　1）CCFL背光：可以用多种构架产生CCFL所须的交流波形，包括：自激（Royer）,半桥，全桥和推挽。
　　自激（Royer）架构：Royer 架构(图1)的最佳应用是在不需要严格控制灯频和亮度的设计中。由于Royer 架构是自激式设计，受元件参数偏差的影响，很难严格控制灯频和灯电流，而这两者都会直接影响灯的亮度。正因为此，Royer 架构很少被用于LCD 电视，尽管它是本文所述四种架构中最廉价的。

　　　　　　　图1. Royer 驱动器简单，但不太精确。

　　全桥架构：全桥架构最适合于直流电源电压非常宽的应用(图2)。最适合于直流电源电压非常宽的应用(图2)。

　　　　　　　图2. 全桥驱动器很适合于大范围的直流电源

　　半桥架构：相比全桥，半桥架构最大的好处是每个通道少用了两只MOSFET (图3)。但是，它需要更高匝比的变压器，这会增加变压器的成本。还有，如同全桥架构一样，半桥架构也可能会用到p 沟道MOSFET。

　　　　　　　图3.半桥驱动器比全桥驱动器少用两个MOSFET

　　推挽架构：最后我们来考虑推挽驱动器，这种架构只用到n沟道MOSFET (图4)，这有利于降低成本和增加逆变器效率。它很容易适应较高的逆变器直流电源电压。采用更高的逆变器直流电源电压时，只需选择具有合适的漏-源击穿电压的MOSFET 即可。不管逆变器的直流电源电压如何，都可采用同样的CCFL控制器。推挽架构最大的缺点是，要求逆变器直流电源电压的波动范围小。

2）LED背光：现在我们所用到的小尺寸的屏都是白光LED做背光源，以下是典型的LED驱动电路

　　　　　　　（1）利用升压DC/DC 驱动LED，一般单灯只需要3.3V驱动。

　　　　　　（2）利用IO 口产生PWM驱动LED

　　综上说述，CCFL 背光驱动电路复杂，耗电大，容易产生干扰，但是CCFL的屏比较便宜。LED屏背光驱动电路相对简单，省电，且对电路干扰小，但是LED屏较贵。

　　视频信号分类：模拟屏VS 数字屏

　　模拟屏和数字屏就屏本身来说是没有区别的，主要区别是在电路上。加到液晶屏象素上的肯定都是数字信号（未必是数字信号，待研究）。在屏的边缘有很多行列驱动IC，就是所谓的驱动器。在屏后面的电路板上主要是控制器，控制器将收到的信号转换为符合驱动器时序要求的驱动信号，送给驱动器，点亮相应的象素。模拟屏和数字屏在这写部分是一样的，他们的区别主要在于输入上。数字屏直接输入数字信号，RGB 每种颜色信号都被视频处理电路转换若干位数字信号，直接送入屏上的控制驱动器，A/D 转换是在前面的电路中完成的。而模拟屏输入是三基色模拟信号输入，它的A/D 转换是在液晶屏上的电路中完成的。比较直观的区别模拟屏于数字屏：一般模拟屏PIN 脚（26P）少于数字屏（40P）。

LAYOUT 注意事项

　　数字屏接口电路：

　　LAYOUT 时注意红色标记部分要尽可能的粗短，滤波电容靠近屏接口。

　　模拟屏接口电路：

　　RGB 信号走线远离数字信号，VCOM信号纹波尽量小。

相关知识：分辨率
　　分辨率:是指屏幕上每行有多少像素点、每列有多少像素点，一般用矩阵行x列来表示，LCD的分辨率一般：SVGA显示模式800点×600行的和XGA显示模式1024点×768行的，VGA：640×480 QVGA：320×240。

LCD 屏VCOM 的作用

　　如果一直显示静止的图像，液晶电极上的电压就会一直不变，当撤销电压时，液晶很难回复原状，容易造成液晶损坏。解决这问题的方法就是改变液晶的控制电压的极性，也就是说即使是静止的图像，液晶电极上的电压也一直在翻转。一般的LCD 都采用行翻转的形式，通过改变公共端的电压极性VCOM 而达到翻转的目的。TCON IC 一般会送出一个M 或者POL 的信号，我们用这个信号产生VCOM，一般的转换电路使用非们或者运方电路。通过调节VCOM 的DC 端，我们可以改变LCD 的色彩，调节AC 端，可以改变LCD 的对比度。也许是由于行翻转的缘故，有的LCD 会产生水平的条纹（Flicker 现象），数字屏的VCOM 由屏产生，通过IO 口调整值。

TFT LCD 常用信号解释：
　　LED_Cathode/LED_Anode：LCD 背光电源供电
　　M/POL：液晶驱动极性转换型号，用于产生VCOM 信号
　　RESET：全局复位信号
　　CS/SCL/SDI：LCD TCON IC 的配置端口
　　DATA[0:23]：LCD RGB24BIT 数据信号，一般我们使用16BIT,因为在人的肉眼观察下16BIT 的色彩和24BIT 的色彩没有太大区别，而16BIT 所需处理的数据量比24BIT 小很多，一般情况我们把剩余的地位数据线连接到高位。
　　HSYNC：水平同步时钟信号
　　VSYNC：垂直同步时钟信号
　　DOTCLK：象素时钟信号
　　VDD：数字电源，一般是3.3V
　　AVDD:模拟电源，一般是5V
　　VGL:GATE OFF 控制电压
　　VGH：GATE ON 控制电压

　　VCOM:LCD 公共驱动电极
　　ENABLE：data enable 信号