【TFT-LCD基本原理与知识总结】
TFT-LCD基本原理知识总结
- 前言
- 一、TFT-LCD的简介
- 二、TFT-LCD结构
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- 2.1 常见液晶结构
- 2.2 TFT-LCD切面结构
- 三、Cs (storage capacitor) 储存电容的架构
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- 3.1 Cs on common and common not change
- 3.2 Cs on common and common change
- 3.3 Cs on Gate and common not change
- 3.4 Cs on Gate and common change
- 四、Gamma 校正、CrossTalk、FLICKER
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- 4.1 Gamma校正
- 4.2 CrossTalk
- 4.3 FLICKER
前言
下面为TFT-LCD相关的显示原理介绍，以及结构组成相关，此为记录自己的学习方便查看，内容参考了多位博主的内容，在此表示感谢。
一、TFT-LCD的简介
TFT-LCD:
thin-film transistors Liquid crystal Display
薄膜晶体管液晶显示屏
Signal Flow of the TFT LCD Panel
TFT-LCD Driver Structure
TCON:TCON板全称是timing controller，即时序控制器，时序控制电路。TCON作为控制Panel时序动作的核心电路，将从主板处获得的视频信号转化成数据驱动电路所需要的数据信号格式（例如，LVDS转换为miniLVDS），同时将这些数据信号传递到数据驱动电路（COF IC）。
TCON的组成一般主要有以下几部分：
TCON IC TCON主芯片，做核心时序控制
PM IC 、Level Shift IC 一些电源管理芯片以及电平转换芯片，提供屏驱动所需要的各种不同电压主要以DCDC为主
Gamma校正电路，用于提供合适的屏幕gamma值
GPM IC 削角电路，主要用于改善屏幕闪烁现象
Shift register: Decides timing of turning on/off TFT
Logic: Logic operation
Level shift: Enhance the output voltage
Digital buffer: Increase the driving ability
显示原理
液晶显示的原理基于液晶的透光率随其所示电压大小而变化的特性。屏幕通电的时候，背光源发出白光，经过导光板的发射照亮整个屏幕，扩散膜让光跟家柔和，棱镜模确保光线能往正确的方向走，然后偏光片滤掉其他方向的光。只让垂直方向的偏振光通过。TFT根据需要来控制子像素电压的大小，影响液晶分子的扭曲程度，控制光的亮度。光穿过液晶，穿过彩色滤光膜，就有红光、绿光、蓝光。最后一层的偏光片只让水平偏振光通过，LCD就显示出了画面。
二、TFT-LCD结构
- 背光源：通常使用LED作为背光源，有平铺和侧放两种形式
- 导光板：把线光源转换成面光源，让光更加均匀
- 扩散膜：让光扩散面积更大，同时使光更加柔和
- 棱镜膜：把分散的光线集中到一定的角度，只有符合一定角度的光线，才会从棱镜膜射出，不符合的则被反射回下面的反光板（提高屏幕的亮度）
- 第一片偏光片：过滤作用，让垂直方向的光线可以通过，其他方向的光线则会被吸收
- TFT基板：TFT基板由电极、玻璃层和TFT组成，通过控制电极的大小，通过TFT电压的大小是液晶层发生不同的扭曲程度，从而透过不同的光线
- 液晶：用配向膜把液晶夹在中间
- 滤光层：显示不同的颜色
- 第二片偏光片：让水平方向的光线通过，并成像
2.1 常见液晶结构
1.TN(Twisted Nematic) LCD 扭转向列型
当上下两块玻璃之间没有施加电压时，液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定。对于TN型的液晶来说，上下的配向膜的角度差恰为90度.所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度，当入射的光线经过上面的偏光板时，会只剩下单方向极化的光波。通过液晶分子时，由于液晶分子总共旋转了90度，所以当光波到达下层偏光板时，光波的极化方向恰好转了90度。而下层的偏光板与上层偏光板，角度也是恰好差异90度. 所以光线便可以顺利的通过，但是如果我们对上下两块玻璃之间施加电压时，由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶(ε// >ε⊥，代表着平行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大，因此当液晶分子受电场影响时，其排列方向会倾向平行于电场方向.)，液晶分子的排列都变成站立着的。此时通过上层偏光板的单方向的极化光波，经过液晶分子时便不会改变极化方向，因此就无法通过下层偏光板。`
NW(Normally white) 和 NB(Normally black)
NW(Normally white)是指当我们对液晶面板不施加电压时，我们所看到的面板是透光的画面，也就是亮的画面，所以才叫做normally white。而反过来，当我们对液晶面板不施加电压时，如果面板无法透光，看起来是黑色的话，就称之为NB(Normally black) 。
对TN型的LCD而言，位于上下玻璃的配向膜都是互相垂直的，而NB与NW的差别就只在于偏光板的相对位置不同而已。对NB来说，其上下偏光板的极性是互相平行的。所以当NB不施加电压时，光线会因为液晶将之旋转90度的极性而无法透光。
2.STN(Super Twisted Nematic)型LCD 超扭转向列型
STN LCD与TN型LCD在结构上是很相似的，其主要的差别在于 TN型的LCD，其液晶分子的排列，由上到下旋转的角度总共为90度。而STN型LCD的液晶分子排列，其旋转的角度会大于180度，一般为270度. 正因为其旋转的角度不一样，其特性也就跟着不一样。
TN型LCD的变化曲线比较平缓，而STN型LCD的变化曲线则较为陡峭。因此在TN型的LCD中，当穿透率由90%变化到10%时，相对应的电压差就比STN型的LCD来的较大，一般TN型的LCD多为6~8 bits的变化，也就是64~256个灰阶的变化。而STN型的LCD最多为4 bits的变化 也就只有16阶的灰阶变化。除此之外STN与TN型的LCD还有一个不一样的地方就是反应时间(response time) 一般STN型的LCD其反应时间多在100ms以上 而TN型的LCD其反应时间多为30~50ms 当所显示的影像变动快速时 对STN型的LCD而言 就容易会有残影的现象发生。
Example:
当电压关闭时，来自光源的自然光通过顶部偏振器成为偏振线光。 当它遇到向列液晶分子时， 它与液晶扭曲层一起扭曲. 扭90后，它穿过底部玻璃到达底部偏光片。 由于偏振光与底部偏光片平行，通过偏光片我们可以看到光线（白色或灰色像素）。
当电压接通时，液晶分子将垂直于玻璃表面，在电场作用下失去扭曲。 当偏振光遇到向列液晶层时，保持原来的透光不扭曲.由于线性光和底部偏振器处于垂直位置，它将被底部偏振器阻挡。我们确实看到了光（黑色像素）
2.2 TFT-LCD切面结构
1.像素结构
每个像素点都是由RBG(红绿蓝)三种颜色所构成，我们把RGB三种颜色分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把邻近的三个RGB显示的点当作一个显示的基本单元，就是像素，这个像素就可以拥有不同的色彩变化了。
2.开口率（aperture ratio）
开口率是决定亮度的最要因素，也就是光线能投过的有效区域的比例，每一个RGB的点之间的黑色部分, 就叫做Black matrix，也就是TFT所在部分。
3.颜色深度
4.RGB排列方式
5.面板电极的变化方式
frame inversion, 它整个画面所有相邻的点, 都 是拥有相同的极性. 而 row inversion 与 column inversion 则各自在相邻的行与列 上拥有相同的极性. 另外在 dot inversion 上, 则是每个点与自己相邻的上下左右 四个点, 是不一样的极性
三、Cs (storage capacitor) 储存电容的架构
3.1 Cs on common and common not change
所谓的二阶驱动就是指gate driver的输出电压仅有两种数值，一为打开电压，一为关闭电压。而对于common电压不变的驱动方式，不管何时何地，电压都是固定不动的。但是对于common电压变动的驱动方式，在每一个frame开始的第一条gate 1打开之前，就必须把电压改变一次。
当gate走线打开或关闭的那一瞬间，电压的变化是最激烈的，大约会有30~40伏特，再经由Cgd的寄生电容，影响到显示电极的电压。在图3中，我们可以看到Cgd寄生电容的存在位置。其实Cgd的发生，跟一般的CMOS电路一样，是位于MOS的gate与drain端的寄生电容。但是由于在TFT LCD面板上gate端是接到gate driver输出的走线，因此一但在gate driver输出走在线的电压有了激烈变化，便会影响到显示电极上的电压。当Frame N的gate走线打开时，会产生一个向上的feed through电压到显示电极之上。不过此时由于gate走线打开的缘故，source driver会对显示电极开始充电，因此即便一开始的电压不对(因为feed through电压的影响)，source driver仍会将显示电极充电到正确的电压，影响便不会太大。
但如果当gate走线关闭的时候，由于source driver已经不再对显示电极充电，所以gate driver关闭时的电压压降(30~40伏特)，便会经由Cgd寄生电容feed through到显示电极之上，造成显示电极电压有一个feed through的电压压降，而影响到灰阶显示的正确性。且这个feed through电压不像gate走线打开时的feed through电压一样，只影响一下子，由于此时source driver已经不再对显示电极充放电，feed through电压压降会一值影响显示电极的电压，直到下一次gate driver走在线的电压再打开的时后。
所以这个feed through电压对于显示画面的灰阶的影响，人眼是可以明确的感觉到它的存在的。而在Frame N+1的时候，刚开始当gate driver走线打开的那一瞬间，也会对显示电极产生一个向上的feed through电压，不过这时候由于gate已经打开的缘故，source driver会开始对显示电极充电，因此这个向上的feed through电压影响的时间便不会太长。但是当gate走线再度关闭的时候，向下的feed through电压便会让处在负极性的显示电极电压再往下降，而且受到影响的负极性显示电压会一直维持到下一次gate走线再打开的时候。所以整体来说，显示电极上的有效电压，会比source driver的输出电压要低。
3.2 Cs on common and common change
由于其 common 电压是随着每一个 frame 而变动的,因此跟 common 电压固定的波形比较起来.其产生的 feed through 电压来源会再多增加一个,那就是 common 电压的变化.这个common 电压的变化,经由 Clc+Cs 的电容,便会影响到显示电极的电压.且由于整个 LCD 面板上所有显示点的Clc 与 Cs 都是接到 common 电压,所以一但 common 电压有了变化,受影响的就是整个面板的所有点.跟前面 gate 电压变化不一样的是,gate 电压变化影响到的只是一整行的显示点而已.不过 Common 电压变化虽然对显示电极的电压有影响,但是对于灰阶的影响却没有像gate 电压变化来的大
3.3 Cs on Gate and common not change
Cs on gate 且common 电压固定不动的电压波形图.它并没有 common 电压变化所造成的 feed through 电压,它只有由于 gate 电压变化所造成的 feed through 电压.不过它跟 Cs on common 不一样的是,由 gate 电压变化所造成的 feed through 电压来源有两个地方,一个是自己这一条 gate 走线打开经由 Cgd 产生的feed through 电压,另一个则是上一条 gate 走线打开时,经由 Cs 所产生的 feed through 电压.
3.4 Cs on Gate and common change
该架构有了前面3种架构的所有缺点,那就是 gate 走线经由 Cgd 的 feed through 电压,和前一条 gate 走线经由 Cs 的 feed through 电压,以及 Common 电压变化经由Clc 的feed through 电压.
这 4 种架构中最常用的就是 Cs on gate 架构且 common 电压固定不动的架构.因为它只需要考虑经由 Cgd 的 feed through 电压,而 Cs on gate 的架构可得到较大的开口率的缘故.
cs on common 和 cs on gate 两者区别
两者的主要差别在于储存电容是利用gate走线或是common走线来完成，Cs on gate由于不必像Cs on common需要增加一条额外的common走线，所以其开口率(Aperture ratio)比较大。而开口率的大小是影响面板的亮度与设计的重要因素，所以现今面板的设计大多使用Cs on gate的方式。但是由于Cs on gate方式的储存电容是由下一条的gate走线与显示电极之间形成的，而gate走线就是接到每一个TFT的gate端的走线，主要是作为gate driver送出信号来打开TFT，好让TFT对显示电极作充放电的动作。所以当下一条gate走线送出电压要打开下一个TFT时，便会影响到储存电容上储存电压的大小。不过由于下一条gate走线打开到关闭的时间很短(以1024 x 768分辨率，60Hz更新频率的面板来说。一条gate走线打开的时间约为20μs，而显示画面更新的时间约为16ms，所以相较下影响有限)，所以当下一条gate走线关闭，回复到原先的电压，则Cs储存电容的电压，也会随之恢复到正常。这也是为什么大多数的储存电容设计都是采用Cs on gate的方式的原因。
四、Gamma 校正、CrossTalk、FLICKER
4.1 Gamma校正
Gamma是指对线性三色值和非线性视频信号之间进行编码和解码的操作。
自然界中亮度的0.2左右的亮度，对应的就是人眼感受到的中灰色（0.5）可以看到暗部的变化率更高，也就是说人眼对暗部的变化感受更敏感。
4.2 CrossTalk
CrossTalk现象
TFT-LCD 的串扰现象：纯色背景画面上有一块其他颜色的画面，使其邻近的区域亮度发生变化，而导致画面失真。
串扰的特点：受人眼对亮度感知特点的影响，串扰现象在中间灰阶背景下较容易观察出来。尤其是白画面中间显示黑色方块，黑色方块周边的串扰较容易显示出来。
垂直串扰：上下区域受黑方块影响变得更暗 水平串扰：左右区域受黑方块影响变得更亮
CrossTalk的解决方法
For horizontal crosstalk
加强Vcom外接电源之驱动能力，使Vcom之电压准位不易被抬升/下降，采用column or dot inversion，由于同时间相邻数据线电压极性相反，使的电容藕合效应电压方向也相反，产生抵销效果。
For vertical crosstalk
在制程上减少数据线与画素电极之寄生电容产生采用column or dot inversion，由于同时间相邻两条数据线电压变化方向相反，可以抵销寄生电容产生的电压变化。
4.3 FLICKER
Flicker的现象就是在看液晶显示器的平面上时，平面会有闪烁的感觉，它并不是故意让显示平面一亮一暗来做出闪烁的视觉效果，而是因为显示的平面灰阶在每次更新平面时，会有细微的变动，让人眼感受到在闪烁。
对于FLICKER，改善方法就是调节公共电极的电压Vcom,调节效果可根据具体客户需求进行调整。