TFT LCD详解显示原理

               图（一） 

         图（六） 

液晶显示器是利用偏光板的特性来完成的。上下栅栏之间的垂直偏光板充满了液晶利用电场控制液晶分支的旋转，改变光的行驶方向。这样，不同的电场大小就会形成不同的颜色，如图所示（7）。

         图（七） 

b-1:不加电极时，当入射光通过下面的偏光板(起偏器)时， 通过液晶分子时，会留下单向光波， 由于液晶分子总共旋转90度， 因此，当光波到达上偏光板时， 光波的极化方向刚好转90度。下偏光板和上偏光板， 角度也恰好相差90度。 因此，如果光线打在红色滤光片上，光线就能顺利通过。如图(7)前两张图所示。

b-2:当添加电极（最大电极）时，液晶分子站立在电场的影响下，光路没有改变，光不能通过偏光板或显示，如图所示（7）蓝色滤光片下的液晶。

c:TFT-LCD驱动电路。 为显示任何图形，TFT-LCD用m×n逐行扫描矩阵显示点排列。在设计驱动电路时，首先要考虑液晶电解会使液晶材料变质，为了保证使用寿命，一般采用交流驱动。已形成的驱动模式有：电压选择模式、斜坡模式、DAC模拟等。由于TFT-LCD主要用于笔记本电脑，驱动电路大致分为：信号控制电路、电源电路、灰度电压电路、公共电极驱动电路、数据线驱动电路和搜索线驱动电路（栅极驱动IC）。上述驱动电路的主要功能是将数字信号、控制信号和时钟信号提供给信号控制电路IC，控制信号和时钟信号供给栅极驱动IC；电源电路向数字提供所需的电源电压IC和栅极驱动IC；灰度电压电路提供数据驱动数字驱动电路产生的10个灰度电压；公共电极驱动电路提供相对于象素电极的共享电极；数据线驱动电路提供信号控制电路RGB每六个信号比特显示数据和时钟信号，按6比特的顺序锁定并续进内部，然后显示数据DA变换器转换为模拟信号，然后从输出电路转换为阻抗，提供液晶屏数据线；格栅驱动电路通过移位寄存器转换信号控制电路发送的时钟信号ON／OFF液晶屏上依次加入电压。最后，组装驱动电路TAB(柔性线路板自动焊接)ACF(各向异性导电膜)TCP(驱动电路柔性引带)连接液晶显示屏。

d:TFT-LCD工作原理 首先介绍显示原理。液晶显示的原理是基于液晶透光率随其电压而变化的特性。当光通过上偏振片时，它变成线性偏振光，偏振方向与上下玻璃基板上的液晶分子一致。当光通过液晶层时，由于液晶折射，线性偏振光分解为两束光。由于两束光传播速度不同（相位相同），当两束光合成时，振动方向必然会发生变化。液晶层的光逐渐扭曲。当光达到下偏振片时，其光轴振动方向扭曲90度，与下偏振片振动方向一致。这样，光线通过下偏振片形成亮场。增加电压后，液晶在电场作用下变形消失。此时，通过上偏振片的线性偏振光，液晶层不再旋转，不能通过下偏振片形成暗场。可见液晶本身不发光，在外光源的调制下，才能显示，在整个显示过程中，液晶起到一个电压控制的光阀作用。TFT-LCD工作原理可以简要描述为：当栅极的正电压大于施加电压时，当栅极的正电压等于0或负电压时，泄漏电极断开。漏电极与ITO源电极与源线(列电极)连接，栅极与栅线(行电极)连接。这就是TFT-LCD简单的工作原理

c:常用的液晶结构 c-1：所谓的NW(Normally white) NW当我们对液晶面板没有电压时， 我们看到的面板是明亮的画面， 所以才叫做normally white。另外一种, 对液晶面板不施加电压时， 面板不能透光， 看上去是黑色的， 就称之为NB(Normally black) c-为什么要有这两种结构？ 主要用于不同的应用环境。 一般桌上型计算机或笔记型计算机，多为NW由于一般计算机软件的使用环境，您会发现整个屏幕大多是亮点， 也就是说，计算机软件大多是白底黑字的应用。 既然亮点占多数， 使用NW当然更方便，也因为NW亮点不需要加电压， 平均也会省电。

反过来,NB大部分应用环境属于黑底显示屏的应用。

<LCD单像素点的结构图>

a:lcd截面结构：

                 图（八） 

b:作用原理 TFT_LCD液晶显示器需要电压控制来产生灰阶. TFT显示器利用薄膜晶体管产生电压来控制液晶转向。从图(8)的截面结构图来看，液晶夹在上下玻璃之间， 会形成平行板电容器， 我们称之为CLC(capacitor of liquid crystal). 它的大小约为0.1pF, 但在实际应用中， 这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候. 也就是说当TFT给电容充电时， 它不能保持电压， 直到下一次TFT再给这一点充电.(以一般60Hz图片更新频率， 需要保持约16ms的时间.) 这样一来, 电压变化， 显示的灰阶会不正确. 所以一般在面板设计上， 再加一个存储电容CS(storage capacitor 大约为0.5pF), 为了保持充电电压直到下次更新图片. 但正确地说， 长在玻璃上的TFT它本身只是一个由晶体管制成的开关. 它的主要工作是决定LCD source driver上的电压是不是要充到这个点来. 至于这一点要充满多高的电压， 为了显示什么样的灰阶？. 都是外面的LCD source driver来决定的. c:框胶与spacer：

框胶与spacer两种结构成分. 框胶的用途是让液晶面板上下两层玻璃， 能够紧密黏住, 并在面板上提供液晶分子与外界的屏障，因此框胶就像它的名字一样，围绕着面板， 将液晶分子限制在面板内. 而spacer主要提供上下两层玻璃的支撑， 玻璃基板必须均匀分布， 否则，部分分布不均匀spacer聚在一起， 反而会阻碍光线通过， 上下玻璃之间的适当间隙无法维持(gap), 电场分布不均， 然后影响液晶的灰阶性能.

<放大镜下的液晶>

                  图（九） 

a:每个像素点的结构

放大镜下的液晶面板如图所示(9).每个像素点由"红色",“蓝色”,"绿色"三个子基色构成(这叫三原色). 也就是说，使用这三种颜色)。我们把RGB三种颜色分为三个独立点， 各有不同的灰阶变化， 然后把三个相邻的RGB显示的点,当作一个显示的基本单位,也就是pixel.那这一个pixel,你可以有不同的颜色变化.（然后对于一个需要分辨率为1024显示图片768， 让这个平面显示器有1024768个pixel,）这张图片可以正确显示.

b：开口率

亮度是液晶显示器中一个非常重要的参数， 决定亮度最重要的因素是开口率。开口率是光能通过的有效区域比例。每一个RGB点之间的黑色部分， 就叫做Black matrix.回头看图(9)就能发现，black matrix主要用于覆盖不打算透光的部分.比如一些ITO或Cr/Al或TFT的部分.这就是为什么我们在图(9)中RGB亮点看起来， 不是矩形， 左上角还有一块被子black matrix覆盖部分， 这个黑色缺角的部分是TFT的所在位置.

<常见的滤光片排列>

            图（十） 

<像素>

a：像素原理

液晶面板上的每一个像素都分为红、绿色和蓝色。RGB也就是所谓的三原色，用这三种颜色可以混合各种不同的颜色，我们把RGB三种颜色分为三个独立的点，各有不同的灰阶变化，然后将相邻的三个点分开RGB显示点作为显示的基本单元，即像素，可以有不同的颜色变化。

b：颜色深度

normal Color

256 Color 8（R）*8（G）*4（B）=256 Color

High Color

65536Coloe32（R）*64（G）*32（B）=65536 Color

Full Color

64（R）*64（G）*64（B）=262144 Color

True Color

256（R）*256（G）*256（B）=16777216 Color

<LCD内部电路> a:结构图

           图（十二） 

b:主要的驱动TFT工作部分如下

1、source driver 源驱动， 负责供电。

2、gate driver 栅驱动， 负责开关。

3.时序控制电路，控制gate driver

4、灰度、gamma控制电路

          图（十三） 

a：整片面板的致结构

从图（十三）中我们可以看到整片面板的等效电路,其中每一个TFT与两个电容所并联(代表一个显示的点. 而一个基本的显示单元 pixel,则需要三个这样显示的点,分别来代表 RGB 三原色. 以一个1024768分辨率的TFT_LCD来说,共需要1024768*3个这样的点组合而成)

b：显示步骤

如图中gate driver 所送出的波形, 依序将每一行的 TFT 打开, 好让整排的source driver同时将一整行的显示点,充电到各自所需的电压,显示不同的灰阶.当这一行充好电时,gate driver便将电压关闭,然后下一行的gate driver便将电压打开,再由相同的一排source driver对下一行的显示点进行充放电.如此依序下去, 当充好了最后一行的显示点, 便又回过来从头从第一行再开始充电.

b-1:图示

先开放第一行，其他关闭。

                   图（十四）

接着关闭第一行，电压已经固定，固颜色也固定，然后开放第二类，其余关闭，以此类推。

                     图（十五）


由于液晶分子还有一种特性,就是不能够一直固定在某一个电压不变, 不然时间久了, 你即使将电压取消掉, 液晶分子会因为特性的破坏, 而无法再因应电场的变化来转动, 以形成不同的灰阶. 所以每隔一段时间, 就必须将电压恢复原状, 以避免液晶分子的特性遭到破坏. 

<背光源>

                        图（十七）

手机上用的TFT 类型的LCD 大部分是用 LED来作为光源的，现有高通手机上背光有三种方式：

1、PWM 方式， 根据输出方波的占空比来控制电流大小

2、一线脉冲方式， 根据输入方波的逻辑连控制输出电流大小

3、dcs方式，有LCD反馈给背光控制芯片来控制输出电流大小

一般手机上都会有个背光控制芯片来升压控制电流，以8x25上的背光芯片TPS61161为例（其他的背光芯片也类似）

TPS61161的连接方式：

CTRL 需要连接到平台上的GPIO或则 PMIC上的GPIO。

这款芯片是pwm方式和一线脉冲方式两用的芯片，工作模式如下：

                        图（十八）

上图，上半部分就是PWM方式，控制就由GPIO直接连到背光芯片上即可，有一点需要注意，一般用PWM方式都是由PMIC直接控制的因为如果用AP控制在系统负载大的时候PWM波形会失真。下半部分为一线脉冲方式输入需要有一个逻辑来触发一线脉冲方式

数据格式如下：

           图（十九）

数据对应的电流值如下（只给出部分电流值）

             图（二十）

DCS方式则是LCD本身可以支持CABC 或则 LABC功能

        图（二十一）

原理，如图， 平台这边用mipi dcs 命令控制CABC功能，LCD的寄存器为

51H（默认背光亮度 0 ～ 255）

53 H（打开关闭）

55H（模式 不同厂家定义不同）背光 平台通过mipi 包把 51H 53H 55H 发到 LCD panel 上， LCD panel 根据自身的图像和平台发过来的背光值 计算出自己合适的背光值 在通过 LCD panel 上 的管脚以PWM 方波的形式发给 平台， 平台上有对应的背光芯片接受 PWM 波，背光芯片在根据PWM的波形来控制LCD panel 上LED 两端的电压大小，来控制背光。

在DCS方式下有个LCD输出的PWM频率和背光芯片的输入频率是陪的问题在调试的时候需要注意，一般LCD端输出的PWM频率都可调。