x

Blog

TFT液晶显示驱动电路原理

2020-06-12

TFT是英文Thin Film Transistor（薄膜场效应晶体管）的缩写。TFT液晶显示器件是指在液晶显示器件的每个像素上都连接一个薄膜场效应晶体管。这个场效应管制作在液晶显示器件的玻璃上。每个场效应管独立驱动一个像素，从而可以实现高速度、高亮度、高对比度的显示效果。
TFT液晶显示器件的驱动特性取决于场效应管的工作特性。场效应管，英文为Field Effect Transistor。它同三极管一样可以分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型， PNP型也叫P沟道型。引脚定义为漏极D、源极S和栅极G。相似于三极管的集电极c、发射极e和基极b。以NPN型为例，其源极S和漏极D分别接在2个N型半导体上，这2个N 型半导体被一个P型半导体隔离着，形成了两个对立的P-N结。栅极G设置在P型半导体之上，栅极G电极与P型半导体之间被氧化膜所隔离。其内部结构如图a所示。

​

在没有给场效应管的栅极G施加电压时，如同三极管的工作原理一样，即使在漏极D和源极S之间施加电压，也因其电子流方向有一个N-P结而不会产生电流，场效应管处于截止状态，也称为关断状态，如图(b)左图所示。当在栅极G上施加一个正电压时，由于电场的作用，源极S和漏极D的负电子被吸引出来而涌向栅极G，但由于氧化膜的阻挡，使得吸引出来的电子聚集在氧化膜的P型半导体中，如图（b)右图所示，当电子聚集到一定量时，沿氧化膜在两个N型半导体之间的P型半导体中建立了一个电子连通带，使得源极S和漏极D之间导通，形成电子流。此状态称为场效应管的导通状态。此时栅极电压的大小决定这个连通带的大小，从而决定通过源极S和漏极D的电流大小。
我们知道，三极管是电流放大型的工作原理，即通过调制基极的输入电流来控制三极管的集电极和发射极之间的输出电流。对比三极管，场效应管属于电压放大型，是通过调制栅极G上的输入电压（或称电场）来控制漏极D和源极S之间的输出电流。在电压施加在场效应管栅极G上时，栅极G的漏电流极小或没有，表现出该器件具有非常高的输入阻抗，由此我们称之为场效应管。


归纳起来，场效应管的工作特性如下。

  • 电压控制型。
  • 源极S和漏极D可以双向工作，在栅极电压大于源极电压的条件下，源极S和漏极D之间的电流方向将随它们之间电场方向的变化而变化。
  • 导通电阻RON和关断电阻ROFF。
  • 导通电阻RON为源极S与漏极D之间的电阻，随栅极电压的增加而减小。

关断电阻ROFF为栅极G与源极S之间的电阻，具有非常大的阻值，在107以上。
TFT液晶显示器件就是利用了场效应管的工作原理，结合液晶材料在电路中的电容特征，实现对液晶显示的驱动。TFT液晶显示驱动的直观示意图如图2所示。像素的一个电极接到场效应管的漏极D上，另一个电极接到公共电源VCOM上，场效应管的栅极G作为像素的选通控制连接到选通信号SEL SIGNAL上，决定场效应管的导通与关断；场效应管的源极S作为像素数据的输入连接到一个D/A转换器的输出，该D/A转换器的输入是该像素的显示数据，以此组建TFT的像素驱动电路。​

​

当在场效应管的栅极G上施加正向的导通电压Ug时，场效应管进人导通态 ，同时显示数据通过D/A转换器产生模拟电压Us给源极S及漏极D，利用场效应管的导通电阻RON与容性负载的液晶材料CLC形成较小的充电时间常数T=RON*CLC，在像素上迅速建立电压Ud，且Ud接近Us电压值，呈现显示效果，如图3所示中的T1周期波形。当去掉栅极电压后，场效应管进入关断状态，源极S上的电压Us变化不影响漏极D上的电压Ud 。由于场效应管的关断电阻ROFF与容性负载的液晶CLC形成比较大的放电时间常数T=RON*CLC，使得像素上的电压Ud缓慢地释放，使得该像素的显示效果可以保持相当一段时间。如图3所示中的T2周期波形。

为了达到良好的显示效果TFT液晶显示的驱动电路要求在如图3所示中的选通时间T_1内要使像素CLC上的Ud电压充满到所输入电压U_s的99％以上。在不选通时间T_2内要保持像素CLC上的电压Ud损失应小于5％以下。 因此，TFT液晶显示的驱动对场效应管的导通电阻RON和关断电阻ROFF之比有着比较高的要求，一般要求在5个数量级以上，当考虑到温度的升高会影响到ROFF的降低，所以这个比值扩大到7个数量级以上。接在漏极上的电容 C（补偿电容）起到维持U_s至一帧的时间。
至此，TFT液晶显示的驱动原理可以总结以下几个概念。

  • 像素选通的独立性：在TFT液晶显示的驱动电路下，由于每个像素都连接一个场效应管，当某一个像素上的场效应管处于关断状态时，驱动系统对其他像素的操作不构成对该像素的影响，所以TFT液晶显示的驱动没有交叉效应，也没有因占空比的下降（扫描行数的增多）给对比度带来的降低。
  • 像素电压的保持性：TFT液晶显示的驱动电路在像素不选通的状态下，原施加在像素上的电压可以保持一段时间。因此在同样的帧扫描时间内，TFT液晶显示驱动的行数比STN液晶显示驱动要多得多。如果认为液晶负载的容性值不够大，还可以在漏极D上并人一个补偿电容C,以增加像素上驱动电压的保持时间，见图4。
  • 幅值驱动法：TFT液晶显示的驱动电路在源极S上施加的电压值不同，建立在像素上的电场强度就不同，液晶的电光效应也就不同，从而在液晶显示器件上产生灰阶的显示效果，所以称TFT液晶显示的驱动方法为幅值驱动法

TFT液晶显示器件的结构示意图如图4所示。TFT液晶显示器件的后玻璃上有薄薄的一层硅，在硅层内光刻有许多场效应管，每个场效应管的源极D连接到一个像素的驱动电极，一个像素行的所有场效应管栅极G都连接起来，形成行驱动电极；一个像素列的所有场效应管源极S都连接起来，形成列驱动电极，构成对像素的驱动矩阵电路。为了增加像素的弛豫时间，在每个像素上都并联一个电容，如图5所示。这些连接都是在硅层中实现的。在TFT液晶显示器件的前玻璃上，分布着像素的另一个电极，所有这些电极全部连接在一起，形成一路电极COM。彩色滤色膜（Color Filter）在贴近前玻璃的位置上。

​

图5  TFT液晶显示驱动电路结构​

TFT液晶显示的驱动电路与STN液晶显示驱动电路的结构基本是一样的。TFT液晶显示器件的所有行电极连接到栅极驱动器(gate driver)上，相当于STN液晶显示驱动电路的行驱动器；所有的列电极连接到源极驱动器(source driver)上，相当于STN液晶显示驱动电路的列驱动器。栅极驱动器和源极驱动器也同样使用驱动的路数冠之驱动器名首。

TFT液晶显示驱动电路的工作原理也采用的是逐行扫描方式。栅极驱动器选通一行，将该行上所有的场效应管都导通；同时源极驱动器将显示信号分别施加给该行的每个像素上，实现显示效果。当选通时间到，栅极驱动器切换到下一行选通后，该行的场效应管全部进人关断状态，不管源极驱动器的输出如何变化，都不会影响到该行场效应管的漏极电压，即该行像素上的驱动电压可以保持一段时间，这个时间接近或等于一帧的时间，而与扫描行数N 无关。这样就彻底解决了STN液晶显示器件驱动时出现的交叉效应和占空比的问题。

栅极驱动器，也就是行驱动器。图6为256路栅极驱动器的电路框图。栅极驱动器的结构同STN的行驱动器，由256位移位寄存器、256路电平转换器和256路驱动电路组成。256位移位寄存器是1位串行输入，256位并行输出的寄存器。为了电路连接方便，移位寄存器具有双方向输入和移位的功能，数据输入／输出端为DL和DR，SHL信号设置DL 和DR的输入/输出功能。在TFT液晶显示驱动电路中，栅极驱动器的数据输入信号被定义为帧同步信号VSYNC,而移位脉冲信号被定义为场同步信号HSYNC0。256路电平转换器将移位寄存器并行输出的逻辑电平信号转换成驱动电平。256路驱动电路是栅极驱动器的输出，直接连接到TFT液晶显示器件的栅极电极上。

源极驱动器，也就是列驱动器。TFT液晶显示的驱动特性都是从源极驱动器的电路结构与功能体现出来。图7为128 × RGB源极驱动器的电路示意图。源极驱动器由数据寄存器、数据锁存器、数模转换器DAC和输出电路等组成。

​

128 × 18位数据寄存器由128个18位宽的寄存器组成，每个寄存器的18位输出直接连接到数据锁存器的输入端。每个寄存器的18位输人均对应并联在一起，形成驱动器的数据输入端，分别定义为R [ 5:0 ]、G [ 5:0 ] 和 B [ 5:0 ] 。128个寄存器在像素脉冲信号DCLK 的作用下，依次被选通，将显示数据保存起来。

384 × 6位数据锁存器由128 × 3 个6位宽的数据锁存器组成，每个锁存器的6位输出连接一个数模转换器DAC的输入端。锁存器的输入对应接在数据寄存器的输出端。 384位数据错存器的作用是在选通时间内保证输出的数据不变。当一行的显示数据全部写入到128x18位数据寄存器后，数据锁存器在场同步信号HSYNC的作用下将数据寄存器的数据全部保存到数据锁存器中，并按照6位一组的形式输出到384路数模转换器DAC的输入端。

384路数模转换器DAC的作用是将控制系统提供的6位数字信号转换成模拟信号输出。每路数模转换器DAC的精度表现在输入的数字信号位数上，6位数字信号表示DAC可以实现64级数模转换，作为彩色显示器，一个彩色像素由3个子像素组成 ，这3个子像素分别是红色像素R、绿色像素G和蓝色像素B。一个子像素的显示可以实现64级变化，则一个彩色像素可以实现64 × 64 × 64=256K级颜色的变化，这就是TFD液晶显示驱动电路的最大特性——采用模拟量驱动，实现全彩色显示。TFT液晶显示驱动使用了电光特性曲线的全过程，通过对驱动电压的控制，从理论上可以实现无级调节透过率，实现高灰阶或高彩色度。
由于液晶的电光特性为非线性曲线，要想使数模转换器输出的电压都重合在电光特性曲线上，就需要对数模转换器DAC输出的电压进行调制。电压调制的基本思路是 ：

  • 将液晶的电光特性曲线分段线性化模拟；
  • 调节各段直线的斜率和起始点值，向液晶材料的电光特性曲线靠近；
  • 在电路中采用最简单的电阻分压电路，实现数模转换功能；
  • 使用数字信号选择每一级的电平。

以此完全逼近地表现液晶的电光特性曲线。参照电视色度调节，称这种调节方法为γ校正。
数模转换器的电路结构是比较简单的，由一组基准电压、数字电阻排阵和电压选择器组成。数模转换器的基准电压VGMA1~VGMA10是通过对TFT液晶显示器件的电光特性曲线的测试和计算得出的一组γ校正电压。有的源极驱动器将这组电压制作在驱动器内部，然后提供一个SPI接口给控制系统软件设置。数字电阻排阵将基准电压通过分压与合成，形成64级驱动电压。电压选择器则是根据数据锁存器的输出选择64级驱动电压中的一级给驱动输出，以驱动相应的像素。

384路驱动输出直接连接到TFT液晶显示器件的电极上，驱动输出是模拟电压输出。
TFT液晶显示的驱动同STN液晶显示的驱动一样，也需要进行交流驱动。这个交流驱动通过给TFT液晶显示像素的另一个电极COM施加一个方波驱动电压VCOM来实现。因为TFT液晶显示器件的COM电极与栅极和源极不在一起，所以有的栅极驱动器和源极驱动器都不包含该电极的驱动，需要控制系统提供驱动。但交流驱动需要源极驱动器的输出电压给予配合，所以在源极驱动器中提供了一个极性输入信号POL用于实现交流驱动的功能。

为了实现交流驱动，在源极驱动器中的数模转换电路中，将基准电压VGMA1~VGMA10分为两组，以VCOM的电压为中线，一组为VGMA1~VGMA5, 大于VCOM值，称为正向电压；一组为VGMA6~VGMA10, 小于VCOM值，称为负向电压，如图8所示。这两组电压由POL信号选择。在控制系统中将POL信号与VCOM电压组合控制，通过像素电极COM的电压与另一个电极的电压组合的变化，实现交流驱动，如图9所示的交流驱动信号波形。当VCOM在负半周时，设置POL=H，选择数模转换器的VGMA1~VGMA5电压组，即大于VCOM值的γ校正电压曲线；当VCOM在正半周时，设置POL=L，选择数模转换器的VGMA6~VGMA10，即小于VCOM值的γ校正电压曲线。从而实现交流驱动的效果。

​

TFT液晶显示驱动系统是源极驱动器和栅极驱动器的集合。驱动时序信号如下。

  • 垂直同步信号VSYNC：负脉冲序列
  • 水平同步信号HSYNC：负脉冲序列。
  • 像素时钟信号DCLK：显示数据输入脉冲信号。
  • 显示数据：R [ 7:0 ]、G [ 7:0]B [ 7:0 ]。

TFT液晶显示驱动系统的时序图如图10所示。

图10   TFT液晶显示驱动系统的时序图​