第 3 部分

1. 第3部分 应用模块

2. 第5章 液晶显示器件的写入机理与驱动基础 • 5.1 液晶显示器件的写入机理 • 5.2 液晶显示器件的驱动方式 • 5.3 液晶显示驱动器 • 5.4 液晶显示驱动系统及辅助电路 • 5.5 液晶显示控制器

3. 5.1.0 液晶显示器件的写入机理 • 液晶显示器件发明 液晶显示器件的写入、驱动方案被提出 • 最初的一些驱动方法 仍然被普遍采用 • 写入机理和驱动的基本原理 一直不改 液晶显示器件更新 液晶显示技术发展 新型原理和结构的器件不断涌现 写入和驱动方案也在不断增加

4. 5.1.1液晶显示器件写入的基本条件 • 液晶显示器件的显示原理： 就是根据液晶材料的电光效应，依靠外场（电、热、光等）作用于初始排列的液晶分子上，使液晶分子的初始排列发生变化，“调制”了通过液晶显示器件的外界光，使液晶显示器件发生明、暗、遮、透、变色等效果，从而达到显示的目的。 液晶分子 （初始排列） 电光效应 外场（电、热、光等） 发生明、暗、遮、 透、变色等效果 外界光 液晶分子 （初始排列发生变化）

5. 要想实现某一特定的显示目的，必须满足的两个基本要求要想实现某一特定的显示目的，必须满足的两个基本要求 • （a）足够强的电（热、光）信号作用于液晶，使其改变其初始排列状态； • （b）每个电（热、光）信号均可以在一段时间内作用于一个或几个像素单元。使像素能组合成一个视觉信号（如数字、字符、图形等）。 要满足以上两个要求比较困难： 1、这是因为如果采用直流电场的话，将会导致液晶材料的电化学反应和电极劣化、老化，因此只能在像素电极上建立交流电场，而且应该尽量减少交流电场中的直流成分（实用中应保证直流成分在几十毫伏以下），所施交流电场的强弱以其有效值来表示。 2、由于液晶显示器件像素电极连线的排布不同，所以要求外部必须配置相应的硬件，以提供适合的驱动电压波形。 由于液晶显示器件器件有类型、规格、型号的不同，对所施加电压的波形、相位、频率、占空比、有效值都有不同的要求。

6. 5.1.2 .1 扭曲向列（TN） 液晶显示器件写入机理 在被写入像素的前后电极之间施加一个大于阈值电压（Vth）的交流电压信号，使像素电极之间的液晶分子由沿玻璃表面呈90度扭曲排列变为垂直于玻璃表面排列；从而使贴在器件前后表面呈正交设置的偏振片将外界光吸收，使该像素变成黑色。 特点：具有低电压、微功耗的优点。但其视角小，响应速度慢；电光响应曲线陡度低，不适于多路驱动； 用途：多用于字符及低路数驱动的字符显示。

7. 5.1.2 2 动态散射（DS） 液晶显示器件写入机理 • 在被写入像素前后电极之间施加上一个大于阈值的交流电压，使在电极之间掺有离子杂质，排列整齐的液晶在离子流的驱动下形成一个个的液晶涡流（畴）；由于这些涡流对外界光有强烈的散射作用，从而使原来透明的像素变成乳白色的散射像素。 DS型液晶显示器件是唯一的电流型器件，现已很少用。

8. 5.1.2 .3电控双折射液晶显示器件写入机理 • 在被写入像素前后电极上施加上不同幅值的交变电压时，会使电极间原来排列整齐的液晶分子出现不同程度的倾斜，因双折射效应会使透过液晶盒的线偏振光变成椭圆偏振光，并与检偏振片产生干涉，呈现出随写入电压而改变的干涉颜色。 垂直排列相畸变（DAP）方式 特点：ECB型液晶显示器件最大的特点是可利用外加电压来控制其出射光的颜色，但是由于光的颜色受温度等影响大，重现的色域小。 用途：一般多用于实现多色显示。

9. 5.1.2 .3电控双折射液晶显示器件写入机理（续） （a）V=0 （b）V>Vth 沿面排列方式

10. 5.1.2 .3电控双折射液晶显示器件写入机理（续） 混合排列（HAN）方式

11. 5.1.2 4 .宾主（GH） 液晶显示器件写入机理（续） • 在被写入像素前后电极之间施加上一个大于阈值的交流电压，使在电极之间掺有二向色染料，并呈平行沿玻璃表厮排列的液晶分子和染料分子变为垂直于玻璃表面；由于二向色染料分子从不同方向看，颜色不同，故可使像素部位改变颜色。 GH型液晶显示器件最大的缺点就是对比度不高而工作电压偏高，其他特性与TN型液晶显示器件类似。

12. 5.1.2. 5 超扭曲向列（STN） 液晶显示器件写入机理（续） • 在被写入像素前后电极之间施加上一个大于阈值的交变电场，使电极间原来呈180°～270°沿玻璃表面扭曲排列的液晶分子层中间部分的液晶分子变为倾斜垂面排列，从而使透过该处的线偏振光变为椭圆偏光，并在检偏处形成干涉色，实现显示。 STN型液晶显示器件电光响应曲线陡度高，适用于多路动态驱动显示，同时显示为有色显示模式，经滤色或使用延迟片后可以实现黑/白显示。 STN是液晶显示器件的新一代技术的产品，也是世界性热门技术之一。由于STN型液晶显示器件为光干涉器件，其材料选用，生产工艺均十分严格，因此STN成本比TN成本要高很多。

13. 5.1.2. 6 铁电（FLC）液晶显示器件写入机理（续） • 在被写入像素电极上施加一个电压脉冲，使在前后电极间原来呈近晶C相，且沿玻璃面排列的液晶态旋转一个θ角，从而使通过的线偏振光被检偏振片检出，达到显示目的；因液晶的初始排列和旋转θ角度后的排列都是稳定态，故使器件具有双稳存储特性。 特点：FLC型液晶显示器件具有双稳态存储特性和磁滞曲线性响应曲线。响应速度快；具有一个记忆阈值，电光响应陡度高。FLC型液晶显示器件仍然没有实现批量生产，除了铁电液晶的合成与工业制盒的工艺十分复杂外，其盒内液晶层的结构控制与内场机理等一直未能透彻了解也是很重要的原因。 用途：适宜实现高路数动态驱动

14. 5.1.2 .7 有源矩阵薄膜晶体管（TFT） 液晶显示器件写入机理（续） • TFT型为有源矩阵液晶显示器件的代表性产品 • TFT型有源矩阵液晶显示器件的写入机理是： 以行扫描信号和列寻址信号控制作用于被写入像素电极上的薄膜晶体管有源电路，使有源电路产生足够大的通断比（RON/ROFF），从而间接控制像素电极间呈TN型的液晶分子排列，达到显示目的。 特点：经TFT有源电路间接控制的TN型器件像素。可以实现高路数多路显示和视频图像显示。有源矩阵比较彻底的解决了LCD的多路显示和视频显示，近年来工艺、技术已经日趋成熟。 用途：越来越多的手持式设备采用了有源矩阵液晶显示器件。商品化的各种液晶电视也全部采用了有源矩阵液晶显示器件。

15. 5.2.0 液晶显示器件的驱动方式 • 依据液晶显示器件写入机理及其显示像素电极的排布方式即可以确定对其进行驱动的基本条件。 • 驱动原理：用什么方法满足这些基本条件，以及这些基本条件是如何完成显示要求，达到显示目的的。 • 液晶显示器件种类繁多，驱动方法也各不相同。但是，无论哪种类型的器件，使用哪种驱动方法，都是以调整施加到像素上的电压、相位、频率、峰值、有效值、时序、占空比等一系列参数、特性来建立起一定的驱动条件，达到显示的。

16. 5.2.1直接驱动法 • 直接驱动法：驱动电压直接施加于像素电极上，使液晶显示直接对应于所施驱动电压信号的一种驱动方法。 • 由于它相对于有源驱动法中驱动电压是施加于TFT等有源电路上，再间接对像素电极提供驱动电压信号，故称其为直接驱动法。 • 这是一种最常见，应用最广的驱动法。可适用于TN、STN、FLC、DS、GH等多种类型显示器件。

17. 直接驱动法分类系统表

18. 1 静态驱动法 • 静态驱动是指在像素前后电极上施加电压信号时则呈显示状态，不施加电压时则呈非显示状态。 由于笔段式液晶显示器件应用最早，使用最广，所有我们将以此为例进行说明。不过，并非所有笔段型液晶显示器都是静态驱动法进行驱动的，只有电极排布如图所示时，才能使用静态驱动法进行驱动。

19. 交流电压的驱动波形 • 液晶显示不宜施加直流电压，故静态驱动法施加到电极上的应该是交流波形。交流电压波形如图所示。 在背电极BP上施加一个持续的占空比为1/2的连续方波。 当在显示器的段电极f上，施加一个与背电极BP上的电压波形相位相反、幅值相等、频率相同的脉冲串时，该显示段像素部位的前后电极间即可建立起一个如f-BP样的交流电场实现显示。 在其他笔段电极上（以a为例）施加的是一串与BP电极上的波形频率、相位相同，幅值相等的波形时，则这些笔段（如a）像素部位的前后电极间则不能形成电场，如a-BP，当然这些部位也就不能显示。

20. 静态驱动波形实现方法 • 这是一个异或门电路。输入端B接经分频后的振荡方波脉冲，并且直接与液晶显示器件的背电极BP端连接。另一输入端可接入高、低电平。异或门的输出端接液晶显示器件的笔段端。 • 只有在异或门A端接入高电平时，液晶显示器件的BP极和段电极才是反相位，若A端接入低电平时，则BP极与段电极永远是同相位、同电位。 静态驱动方式要求每个笔段像素都要配置上一个异或门驱动端。 显然，这不利于降低成本，也不利于具有大量笔段像素的液晶显示器件。

21. 2 动态驱动法 • 动态驱动法，即时间分割驱动法。亦称多路驱动法。 • 以8位数字段显示为例，如果采用图所示的多路驱动电极连接，即：各位数字的同位笔画相连，构成八根段引出线L1-L8；每一位数有1根单独的背电极引出线，显示8位数字则有T1-T8八根背电极。 这样对于8位数字显示需要的驱动元件和连接用的接插件各为16个，因而进一步减少了引出线和驱动元件的数量。 数字多路驱动的连接方法

22. 多路驱动方式归结为图示8×8点矩阵结构。 • 在点矩阵结构中，水平一组像素的背电极连在一起引出（相当于一位数字的公共背电极Tn），称为行电极或公共极，记为COM；纵向一组像素的段电极连在一起引出（相当于一位数字的段电极Ln），称为段电极或列电极，记为SEG或COL。每个像素都由所在的行、列位置惟一确定。 8×8矩阵显示 LCD矩阵的行列电极 驱动方式上采用类似于CRT光栅逐行扫描方法，即循环地给每个行电极施加选择脉冲，同时所有列电极给出该行像素的选择或非选择驱动脉冲，从而实现某行所有显示像素的驱动。扫描逐行顺序进行，循环周期很短，使LCD屏上呈现稳定的图像效果。这就是普通点矩阵的动态驱动法。 由于它相对于静态驱动法，每一个显示图案都是由不同时间分割区显示的像素瞬间组合而成，像素上没有真正意义的持续显示状态，所以又称之为动态驱动法。

23. 说明 • 动态驱动法对像素的扫描是一种分时操作方式。就寻址像素而言，每次寻址一行上的多个像素，所以也可称为多路寻址驱动法。它适用于较多的段电极和矩阵电极结构的驱动。动态驱动法是最常用，也是最能挖掘液晶显示器件显示功能的驱动方式。它不仅可以大大减少液晶显示器件外引线，也可以大大减少外围驱动电路的成本。 • 与光栅扫描相对应，完成一次全部行扫描叫做一帧。在一帧中每一行的选择时间是相等的。设一帧的扫描行数为N，扫描一帧的时间为1个单位，则一行所占有的选择时间为一帧时间的1/N，这个值被称为占空比系数。在同等电压下，扫描行数增多将使占空比下降，从而引起液晶像素上的交变电压有效值下降，降低了显示质量。因此，随着显示行数的增多，为保证显示质量就要适度地提高驱动电压或采用其他电极排布（例如双屏电极结构）来提高占空比系数。

24. 在矩阵电极上施加电压后的显示状态 • 矩阵式LCD的显示机理是由行、列选择电压合成实现的。 • 要使某位置，如（A）点实现显示，就要在Y1列与X1行上同时施加一个脉冲电压。而此时，除（A）点形成一个最大的合成电压以外，（A）点外的Y1列和X1行上各点也均被施加了一个电压波形，我们称这些点为半选择点。 • 如果这些半选择点上的电压超过或接近阈值电压的时候都会造成显示混乱，我们称这种混乱为“交叉效应”。 克服交叉效应： 首先应该制作阈值电压明显、电光曲线斜率陡峭的液晶材料。 其次还应在制作工艺上努力。 最后在驱动电路方面最常用的是采用平均电压的措施来减小并消除交叉效应。 图 在矩阵电极上施加电压后的显示状态 A—选择点；B、C—半选择点；D—非选择点

25. （1）平均电压法 平均电压法的基本原理： 把半选择点上的电压和非选择点上的电压平均化，适度提高非选择点的电压来抵消半选择点上的一部分电压，从而扩大选择点与半选择点的电压差距，以提高对比度，同时使非选择点与半选择点的显示更均匀一致。 设X1、X2、X3、X4为行电极，Y1、Y2、Y3、Y4为列电极。其中（X1，Y2）为选择点，简记为（1，2），以下记法相同。 现在在第一行X1施加电压V1，其余各行电压为0；在第二列Y2施加电压V2（注意：V1和V2的相位相反），其余各列电压为：

26. 分析 分析各点电压合成值如下： 选择点 （1，2）： V1＋V2 半选择点（1，1）、（1，3）、（1，4）： （2，2）、（3，2）、（4，2）： V2 所有非选择点： 利用平均电压法，使半选择点与非选择点电压绝对值相等，经数学处理，可以得出： 令a’+1=a（a>1) 其中，VLCD=V1＋V2 这样表示的各点电压如下： 选择点 （1，2）：VLCD 半选择点（1，1）、（1，3）、（1，4）： 不难看出，选择点电压与非选择点电压之比等于a，我们称为偏压比。称此种方法为1/a偏压平均电压法。 （2，2）、（3，2）、（4，2）： 所有非选择点：

27. 不同a值时平均电压法各点上的电压值 • 平均电压法使动态驱动更加完美，也是动态驱动的最基本方法。 • 无论是笔段式多路LCD，还是点阵型LCD，在进行动态驱动时都要使用平均电压法原理进行设计。 0V 、 、 、

28. 分析 • 为保证对像素点施加的电压为交流，扫描电压的极性每一帧都应转换一下。当然为实现交流驱动，还可以在每扫描完一行就更改一次极性，总之，动态驱动中为实现交流驱动，必须周期性改变扫描电压极性。这一点是任何动态驱动方式中必须采用的。 • 当扫描行数N=l时，就是静态驱动法，所以静态驱动法是动态驱动法的一个特例。由于静态驱动法没有交叉效应，也就没有必要引入平均电压法。 • 当扫描线数N确定后，一般使用最佳偏压法选择最合适的偏置电压。

29. （2）最佳偏压法 • 我们知道，液晶显示是由于像素电极间液晶分子受电场作用，发生弹性形变而改变初始排列实现显示的。虽然其液晶响应可能会比驱动脉冲宽很多，但只要驱动电压的有效值足够大，液晶就可以显示，而且，液晶显示器件选通时的透过率与有效电压值成正比。所以，只要确定了选通电压有效值与非选通电压有效值之比，也就预测出显示对比度的好坏。 • 电压有效值的定义为： 按平均电压法原理，选通像素的驱动电压有效值Von为： 非选通像素的驱动电压有效值Voff为： 以上两式中，N为扫描行数；a为偏压比；V为驱动波形幅值； 为占空比。 液晶对比度是透过率之比，透过率又正比于施加有效电压值，于是可以用施加有效电压比值来分析一下对比度（显示质量的重要标志）与驱动路数N和偏压比a之间的关系。 化简后得：

30. 有效电压比 为最大值的条件是 在此条件下，最大有效电压比为 这个比值称为优值α。显然优值与驱动路数关系密切，右图表示出了它们之间的关系。由该图可以看出，不同占空比对应不同的最佳偏压，最佳偏压法由此得名。 可以看出：随着驱动路数N的增加，有效电压比减小，且急剧趋于1。因此显示对比度将趋于0，使其不能识别。为此，只有提高液晶显示器件的阈值特性的陡度。因为只有在液晶显示器件电光响应曲线很陡的情况下，当即使趋于1时，其电光效应的通/断透过值才能拉得很开，呈现好的对比度。 占空比 与有效电压比和偏压比

31. 阈值陡度P 式中，Vsa为饱和电压；Vth为阈值电压。 此时最大驱动路数Nmax与陡度P的关系如下： 由于液晶阈值和饱和电压一般均由产品说明中给出，所以，该公式是设计点阵液晶显示器件的主要依据。在液晶产品说明书中有时并不是Vsa，Vth，而是V10，V50，V90，它们分别代表了光电响应10％，50％，90％时的电压。而P值也不再用 表示，而是用 表示。 TN型器件，P值一般为1.2～1.5，故驱动3路至8路完全没有问题，最新的TN型器件P值可以突破1.2，所以最大允许路数也可达到16～24路。STN型器件陡度比TN型高得多，可达1.05以下，因此，可以制成最大驱动路数达256路以上的器件，满足典型的VGA显示，采用双屏驱动法，用1/240占空比，可以实现清晰度很高的显示。所以，STN型器件已被广泛地应用在笔记本电脑和各种OA设备上。 最佳偏压法虽然是动态驱动设计中基本法则，但在实用中有时仅作为判断最高驱动路数，确认液晶阈值陡度要求等的依据。实用中较常运用的是1/2偏压法、1/3偏压法和1/6偏压法。它们或由于能满足需要的基本要求，或由于产品本身制造上的要求及某些历史原因，已经被广泛的应用。它们分别具有各自的特色和应用领域。

32. ① 1/2偏压法 1/2偏压法多用于钟表的显示。由于钟表一般使用位笔段形显示，像素点不多，且低压驱动，所以使用两路驱动即可以满足要求。此时N为2，占空比为1/2，虽然用1/2偏压法不会实现最佳有效电压比，但1/2偏压法却使设置更简洁，更适合于手表的低电压。此外，因为液晶的阈值陡度已远远超过两路驱动的要求，所以使用1/2偏压法是完全合适的。 典型的手表用1/2占空比，1/2偏压法的驱动波形。

33. ② 1/3偏压法 计算器和仪表使用的液晶显示器件，一般都是多位笔段式显示，有时位数多达10位以上，因此多用三路驱动、四路驱动方式。 从最佳偏压法得知，使用1/3偏压法时，本应是1/4占空比才是最佳偏压，但由于1/3占空比时的三路电极排布要比四路排布容易得多，而且三路电极排布还可比四路电极排布多获得一个显示像素，所以一般均通用1/3偏压法，1/3占空比驱动法。 典型的3路1/3偏压法的驱动波形

34. ③ 1/6偏压法 • 作为点矩阵液晶显示器件的驱动，所需行扫描占空比远比1/2，1/3要高得多，有时达到100线至几百线以上。 • 以100线为例，其最佳偏压比应为a=11，使用1/11偏压法。因此若严格按最佳偏压比设计，不仅会使行驱动与列驱动器驱动电压相差很远，而且会增加电源电压级别，这对行、列驱动器的设计、制造增添了麻烦，增加了成本，对电源的设计也会带来麻烦。所以，对这种多路点阵液晶一般都偏离最佳偏压法，使用1/6偏压，并用极性倒相方式使行、列驱动电压实现平衡。 从波形图中可见，由于采用了行、列倒向方式，使行、列驱动电压实现了平衡。无疑，这对于降低最高电压也是有好处的。 其次，按图所示分压电阻，也完全可以符合最佳偏压法的原理。其设置方法是： R1= R2=R4=R5=R R3=（ -3）R 设：器件行数为100线，其最佳偏压比为a=11，此时计算得知：R3=（ -3）R=7R。 目前几乎所有点阵图形方式的液晶模块全部采用这种驱动方式。 偏置电压分压网络 典型的1/6偏压法驱动波形

35. 3 灰度显示法大容量点阵图形显示器中，灰度显示是必不可少的，而且也是彩色显示的基础。灰度显示方式主要有三大类：空间灰度调制（面积灰度调制）、时间灰度调制（帧灰度调制、脉冲灰度调制）与电压幅值控制法。 （1）空间灰度调制 定义：将显示像素划分为若干可单独控制的“子像素”，当显示像素中不同数量的“子像素”被选通时，在一定距离外观察，像素将显示不同的灰度等级。 从图中可以看出，每个显示像素中的“子像素”都单独用时分割的动态驱动方法进行驱动、控制其选通。当显示像素中具有不同数量的“子像素”被选通时，在一定距离外观察，由不同选通数量“子像素”组成的显示像素就会因“子像素”的空间混合而呈不同的灰度级别。图中所示该显示像素可以有10个灰度级别。 优点：不需要特殊的驱动、控制技巧 缺点：其一，它不可能将显示像素分割成很多的“子像素”，因此它就不可能有很多的灰度级别；其次是它的灰度级别是用增加微细加工的成本和降低分辨率换取的。 即若保持原有分辨率就必须将原有显示像素再分割加工成更小的“子像素”，这在已经很小的显示像素的基础上将是十分困难的，而且大量增加的子像素，还需要大量的驱动、控制电路。这样造成的成本增加也是不可容忍的。若以原有显示像素作为“子像素”，组成显示像素，其加工成本虽可不必增加，但显示像素面积扩大很多，其分辨率的降低也会变得无法容忍。

36. （2）时间灰度调制定义：在一个时间单位内，控制显示像素选通截止的时间长短，从而使显示像素在观察者眼中形成不同的灰度等级。（2）时间灰度调制定义：在一个时间单位内，控制显示像素选通截止的时间长短，从而使显示像素在观察者眼中形成不同的灰度等级。 • ① 帧灰度调制 • 任何点矩阵图形显示，无论是显示固定的画面，还是显示视频的活动画面，其实都是由动态扫描驱动的一帧帧画面构成的。 • 选取若干帧为一个单位，在这个单位内某一像素在不同帧内被导通，在另一些帧内不被导通，则该像素就会呈现出不同的灰度级别。 从图中可以看出，这是将4帧划为一个大单位，从全部选通到全部不选通可以实现5个灰度级别。 帧灰度调制的原理是由于在像素上施加的选通信号在不同数量的帧中实施，所以可以看作在大单位内，他们在不同灰度级别上施加的有效值电压是不同的。 优点：可以在一个像素点上调制出不同的灰度级别，而且可以与原有液晶显示的二值驱动（0与1）法兼容，这是它的优点。 缺点：它把若干帧合并为一个大单位（大帧），所以也会引起灰度级别的闪烁，若保证不出现闪烁，就必须增加帧频。由于液晶响应速度不高，所以，帧频不可能太高。因此，这种方式会使图像（指活动图像）显示变得很慢。 为此，有人利用相邻像素的相互影响设计了一套对相邻像素的通、断进行控制的规则。即将前述的空间灰度调制法与帧灰度调制结合在一起。这将会大大提高灰度调制能力，并保持足够的响应速度。

37. （2）时间灰度调制（续） • ② 脉冲灰度调制 • 在扫描脉冲对应的数据脉冲划出一个灰度调制脉冲。这个脉冲的宽度可以划分为多个级别，不同宽度级别代表不同灰度信息，从而可以使被选通的像素实现不同的灰度级别。 图中列信号中f为灰度调制脉冲。相应的驱动合成脉冲中将出现一个宽度为F的S+D的驱动波形。F脉冲宽度小，选通电压有效值就低；F宽度大，选通电压有效值就高。 优点：可以在一个像素上实现灰度调制，而且可以将灰度信息携带在列信号脉冲上，非常方便。 缺点：实现的灰度级别也会因液晶不能响应过窄的F值而受到限制。 一般，使用这种方式进行灰度调制的列驱动器是以4位移位寄存器调制16级灰度的。 帧灰度调制原理

38. （3）电压幅值控制法 上述灰度调制方法电路简单，但可实现的灰度等级不多。 若要实现多级灰度显示则应该使一个像素对应多位数据，驱动输出的电平不再只是选择电压和非选择电压，而是多级电平选择。 以3位为例，需要8级电平。电路中要加入电平选择器。 从图中可以看出，在列驱动器的驱动电路和数据锁存器的输出之间加入了电平选择电路。驱动输出的电平不是原来的显示选择电平和非选择电平的二选一，而是多级电平选择。此时的显示数据也不是一个像素对应一位，而是一个像素对应多位。按图5-18所示的例子，一个像素有三位。当液晶显示控制器将这三位数据传输给带灰度控制的液晶显示驱动器时，这三位数据被锁存到锁存器内。锁存器把这三位数据又输出给电平选择电路，它相当于一个3-8译码器，三位数据组合为八种状态，使电平选择电路在V0～V7八个电平中选择其一，输出给驱动输出端Yi，从而使液晶显示呈现灰度显示效果。

39. 4 提高大容量液晶显示器件像素质量的方法 • 随着液晶显示器件显示容量的提高，扫描线不断增加，占空比越来越小。这将会使显示的图像对比度下降，显示不均匀，图像质量下降。为此，人们除尽量设法提高液晶显示器件本身的质量，改进参数外，还在驱动技术上开发了一系列新技术。 • （1）分割矩阵方式 • 当矩阵液晶显示器的扫描行数大于200线时，即使是STN型液晶显示器件，也会使图像质量下降。为此，人们设计了一种分割矩阵方式的器件，并配以分割矩阵的驱动方式。图为这种分割矩阵器件的电极排布示意图。 从图中可以看出，将全屏的行数分成上下两组，从而使原来2N数量的行电极可以用1/N占空比驱动，这种方式也称为双屏驱动方式。 由于扫描行数减少一半，图像质量、对比度会提高不少。不过，这种方式虽然可以使占空比数增加一倍，但它也会使列电极数增加一倍。此外，在行驱动电路中还需引入帧存储电路。由于这种方式可以方便的提高显示质量，所以在400线以上的点矩阵图形显示模块中被广泛应用。同样原理，有时也可以将显示屏划分为4个画面，即所谓4屏驱动。

40. （2）多重矩阵方式 • 分割矩阵方式主要是从外电路构想出的方案（当然器件内部电极也要分割），多重矩阵方式则主要是从器件内部电极排布上构想出来的方案。图为典型二重矩阵液晶显示屏的电极排布。 由于它的每一个行电极涵盖了两行列像素，所以它同样用1/N占空比可以驱动2N行数量的画面。同前一种方式一样，它的列电极数也增加了一倍，不过从图中可见它的控制、写入方式与分割矩阵方式不会相同。同样原理，还可以设计成三重、甚至四重矩阵。这种方式在器件制造上要求有更高的微细加工水平，因此没有分割矩阵方式使用的普遍。 不过，以上两种方式都是源于液晶显示在高路数驱动中由于电光响应陡度不够而采用的一种不得已的驱动技巧。随着液晶和液晶器件水平的提高，只要其电光响应曲线的陡度足够高，能够保证在高路数扫描时对其图像对比度和质量不降低，就没必要采用这种技术。

41. （3）线反转驱动方式 • 影响液晶显示画面质量的另一大因素是液晶显示器件内部结构造成的。 • 液晶显示器件是场效应器件，每个像素都等效于一个小电容，而像素的行、列电极都是由电阻率较高的ITO透明导电膜制成的。在液晶驱动时，当显示容量很大，扫描频率增加时，对容性负载必然会使压降增大，若不同行上的选通像素数量不同，其不同行上的压降也会不一样，从而造成显示不均匀。 • 又由于大容量显示时，行、列像素电极很细，所以使本来电阻率就较大的电极电阻就更大了，因此，对于本来就是低压驱动的液晶器件就变得不可忽视了。不难想象，对于一个全部选通的行和一个仅少量像素选通的行，其每个像素的电压会不同，并从而造成显示不均匀。 • 虽然，可以挑选ITO电阻率很低的玻璃来制作这种大容量液晶显示器件，但终不能根本解决这一难题，因此有人提出了这种线反转驱动法。 • 其基本原理是将原来每一帧改变一次驱动极性的方式改为在一帧内每隔一定行数就改变一次极性，并使其切换的行数不能除尽每帧的行数。如图所示。 不难看出，使用这种方式全选通行上的波形与部分选通行上的波形频率相差已不太大，对于一个帧频为20～30Hz的显示，它会大大减少显示的不均匀性。

42. （4）双频驱动法 • 大容量液晶显示器图像质量下降的根本原因还是因为其图像质量与驱动行数N是成反比的，N数量增加不可避免的会出现一系列影响图像质量的因素。为此，人们又注意到了另一种驱动方式。 • 这是一种与基于液晶电光效应的解决办法根本不同的新方法，即双频驱动法，它也是一种直接驱动法。 • 我们知道，液晶的介电常数ε∥、ε⊥都是在20℃、lkHz频率下测定的。当ε∥>ε⊥时，我们称之为正性液晶，记作NP。施加电压后，NP液晶分子长轴将会沿电场方向排列。 • 但是当它们在不同的频率下测量时，其ε∥、ε⊥会发生很大的变化，以至于在低频时是ε∥>ε⊥，而在某一高频下会变成ε∥<ε⊥。此时，施加电压后，液晶分子长轴将会垂直于外加电场排列，而且这种转变是瞬间的。图是几种典型的液晶材料的ε随频率改变的曲线。 不难看出，低频时ε∥>ε⊥，而在某一高频值以上ε∥将变得小于ε⊥。用这种材料制成的TN型器件，在低频时和高频时液晶分子在电场下排列的方向是不一样的。因此，这种器件可以用不同的频率进行驱动，所以叫双频驱动。根据写入信息波形的频率可以分为高频选通和低频选通两种方式。 这种驱动方式设置的有效电压比与占空比1/N无关，因此可以实现高路数大容量显示。这是此种驱动方法的优点。 但是这种方法因使用高频，因此功耗要大不少，而且由于其ε∥值的频率效应受温度影响较大，因此给驱动频率的设置带来不少麻烦。所以也给实用化带来很多的不便。但是它却实现了显示图像质量与驱动行数无关的设想。 ε随外加驱动频率变化而改变的曲线

43. 双频驱动（低频选取方式）的原理

44. 5.2.2有源矩阵驱动法(间接) • 普通矩阵液晶显示器件（指TN类型）的电光特性很难满足高质量图像，特别是视频活动图像的显示。高分辨率图像要求高的扫描行数N，这就导致两个严重问题： • ①驱动有效电压比随N的增加而迅速下降，如图5-10所示。 • ②当N上升时，每个像素工作的占空比1/N也随之下降，这一方面需提高驱动电压，同时要求更亮的背光源（工作于透射状态时）。 • 有源矩阵驱动法与前文所述直接驱动方式不同。由于在有源矩阵液晶显示器件每个显示像素点上都制作了一套有源器件，利用有源器件的非线性，可以使每个像素独立驱动，从而克服交叉效应，实现多路视频画面。如果使用的非线性有源器件具有存储性，则还可以解决由于占空比变小所带来的种种问题。 • 有源矩阵英文名为Active Matrix，缩写成AM。有源矩阵液晶显示器件根据有源器件的种类可以分成如表5-3所示多种类型。

45. 说明 • 三端有源方式由于扫描输入与寻址输入可以分别优化处理，所以图像质量好，但工艺制作复杂，投资额度大，以十亿美元为单位。二端有源方式，工艺相对简单、开口率较大，投资额度小，不少厂家，特别是袖珍式电视产品生产厂对它看好，但图像质量比三端有源的略差。 • 在三端有源方式中以TFT为主。TFT即薄膜晶体管，是英文名Thin Film Transistor的缩写。在二端有源方式中以MIM，即金属-绝缘体-金属二极管方式最为实用。

46. 1.二端有源矩阵液晶显示器件 • （1）二极管寻址矩阵液晶显示 • 普通矩阵液晶显示屏的扫描行数存在极限的原因之一在于液晶像素的电容性负载，即具有对称性，或双向的导通特性。如果在像素上串联一个二极管，使像素电路具有非线性特性，就可突破扫描行数的极限。 • 设二极管正向导通电压为Vb，则当该二极管与液晶像素串联后，在外加电压小于Vb时，液晶像素上是没有电压的。即使二极管导通后，施加在液晶像素上的电压也只是外加电压与Vb之差。这时液晶显示器件的电光特性曲线的陡度γ可表示为： • 或者 • 式中：V10和V90分别代表液晶盒的透光率改变10％和90％时相应的外加电压； • △V= V90-V10。 • 从以上两式可以看出：如果二极管的伏安特性曲线为理想的L形，而Vb又足够大时，则陡度γ值可以非常接近于1。可见采用这个电路可以突破TN型液晶屏的扫描极限。

47. 二极管寻址矩阵液晶显示屏的等效电路 • 在图中，未扫描的行为负电平，只有被扫描的行才是零电压；未寻址的列为零电压，被寻址的列为负电平。所以除了被选择的像素外，所有二极管都处于反偏压状态而截止，这些像素上没有电压。 • 如图中所示的选择点P11、P33、PN1、PNM存在选择电压；其他各个像素点，因串联的二极管不导通，而施加不上任何电压；这样就完全消除了交叉效应。 • 一般讲，总有二极管反向电阻远大于液晶像素的漏阻，被选择的像素充上电压后，当寻址信号移去后，因为串联的二极管反向不导通，该像素上的电荷仍将保持，只有靠像素自身的漏电才能泄放掉。保持的时间决定于液晶像素的介质弛豫常数τLC。τLC应小于TF（帧周期），否则影响器件的响应特性。因此单二极管有源矩阵的存储特性是不可能大的，只对减少闪烁起作用。 • 二极管寻址矩阵液晶显示屏的等效电路和驱动电压波形

48. 扫描脉冲由正的置位（即充电）脉冲和负的复位（即放电）脉冲组成。在每行被选通前，先加一个复位脉冲，其幅值等于nVb，使像素上保持的电荷全部泄放掉。这样，被选择像素上的电荷在下一个扫描行被选前都被“清零”，所以可以将τLC设计得足够大，使在一帧时间内，充上的电荷基本保持不变，实现了存储功能。扫描脉冲由正的置位（即充电）脉冲和负的复位（即放电）脉冲组成。在每行被选通前，先加一个复位脉冲，其幅值等于nVb，使像素上保持的电荷全部泄放掉。这样，被选择像素上的电荷在下一个扫描行被选前都被“清零”，所以可以将τLC设计得足够大，使在一帧时间内，充上的电荷基本保持不变，实现了存储功能。 要充分利用上述存储特性需采用双阈值元件寻址。即对每个像素串联上一对反向并联的二极管组 （a）双阈值器件的伏安特性 （b）矩阵液晶屏的等效电路和屏上的电压波形 • 双阈值元件寻址矩阵液晶显不屏的等效电路和驱动电压波形

49. （2）金属一绝缘体一金属（MIM）寻址矩阵液晶显示（2）金属一绝缘体一金属（MIM）寻址矩阵液晶显示 将阳极氧化制备的五氧化二钽层夹在两层金属膜之间，构成MIM结构，它在强电场作用下电导率具有很强的非线性，可用于液晶显示的有源矩阵中。这类液晶显示器在性能和价格上都介于STN与TFT有源矩阵液晶显示器之间，所以许多中小液晶显示器件制造工厂仍愿意使用MIM有源矩阵来提高液晶显示质量。 ①首先在基片玻璃上反应溅射生长一层Ta2O5，以防后续工艺对玻片的腐蚀； ②然后在掺氮的氩气氛中溅射上厚度约为200nm的Ta层； ③将Ta层光刻成“T”字形，作为扫描母线； ④将基片放在0.1％的柠檬酸溶液中对Ta进行阳极氧化，形成Ta2O5。 ⑤再沉积上一层Cr，或NiCr-Au，并光刻，于是在“T”字竖条处的Ta2O5上形成一条较厚的桥状金属接触； ⑥最后，用反应溅射方法淀积一层NiCr-Au或ITO薄层，并光刻成方形像素电极。像素电极与上一步工艺中形成的Cr电极是相连的。 这样便形成了NiCr-Au/ Ta2O5/Ta的MIM多层结构。 MIM寻址矩阵液晶显示屏的制备工艺

50. 横向MIM • 图中所示的MIM结构可使MIM结构的电容值变得很小，称这种结构的MIM为横向MIM。其工艺步骤如下： • ①在基片玻璃上热生长一层保护性Ta2O5； • ②直流溅射一层约300 nmTa薄层； • ③涂敷聚酰亚胺层，厚度为0.5～2um，并光刻成条形，作为Ta层的掩膜； • ④干法刻蚀Ta层，使聚酰亚胺和Ta层的横断面成为下宽上窄的梯形； • ⑤溅射上ITO，并光刻出方形像素透明导电层； • ⑥将暴露出的Ta薄层斜边阳极氧化，形成30～50nm厚的Ta2O5层； • ⑦淀积一层Cr，光刻之，使一边复盖住Ta2O5层，一边与ITO像素电极接触。 • 用这种工艺形成的MIM元件的电极面积只相当于Ta层斜边上的Ta2O5层与Cr层重叠的一块面积。所以MIM的等效电容很小，即杂散电容小。 横向MIM元件的制备工艺