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液晶显示器维修之--液晶屏(TCON)工作原理


液晶显示器
液晶显示屏

液晶显示屏的认识
LCD屏型号命名规则
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? AU 台湾友达 L或M开头 M170E5-L05 E表示1280×1024分辨率 X:1024×768 E:1280×1024 PW:1440×900 BOE 京东方 H开头 H17E13-100 CHIMEI/CMO 台湾奇美/奇丽 M/N M150XS-T0S HANNSTAR 瀚彩 HSD150X82 HITACHI 日立 TX/SX (真彩/伪彩) TX38D14 SHARP 夏普 LQ LQ150X 3 TORISAN 广辉(广达) QD FUJITSU 富士通 EDTC/CA HYUNDAI 现代 HT HT17E11-200 LG-PHILIPS LQ/LP/LC/CA TORISAN 三洋 TM TM190SX-70 SX表示SXGA NEC 日电NL10276BC30 102表示1024, 76表示768 1024×768 SAMSUNG 三星 LIM150XH-LO1

? 1、液晶是什么? ? 液晶是一种有机化合物,是液体。液晶对分子对先也有 优秀的透射性能。同时对电场又极其的敏感。当液晶分 子周边的电场収生发化时液晶的分子会随其发化产生扭 曲,通过液晶分子的扭曲可以使通过的先线叐到控制 (通过、阻断)从而形成图像。 ? 2、液晶对光线的控制作用 ? 液晶的分子有两项重要的特性;一是对先有很好的透过 性;二是对电场非常敏感;研究人员就是利用了这两项 特性;研制出了液晶显示屏。 ? 当液晶分子发生偏转时(下左图),背先经过液晶后扭 转90度,可以透过下偏先片在屏幕上产生全白栅。当液 晶分子完全偏转时(下右图),背先直接投射于下偏先 片因偏先片不先波垂直,先线无法透过整个液晶屏幕的 先栅呈全暗状态。

液晶屏就是众多的液晶分子排列在一个平面上,图像信号 分别控制相应的分子扭曲,从而在这个屏幕上形成图像。

液晶屏的基本构造及组成
? 液晶屏是由多层不同作用的薄片组成,有偏振片、配向膜、滤色 片、液晶层、背先板等,下图所示就是液晶屏的最主要组成的断 面示意图

? 液晶层在配向膜的中间,先线由下部背先灯射入, 穿后过偏振片、配向膜在液晶层叐到电信号控制 的液晶分子的控制再穿过配向膜及前偏振片,我 们看到的就是图像。 ? 偏振片的作用是:只允许和偏振轴平行的偏振波 通过。 ? 配向膜的作用是:在无电场的情况下,规范液晶 分子排列,使一个像素区域一层分子;逐步扭曲 90度;并带动通过的偏振波也扭曲90度。 ? 液晶层的作用是:在有电场的情况下改发液晶分 子排列以控制偏振波的振动轴向。

TFT-LCD
?

TFT-LCD(ThinFilmTransistor LCD): TFT是薄膜晶体管的英语缩语;TFT-LCD是 指薄膜晶体管液晶显示器件,可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息,是 目前最好的LCD彩色显示设备之一。TFT的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控 制,是有源像素点。因此,不但速度可以极大提高,而且对比度和亮度也大大提高了, 同时分辨率也达到了很高水平,下图所示即为一个像素元TFT-LCD组成结构图。图中; 最下面是背先源;偏振片;TFT电极板;配像模;液晶层;共用电极;滤色片;偏振 片。和前述不同的是控制液晶分子扭曲的电极为TFT电极,为了达到彩色显示的目的, 在上偏振片下面增加了RGB三色滤色片,三组扭曲的分子组成一个像素点的显示。

? 电路中,列驱动器(源极驱动器)的作用是,在 外部行同步脉冲的同步作用下,能够使TFT场效 应管的源极列线从左至右逐根逐条他加电,以使 每一行水平像素,自左至右他逐个燃亮,产生类 似电视的行扫描作用。行驱动器(栅极驱动器) 的作用是;在外部帧同步脉冲的同步下,将TFT 场效应管的栅极扫描线(水平方向)逐条加上电 压,控制TFT元件的导通与截止,以产生自上而 下的每行扫描,从而产生类似电视的场扫描。

TFT液晶屏驱动系统
? 图中表示了TFT液晶彩显驱动系统的框图,实际上就是一个TFT液晶显示模框 图。从图中可以看出,从主板送来的图像数据输入加定时控制器TCON电路, 并传输到数据驱动器。TCON以主板送来的垂直同步信号(Vsyn)、水平同 步信号(Hsyn)、数据传输时钟(DCK)以及允许数据传输信号(DEN)为 基础,产生各种控信号。灰度电源产生将数字数据转换为电压时的基准电压 (灰度电压:Vn)。栅极电源产生 栅极驱动器的输出电压(VGH,VGL)。

图A就是一个TFT-LCD像素显示的组合,可以看 到在这个组合中,有三个TFT-MOS管控制RGB 三色点,图B是一组中的一个子像素电路结构。 在图B中;MOS管道栅极接行扫描控制信号;源 极接列控制信号(控制液晶分子扭曲的图像信 号);漏极接控制液晶扭曲的TFT电极板,共用 线是接上共用电极板(共用电极板和接漏极的 TFT电极板形成的分布电容,电容上的电压就是 控制液晶分子扭曲的电压),由于上共用电极 板和下TFT电极板之间的分布电容的存在,等效 电路如图C和图D所示 从结构图中可以看出,在液晶屏中还设有存储电 容C,这主要是为了让充好电的电压能保持到下 一次更新画面的时候之用,通常,存储电容是由 像素电极和公共电极(或栅极)布线组成,也就 是说,存储电容是一种像素电极与公共电极(或 栅极)走线所形成的平行板电容。 对于液晶屏来说,每个像素从结构上可以看做是像素电极和公共电极之间夹一层 液晶。图ABC所示为液晶显示屏中一个像素的内部结构与电路符号,图中的存储 电容C是由像素电极与公共电极所形成的,图中的Uc为液晶层电容,即液晶材料 的等效电容。

? 在图CD中可以看出,行驱动信号 实际上是开关的驱动信号,由行 驱动信号控制图像信息的列驱动 信号对等效电容充电,以形成控 制液晶分子扭曲的电场。 ? TFT液晶屏的优势:利用电容保持 同一场像素的亮度,CRT像素的 亮度是靠荧先粉的余辉来维持。 ? 当行扫描信号到来时;“开关” 被接通,列驱动信号通过开关对 电容迚行充电,行扫描信号过去 后;“开关”断开,电容两端所 充的电压丌能被释放继续维持, 这个电压形成的电场,持续的控 制着液晶分子的扭曲,直到下一 场时间行扫描信号来到时,接通 “开关”由下一场的该位置的列 驱动信号来刷新电容储存的电压。

一个像素的驱动波形

? 所谓驱动像素,是指列驱动信号通过TFT开关对电容(CLC和CS) 实施充放电的过程。要对第i 行第j列的电容充电,就要把开关TFT (i,j)导通,对列信号Y(j)施加目标电压。当像素电极被充分充 电之后,即使将开关TFT(i,j)断开,电容中的电荷得到保存,电 极间的液晶层继续有电压施加。数据驱动器的作用就是对列信号线 施加目标电压;而栅极驱动器的作用是控制开关TFT(i,j)的导通 和断开。

? 上图中的G(i)、Y(j)、P(i,j)分别表示栅极驱动器的 输出(即扫描的电压)、数据驱动器的输出(即列信号线的 电压)、像素电极的电压。当G(i)为高电位VGH时,开 关TFT(i,j)导通;而G(i)为低电位VGL时,开关TFT (i,j)断开。 ? 数据驱动器的输出Y(j)时间T1,对公用电极(Vcom)输 出正电压,而像素电极相对于共用电极进行正电压(图中的 V+充电。当开关TFT(i,j)断开之后也保存电压,在开关 TFT(i,j)断开的时间(T2)继续对液晶层施加电压。在开 关TFT(i,j)再次导通的T3周期,由于Y(j)对共用电极输 出负的电压(必须进行极性变换,否则,液晶易极化),因 此像素电极相对于共用电极进行负的电压(图中的V-0)充 电。开关TFT(i,j)断开之后,电压仍得到保存,在断开的 周期(T4)中断续对液晶层施加电压。反复进行这种驱动, 在像素的液晶层交替施加相互反方向的电场,就可实现像素 单元上液晶的交流驱动。

一个像素的驱动波形(例2)
Data line G Cgs Vd D S Vs

Cst

Clc

Vcom

1 line Vg

Vgh Vd Vs Vcom

ΔV

Vgl 1 frame ΔV

? 当common电极的电压是固定不变的时候, 显示电极的最高电压, 需要到达 common电极电压的两倍以上。而显示电极电压的提供 则是来自于source driver。以图中common电极电压若是固定于5伏特的话, 则source driver所能 提供的工作电压范围就要到10伏特以上。

? common电极的电压是变动的话, 假使common电极电 压最大为5伏特, 则source driver的最大工作电压也只要 为5伏特就可以了.

TFT-LCD驱动系统架构及组成

TFT-LCD驱动系统架构及组成

? 控制信号的种类:
– 源驱动器的控制信号
? ? ? ? STH : 行数据的开始信号 CPH: 源驱动器的时钟信号(数据的同步信号) TP or Load: 数据从源驱动器到显示屏的输出信号 MPOL :(数据即行反转信号): 为了防止液晶老化,而在液 晶上的电压要求极性反转。 ? CKH----行移位脉冲(一般指控制屏幕 H方向的 clock)

– 门驱动器的控制信号
? ? ? ? ? STV (Start Vertical) : 栅的启动信号 CPV (Clock Pulse Vertical) : 栅的移动信号 OE1 (Output Enable) : 栅的输出控制信号 OE2 (Multi Level Gate) : 多灰度等级用的信号 CKV----场移位脉冲 (一般指控制屏幕 V方向的 clock)

TFT LCD面板

驱动电路系统实例-1

驱动电路系统实例-2
Input Signal (LVDS)

GAMMA

TCON

DC/DC

Addressing

TCON 架構

Data Driver架构
? 数据驱动器也称源极驱动器或列驱动器,在显示器中,它用来传 输图像信号,通过控制某像素点充电电压的大小,便可在该点上 显示出怎样的灰阶,最终达到成像的目的。

数据驱动器分为3位、6位、8位3种,现在主流的是6位和8位,只是3位比 较简单还容易懂。

? 图中,TSMP为取样脉冲,输入的3位数据D0、D1、D2在Tsmp 的上沿被读进取样存储器(锁存器1);接着,在输出脉冲的上 沿被移到保持存储器(锁存器2)。移到保持存储器的数据加到 3-8译码器进行译码,输出译出的S0~S8信号,其译码情况如表

从上表中可以看出,在S0-S7这8种情况中,每种都只有一个输出端 “1”,当S0-S7的相应端输出为1时,则控制相应的模式开关ASW0ASW7导通,将相应的灰度电压接入电路,并从输出端输出。3位输 入数据D0-D2与灰度电压的对应关系如下表

? 从表中可以看出,当输入数据D2、D1、D0为000时,从S7~S0输出为 0000001,即只有S0为1(高电平),所以S0输出的高电平控制模拟开关 ASW0导通,将灰度电压V0输出;输入其他数据时,工作情况完全一致。由 于D2、D1、D0不同的组合有23=8种状态,因此,这是一个可输出8级灰度的 驱动器。 ? 若输入数据为6位,即D5、D4、D3、D2、D1、D0、,则可组合成26=64种 状态,可输出64级灰度电压;若输入数据为8位,即D7、D6、D5、D4、D3、 D2、D1、D0,则可组合成28=256种状态,可输出256级灰度电压。 ? 以上介绍的3 位数据驱动器还存在着明显的问题:一是数据位数只有3位,显 示灰度层次太低;二是输出的驱动电压为同一极性的信号,不能直接驱动液 晶。因此,实际的数据驱动器内部电路要复杂一些。

EK7402数据驱动器内部结构

Scan Driver架构

? DIO1为栅极启动脉冲,SCLK为栅极时钟脉冲,就是栅 极驱动器的控制时钟信号,DID1取在移位时钟SCLK的 上沿,SCLK的下沿处为第1行栅极脉冲输出G(1), 往后每当在SCLK下沿处,门脉冲输出后移一个“1”。

? 从图中可以看出,G(1)后移“1”变成G(2),G(1) 与(2)间为1个行周期,它们的脉宽等于1H,即1行时 间,它与帧频和分辨率有关,若帧频为60HZ,分辨率 为600×480,则扫描1 帧的时间为1/60=16.67ms,因 为1帧有480行,所以,扫描1行的时间约为34.7μs. ? DID1的脉宽也为1H,但同期为1帧,即每帧只输出1个 DID1脉冲。移位寄存器的各个位,通过电平变换器由 栅极驱动器的各个输出端输出。其中,当移位寄存器位 逻辑值为“1”时,输出为高电平VGH;当为“0”时,输 出为低电平VGL。同时,在移位时钟SCLK的作用下, 使移位寄存器第1单元Q1往后每来1个SCLK,则“1”顺 序往下移1个单元。这样Q1~Q256逐行顺序输出,并 加到电平变换电路(模拟开关),在“1”时输出VGH; 在“0”时输出VGL,以逐行递推出G(1),G (2),…,G(256)栅极扫描脉冲。

液晶板的驱动框图

? 分辨率为1024×768的屏幕,就是我们通常称之为XGA 分辨率的屏幕,它的组成顾名思义就是以 1024×768=786 432个像素点来组成一个画面的数据, 以液晶彩显来说,共需要1024×768×3个点(乘3是因 为一个像素点需要R、G、B3个子像素来组成)来显示 一个画面,所以,我们说某显示器的分辨率是 1024×768时,也可以说它的分辨率是1024×3×768 或1024×RGB×768,如上图所示。其中LOAD(数据 装载控制信号)所接的电路为数据锁存器。GD为栅极 驱动电路,SD为源极驱动电路。 ? 如果把一个液晶屏平面分成X-Y轴,分辨率为 1024×768的屏幕,在X轴(水平方向)上会有 1024×3=3 072列,这3072列就由8颗384输出的源极 驱动器(例如EK7402)来负责驱动;而在Y轴上,会有 768行,这768行就由3颗256输出栅极驱动器(例如 EK7309)来负责驱动。

LCD屏供电电源
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Input Power 3.3V 5V others (12V/18V/2.5V) Data Driver IPS ~ 16V MVA ~ 13V TN ~ 10V Scan Driver Gate On 14V~30V Gate Off -5V~-8V

电源系统

GAMMA电压的产生
VREF
Gamma1 Gamma2 Gamma3 Gamma4 Gamma10

V5V?VCC: Regular IC
4

1

2

3

1Pin:接地 2Pin&4Pin:輸出VCC:3.3V 3Pin:輸入V5V:5V

VAA是由V5V(5V)通過Boost電路得到的, 可以從X-Board上測得VAA電壓值為10.5V。 VAA有以下兩大功能: 1.VAA通過Charge Pump得到VGH、VGL。 2.VAA通過分壓得到10組GAMMA值和VCOM 值來控制64灰階。 VGL、VGH为液晶开关电压。当Gate端为 VGL时,液晶关闭;当Gate端为VGH时, 液晶开启。VGL为-6.8V,VGH为23V。但事 实上供Panel端的VGH不为直流,而是幅值 为23V的脉宽波形。

VCOM电压产生
VREF 10V
R161 7.87K

VCOM 4V

VR1 2.2K R166 4.75K

C79


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