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维修液晶显示器首先要了解一些液晶显示的基础知识,主要包括液晶基础知识,液晶显示屏的结构、原理与驱动方式,液晶面板的结构与原理,液晶显示器的组成、工作过程及其主要技术指标,本章主要介绍这些方面的内容
1.1液晶基础知识
1.
1.1液晶的发展我们都知道物质有三态固体、液体和气体通常,固体加热至熔点就转变成液体,然而,有些有机材料不是直接从固体转变为液体,而是如图1—1所以那样,先经过中间状态,然后,才转变为液体这种中间状态一般被称为第四态,其外观是流动性的混浊液体,也就是下面所要介绍的液晶图1—1液晶性物质随温度变化而发生变化的状态2.TN液晶显示屏的原理图1—3所示为TN液晶显示屏的工作原理示意图a不加电压时透光b加电压时不透光图l一3TN液晶显示屏工作原理示意图在不加电压的情况下,入射光经过偏光板后通过液晶层,偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90在离开液晶层时,偏光方向恰与另一偏光板的方向一致,所以光线能顺利通过,在这种情况下,液晶层相当于是透明的,可以看到反射基板的透明电极,如图1—3a所示当加一个电压时,液晶分子便会重新垂直排列,使光线能直射出去,而不发生任何扭转,使液晶不能透光,如图l一3b所示在这种情况下,由于没有光反射回来,也就看不到反射基板的电极,于是在电极部位出现黑色从图l一3可以看出,对于TN液晶显示屏,不施加电压时,液晶透光,也就是亮的画面;施加电压时,液晶不透光,显示暗的画面因此,这是一种常规状态不通电显示白色的液晶屏,简称常鱼盎避星与常白屏Nw屏对应,还有一种常黑屏NB屏,关于常白屏与常黑屏,将在介绍TFTr液晶显示屏时进行详细说明加电将光线阻断有显示,不加电则使光线射出无显示由此可见,只要将电极制成不同的字的形状,就可以看到不同的黑色字这种黑字,不是液晶的变色形成,而是光线被遮挡或穿透的结果综上所述,TN液晶显示屏的显示原理是液晶棒状分子在外加电场的作用下,排列状态发生变化,使得穿过液晶显示器件的光被调制即透过与不透过,从而呈现明与暗的显示效果也就是说,通过控制皇压的大小,堕变遗晶转动的角度和光的行进方向,进而达到改变字枸警度的目的主要用于3in以下的黑白小屏幕,如电子表、掌上游戏机等;STN型配合彩色滤光片可显示多钟色彩,多用于文字、数字及绘图功能的显示,如低档的笔记本电脑、掌上电脑、__和个人数字助理(PDA)等便携式产品;TFT型具有反应速度快等优点,特别适用于动画及显像显示,因此在在数码相机、液晶投影仪、笔记本电脑、桌上型液晶显示中得到了广泛的应用TN、STN及TFT液晶显示屏的比较见表表1—1TN、STN及TFT液晶显示屏的比较类别TNSTNTFT原理液晶分子扭转900液晶分子扭转240~270液晶分子扭转90度以上特性黑白、单色全色彩化否动画显示否视角狭窄面板尺寸1~3应用范围电子表、计算器、简单的掌上游戏机1.2.1TN液晶显示屏及其驱动方式TN液晶显示屏也称扭转向列液晶显示器件,其应用十分广泛,常见的电子表、计算器、掌上游戏机、工业数字仪表等采用的都是TN液晶屏1.TN液晶显示屏的结构TN液晶显示屏的基本结构是将涂有I’r0透明导电层的玻璃光刻上一定的透明导电电极图形,将两片这种玻璃基板央持一层液晶材料,四周进行密封,形成一个厚度仅为几微米的扁平液晶盒由于在玻璃内表面涂有一层定向膜也称配向膜,并进行了定向处理,盒内的液晶分子沿玻璃表面平行排列,且由于定向膜定向处理的方向互相垂直,液晶分子在两片玻璃之间呈90扭转因此TN液晶显示屏也称为扭转向列液晶显示屏图l一2所示为TN液晶显示屏的基本结构示意图图1—2TN液晶显示屏的基本结构示意图
2.TN液晶显示屏的原理图1—3所示为TN液晶显示屏的工作原理示意图图1—3TN液晶显示屏的工作原理示意图在不加电压的情况下,入射光经过偏光板后通过液晶层,偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度在离开液晶层时,偏光方面恰好与另一偏光板的方向一致,所以光线能顺利通过,在这种情况下,液晶层相当于是透明的,可以看到反射基板的透明电极,如图1—3(a)所以当加一个电压时,液晶分子便会重新垂直排列,使光线能直射出来,而不发生任何扭转,使液晶不能透光,如果1—3(b)所示在这种情况下,由于没有光反射回来,也就看不到反射基板的电极于是在电极部位出现黑色加电将光线阻断(有显示),不加电则使光线射出(无显示)由此可见,只要将电极制成不同的字的形状,就可以看到不同的黑色字这种黑色字,不是液晶的变色形成的,而是光线被遮挡或穿透的结构综上所诉,TN液晶显示屏的显示原理是液晶棒状分子在外加电场的作用下,排列状态发生变化,使得穿过液晶显示器件的光被调制(即透过与不透过),从而呈现明与暗的显示效果也就是说,通过控制电压的大小,改变液晶转动的角度和光的行进方向,进而达到改变字符亮度的目的3.TN液晶显示屏的驱动TN液晶显示屏采用静态驱动方式所谓静态驱动,是指在所显示的像素电极和共用电极上,同时连续地施加驱动电压,直到显示时间结束由于在显示时间内驱动电压一直保持,故称做静态驱动下面以最常用的笔段式TN液晶显示屏为例进行说明笔段式TN液晶显示屏是通过段形显示像素实现显示的段形显示像素是指显示像素为一个长棒形,也称笔段形在数字显示时,常采用七段电极结构,即每位数由一个“8”字形公共电极和构成“8”字图案的七个段形电极组成,分别设置在两块基板上,如图l一4所示每个笔段的驱动电压为AC3~5V,频率有32Hz、167Hz、200Hz几种,工作时在背电极COM上持续加上占空比为l/2的连续方波,在要显示的笔段上施加一个与背电极上的电压波形棚位相反、幅值相等、频率相同的连续方波,则在被显示笔段图1—4七段笔段式液晶显示屏的电极排列圈上加有正、负交替的两倍于方波幅值的电压,它应大于液晶显示器件的阈值电压‰;而在不需要显示的笔段上施加一个与背电极上的电压波形相位相同、幅值相等、频率相同的波形,则该笔段上不能形成电场,当然也就不能显示图l一5所示是一个笔段电极的液晶屁示屏驱动电路原理和波形图b真值表c渡形图图l一5一个笔段电极的液晶显示屏驱动电路原理和波形图图1—5a是一个异或门电路输入端A是由振荡电路产生的方波振荡脉冲,并且直接与液晶显示屏的COM端连接输入端B可接人高、低ON/0FF电平,用于控制电极的亮与灭异或门的输出端c接液晶显示屏的笔段端前电极a、b、c、d、e、f或g端从图l一5b所示的异或门真值表中可以得到液晶显示屏LCD两端的交流驱动波形,如图1—5c所示可见,当字段上两个电极的电压相位相同时,两电极之间的电位差为零,该字段不显示;当此字段上两个电极的电压相位相反时,两电极之间的电位差为两倍幅值的方波电压,该字段呈现黑色图1—6所示是七段液晶显示屏的电极配置和静态驱动电路图七段共用一个背电极COM,前电极a、b、c、d、e、f、g互相__,每段各加一个异或门进行驱动目前,市场上已有许多LCD驱动集成芯片,已可将多个LCD驱动电路集成到一起,使用起来十分方便笔段式静态驱动有这样两个特点
①各电极的驱动相互__,互不影响;
②在显示期间,驱动电压一直保持,使液晶充分驱动因而静态驱动与下面介绍的动态驱动相比,具有对比度好、亮度高、响应快等优点静态驱动的缺点是每个笔段形电极需要一个控制元件,当显示数字的位数很多时,相应的驱动元件数和引线端子数就会太多,因而它的应用受到限制,只适合于位数很少的笔段电极显示图l一6七段液晶显示屏的电极配置和静态驱动电路图1.2.2STN液晶显示屏及其驱动方式STN液晶显示屏也称超扭转向列液晶显示屏,配合彩色滤光片可显示多种色彩,多使用于文字、数字及绘图功能的显示,如低档笔记本电脑、掌上电脑、低档__和个人数字助理PDA等便携式产品1.STN液晶显示屏的结构与原理STN液晶显示屏采用无源矩阵结构,在两块玻璃基板的内侧配置有行电极(扫描线)和列电极(数据线)两种电极,中间封人液晶,扫描线和数据线的交点就是STN液晶屏的像素点图I一7所示是跚烈液晶显示屏的结构和等效电路示意图图I一7所示是跚烈液晶显示屏的结构和等效电路示意图STN液晶显示屏的工作原理与TN液晶显示屏相同,只是STN的扭转角为180度~270度,而不是90度图l一8所示为TN和STN液晶分子扭转角度示意图图l一8所示为TN和STN液晶分子扭转角度示意图正因为STN液晶屁示屏中的液晶扭转角度不同,其特性也就不同,为便于说明问题,下面给出TN与STN液晶显示屏电压一穿透率曲线,如图l一9所示图1—9TN型与STN型液晶显示屏的电惟一穿透率曲线从图l一9可以看出,当电压比较低时,光线的穿透率很高;电压很高时,光线的穿透率很低;而电压在中间位置时,TN液晶显示屏的变化曲线比较平缓,而STN液晶显示屏的变化曲线则较为陡峭因此,在TN液晶显示屏中,当穿透率由90%变化到10%时,相对应的电压差就比STN液晶显示屏大前面曾提到,在液晶显示屏中,是利用电压来控制灰阶的变化,而上述TN与STN液晶显示屏的不同特性,便造成TN比STN液晶显示屏的灰阶变化要多所以,一般TN液晶显示屏多为6~8bits的变化,也就是64—256个灰阶的变化,而s1H液晶显示屏最多为4bits,也就只有16阶的灰阶变化除此之外,”N与TN液晶显示屏还有一个不同的地方,就是反应时间,一般STN液晶显示屏多在100ms以上,而TN液晶显示屏多在50ms以下这里需要说明的是,单纯的TN液品显示屏本身只有明、暗两种情形或称黑、白,无法做到色彩的变化而STN液晶显小屏由于液晶材料的不同,以及光线的干涉现象,显示的色调以淡绿色和橘色为主如果在传统单色STN液晶显示屏加上彩色滤光片,并将单色显示矩阵的任一像素点分成三个像素单元或称子像素,分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三基色,再经由三基色的比例调和,也可以显示出全彩模式的色彩另外,TN液晶显示屏做得越大,其对比度就会越差,而STN型由于采用了改良技术,可以弥补对比度不足的情况2STN液晶显示屏的驱动STN液晶显示屏采用无源矩阵电极结构,电极众多,不可能在像素显示的时间内维持一个持续的电场,凶此,一般不采用静态驱动,而是采用动态驱动STN液晶屏的动态驱动示意图如图1一10所示图中的无源矩阵由液晶屏的上、下玻璃基片内表面多个行电极也称水平电极、扫描电极、扫描线或x电极和列电极也称垂直电极、选址电极、选通电极、数据线或Y电极组成,行电极将按时间顺序加上一串扫描脉冲电压,列电极与行电极同步,分别输入选通电压波形和非选通电压波形;在双方同步输入驱动电压波形的一瞬间,将会在该行与各列电极交点像素上合成一个驱动波形,使该行上相应的像素点被选通所有行被扫描一遍,则全部被选通的像素点便组成一幅画面,但是这个画面上各行的像素是在不同时段内被选通的,所以也称这种方法为“时间分割显示”或APT逐行驱动由于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的,像素上没有真正意义的持续显示状态,所以又称为动态驱动图1一10STN液晶屏的动态驱动示意图通常,将所有扫描行电极施加一次扫描电压的时间叫做一帧;每秒内扫描的帧数叫做帧率;将每扫描行电极选通时间与帧周期之比称为占空比.它等于行电极数的倒数,即1/V动态驱动是STN液晶显示屏最常用的驱动方式一个矩阵若由m行和n列组成,则有m×n个像素,采用动态驱动只需要m+n根电极引线,不但能大大减少电极引线,还可以大大减少外隧驱动电路的成本,因此,应用十分广泛I.2.3TFT液晶显示屏及其驱动方式TFT液晶显示屏是目前的顶级材质液晶屏,属于主动式有源矩阵类型液晶显示屏,具有优良的性能,在计算机液晶显示器、液晶电视、__等设备中得到了广泛的应用TFT液晶显示屏是在TN型计算机的基础上发展起来的理解前面介绍的TN、STN液晶显示屏的结构、原理与驱动方式,对于分析ⅡT液晶显示屏具有重要的指导意义1.TFT液晶显示屏的结构TFT液晶显示屏是一种薄形的显示器件,它有两片偏光板、两片玻璃,中间夹上TN型液晶图l—11所示是TFT液晶显示屏的立体结构示意图,图l一12所示是TFT液晶显示屏的横截面结构示意图在后玻璃板衬底上分布着许多横竖排列并互相绝缘的格状透明金属膜导线,将后玻璃衬底分隔成许多微小的格子,称为像素单元或称子像素;而每个格子中又有一片与周围导线绝缘的透明金属膜电极称为像素电极显示电极像素电极的一角,通过一只用印刷法制作在玻璃衬底上的T丌薄膜场效应管,分别与两根纵横导线连接,形成矩阵结构,如图l—13所示TFT管的栅极与横线相接,横线称为栅极扫描线或x电极,因起到ⅡT管选通作用又称为选通线;而TFT管的源极与竖线连接,竖线称为源极列线或Y电极;T盯的漏极与透明像素电极连为一体TFT管的功能就是一个开关管,通过施加栅极电压,可控制其导通与截止对于TFT液晶显示屏来说,每个像素单元从结构上可以看做像素电极和公共电极之间夹一层TN型液晶,液晶层可等效为一个液晶电容CLC约为0.1pF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,也就是说,当TFT管对这个电容充好电后,它无法将电压保持再对此点充电的时刻以一般60Hz的画面更新频率,需要保持约16ms这样一来,电压有了变化,所显示的灰阶就会不正确,因此,一般在设计面板时.会再加一个储存电容Cs一般由像素电极与公共电极走线所形成,其值约为0.5pF,以便让充好电的电容电压能保持到下一次更新画面的时刻图l一14所示为一个像素单元的结构示意图及其等效电路图l一14所示为一个像素单元的结构示意图及其等效电路从驱动方式上看,TFT液晶屏将所有的行电极作为扫描行连接到栅极驱动器上,将所有列电极作为列__端连接到源极驱动器上.从而形成驱动阵列,如图1—15a所示,驱动阵列的等效电路如图1—15b所示图1—15TFT液晶显示屏驱动阵列及其等效电路在前玻璃衬底上,也同样划分为许多小格子,每个格子均与下玻璃衬底的一个像素电极对应,但其差别是,它没有__的电极,而只是覆盖着一小片R红、G蓝、B绿三基色的透明薄膜滤光片,称为彩色滤光片或称RGB滤色膜,用以还原出正常的色彩如果用放大镜观察液晶显示屏,可观察到图1—16所显示的样子图中的R、G、B是笔者为了说明彩色的颜色而加的标注红色、蓝色及绿色是所谓的三基色,也就是说,利用这三种颜色可以混合出各种不同的颜色,CRT电视和显示器就是利用这个原理来显示出色彩把R、G、B三种颜色分成__的三个单元,各自有不同的灰阶变化,然后把邻近的三个R、G、B显示单元当做一个显示的基本单位——像素点pixel,这个像素点就可以拥有不同的色彩在图1—16中,每个R、G、B点之间的黑色部分,就叫做black__trix矩阵块,主要用来遮住不需要透光的部分,如一些ITO的走线或TFT管的部分在图1—16图1一17所示是常见的彩色滤光片的排列方式——条状排列,常用于办公用品,如常见的笔记本电脑或台式计算机显示器等___这种应用要用条状排列的方式呢原因是目前的软件多半都是窗口化的接口,也就是说,屏幕内容是由一大堆大小不等的方框所组成的,条状排列恰好可以使这些方框边缘看起来更笔直,而不会有毛边或是锯齿状的感觉c但是,如果应用在__产品如液品电视上,就不一样了,因为电视__多半是人物,人物的轮廓线条大部分是不规则的曲线,因此最初使用于__产品的都是马赛克排列或称为对角形排列不过最近的__产品中,多已改进为使用三角形排列除了上述的排列方式外,还有一种排列,叫做正方形排列,它与前面几种不同的地方在于,它并不是以三个单元而是以四个单兀作为一个像素点,而四个单元组合起来刚好形成一个正方形图1一17下面简要介绍一下开口率开口率是液晶显示屏结构中一个十分重要的概念,它是决定液晶显示屏亮度的重要参数简单来说,开口率就是光线能透过的有效区域的比例如图1—20所示,左边是一个液晶显示屏从正上方或是正__看过去的结构图,当光线由背光板发射出来时,并不是所有的光线都能穿过面板例如,给液晶屏用的__走线及’r兀’管本身,还有储存电压用的储存电容等,这些地方除了不完全透光外,也由于经过这些地方的光线并不受到电压的控制而无法显示正确的灰阶,所以,都需利用__ack__trix加以遮蔽,以免干扰到其他透光区域的正确亮度因此,有效的透光区域就只剩下图1—20右边所显示的区域这块有效的透光区域__与全部__的比例就称为开口率图1—20开口率的计算当光线从背光板发射出来,会依次穿过偏光板、玻璃板、液晶、彩色滤光片等,假设各个零件的穿透率如下偏光板50%因为其只允许单方向的极化光波通过;玻璃板95%需要计算上下两片;液晶95%;开口率50%有效透光区域只有一半;彩色滤光片27%假设材质本身的穿透率为80%,但由于滤光片本身涂有色彩,只能允许该色彩的光波通过以RGB三基色来说,只能允许三种中的一种通过,所以仅剩下三分之一的亮度,因此总的通过率为80%×33%=27%以上述的穿透率来计算,从背光源出发的光线只剩下6%,实在是少得可怜这也是___在TFT液晶显示屏的设计中,要尽量提高开口率的原因只要提高开口率,便可以增加亮度,同时背光源的亮度也不用那么高,可以节省耗电及花费2.TFT液晶显示屏的原理液晶显示屏是被动显示器件,工作时,必须先利用背光源才能发光背光源产生的光线先经过后偏光板,然后经过液晶,这时液晶分子的排列方式将会改变穿透液晶的光线角度;接下来,这些光线还必须经过前方的彩色滤色膜与前偏光板因此.只要控制液晶扭转光线量的多少,就能改变光线的明暗,控制施加在液晶电极上的电压,就能调整光线的穿出量若要显示彩色的影像,只要在光线穿出前透过某一颜色的滤光片即可获得需要的颜色若要产生全彩的影像,就需要光的红R、绿G、蓝B]三基色液晶屏是由许许多多的小像素点所组成,每个像素点都有R、G、B三个子像素,由于光点小,又排列很紧密,眼睛接受时,就会将三个颜色混合在一起,再加上不同明暗的调整控制液晶的扭转角度,从而形成所要的颜色TFT液晶显示屏为每个R、G、B子像素都安排了一个TFTr管来控制电场的变化,使它对于色彩的控制更加有效,而不会像被动式矩阵屏幕,对于快速__的影像会产生模糊不清的效果3.TFT液晶显示屏常用的极性变换方式前已述及,液晶分子的驱动电压不能固定在某一个值不变,否则,时间久了,液晶分子会发生极化现象,从而逐渐失去旋光特性因此,为了避免液晶分子的特性遭到破坏,液晶分子的驱动电压必须进行极性变换,这就需要将液晶显示屏内的显示电压分成两种极性,一个是正极性,另一个是负极性当显示电极的电压高于common公共电极电极电压时,就称为正极性;当显示电极的电压低于common电极电压时,就称为负极性不管是正极性或负极性,都会有一组相同亮度的灰阶,所以当上下两层玻璃的压差绝对值是固定时,所表现出来的灰阶是一模一样的不过这两种情况下,液晶分子的转向却完全相反,也就可以避免上述当液晶分子转向一直固定在一个方向时所造成的特性破坏常见的极性变换方式有四种,即逐帧倒相方式、逐行倒相方式、逐列倒相方式和逐点倒相方式,如图1—23所示图l一23液晶显示屏的极性变换方式从图1—23中可以看出,对于逐帧倒相方式,在同一帧中,整个画面所有相邻的点都拥有相同的极性,而相邻的帧极性则不同;对于逐行倒相方式,在同一行上拥有相同的极性,而相临的行极性不同;对于逐列倒相方式,在同一列上拥有相同的极性,而相邻的列极性不同;对于逐点倒相方式,则是每个点与自己相邻的上、下、左、右四个点,极性都是不一样目前常见的个人计算机液晶显示屏,所使用的面板极性变换方式,大部分都是逐点变换方式,___呢原因是逐点倒相的显示品质相对于其他的变换方式要好得多表1—2列出了逐帧倒相、逐行倒相、逐列倒相和逐点倒相四种极性变换方式的性能比较表1—2四种极性变换方式性能比较所谓Flicker现象,就是画面会有闪烁的感觉,但并不是特意做出的视觉效果,而是因为显示的画面灰阶在每次更新画面时会有些微小的变动,让人眼__到画面在闪烁使用逐帧侧相的极性变换方式最容易发生这种情况因为逐帧倒相的整个画面都是同一极性,当这次画面是正极性时,下次就都变成了负极性,假若common电压有一点误差,这时正、负极性的同一灰阶电压便会有差别,当然灰阶的感觉也就不一样,如图1—24所示在不停切换画面的情况下,由于正、负极性画面交替出现,就会出现Flicker现象而其他面板的极性变换方式,虽然也.会有此Flicker的现象,但由于不像逐帧倒相是同时整个匦面一起变换极性,只有一行或一列,甚至于是一个点变化极性而已,以人眼的感觉来说,就会觉得不明显图1—24nicker现象的成因所谓Flicker现象,指的是相邻的点之间,要显示的资料会影响到对方,以至于显示的画面会有不正确的状况虽然Crosstalk现象的成因有很多种,只要相邻点的极性不一样,便可以减少此现象的发生4.TFT液晶显示屏的驱动TFT液晶显示屏是有源矩阵显示屏,因此,其驱动方式与TN、STN液晶显示屏截然不同,采用的是有源矩阵动态驱动法TFT液晶显示屏的驱动方式及电路十分复杂,作为液晶显示屏维修人员,没有必要对其驱动原理进行详细了解,因此,下面仅从图像色彩显示的角度,对其驱动原理进行简要介绍1液晶显示屏图像的显示下面以常见的1024×768分辨率的显示屏为例,归纳一下液晶显示屏显示图像的过程和容易混淆的问题分辨率为1024×768的显示屏,共需要1024x3x768个点来显示一个画面图1—25所示为1024×3X768液晶显示屏驱动框图圈1—251024×3×768液晶显不屏驱动框图如果把一个液晶显示屏平面分成X—Y轴,分辨率为1024x768的显示屏,在X轴水平方向E会有1024×33072列,由8个384路输出的源极驱动器如EK7402来驱动;而在Y轴上,会有768行,由3个256路输出栅极驱动器如EK7309来驱动在液晶显示屏中,每个ITT管的栅极连接至水平方向的扫描线,源极连接至垂直方向的数据线,而漏极连接至液晶像素电极和存储电容显示屏一次只启动一条栅极扫描线,以将相应一行的TFT管导通,此时,垂直方向的数据线送人对应的视频__,对液晶存储电容充电至适当的电压,便可显示一行的图像接着关闭TFT管,直到下次重新写入__前,使得电荷保存在电容上,同时启动下一条水平扫描线,送人对应的视频__依次将整个画面的视频__写入,再自第一条重新写入,此重复的频率称为帧频刷新率,一般为60—70H为便于理解,图I一26给出了1帧栅极扫描__的波形图图1一26帧栅极扫描波形。