LCD液晶屏从原理到运用知识全解

驰宇微科技专业人员为你讲解LCD液晶屏从原理到运用知识全解

1．液晶

（1）.什么是液晶

（2）.液晶的由来

（3）液晶的种类

2．液晶显示器

（1）.何谓液晶显示器

（2）.液晶显示器的优缺点

3．LCD 的分类

（1）LCD 的结构、工作原理及主要技术指标

5．LCD 发展前景

6．关于 TFT

1.什么是液晶

（1）.什么是液晶

众所周知，物质有三态：固态、液态和气态。 有些物质、它们在从固态转变成液态的过程中，不是直接从固态变为液态，而是给一种中间状态。各种能在一定的温度范围内兼有液体和晶体的特性的物质叫做液晶（Liquid Crystal） 也叫做液晶相、中间相或中介相等，又称为物质的第四态。

（2）.液晶的由来

液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）于 1888 年发现的。 1889 年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann）将正式它命名为“液态晶体”。这就是液晶的由来。

（3）.液晶的种类：

从成分和出现液晶相物理条件来看，液晶可分为热致液晶和溶致液晶两大类。 根据液晶分子的不同排列方式，可分为三大类：即向列液晶、胆甾相液晶和层列相液晶三大类。

（4）.向列液晶：

向列液晶的分子种类的重心混乱无序，使它象普通液体一样可以流动，但分子杆的指向矢大体一致。

（5）.胆甾相液晶：

在胆甾相液晶中，分子的重心排列是无序的，但分子的指向矢在一个平面内大致指向一个方向。在垂直于这个平面上的方向上。分子的指向矢会旋转形成螺旋结构。

（6）.层列相液晶：

在层列相液晶中，分子形成一层一层的结构。分子层的厚度大约是一个分子的长度。分子垂直于分子层平面排列，分子的重心在分子层中是无序的，形成一层层的二维流体。 只有热致液晶才能做为显示器材料。液晶分子的排列并不象晶体结构那样牢固，容易受到电场，磁场、温度应力以及吸附杂质等外部影响。因而容易使 其各项光学特性发生变化。液晶的这种作用力微弱的分子排列正是液晶有今日之广阔市场的关键条件。

2．液晶显示器

液晶具有固定的偶极矩，所以施加电场可使 液晶分子轴发生移动，于是液晶分子的排列发生改变。从而改变其光学性质来达到其显示的效果。这是液晶做为显示器的基本原理。

（1）.何谓液晶显示器：

利用液晶的各项电光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等分界条件的变化在一定条件下转换成为可视信号制成的显示器，就是液晶显示器。液晶显示器的英文为 Liquid Crystal Display 通常用 LCD 来代表液晶显示器，液晶最早在 1968 年5 月美国 RCA 公司用于显示器的制造，到目前广泛的应用于钟表、计算器、仪表仪器、笔记本电脑、移动电话、寻呼机、电子宠物、袖珍彩电、大型平板显示器、投影电视等家用、工业用和军事用显示领域。

（2）.液晶显示器的优、缺点：

1.平面型显示、体积小、重量轻、便于携带；

2.功耗低、驱动电压低；

3.寿命长，一般在 5 万小时以上；

4.不含有害射线，对人体无害；

5.易于驱动，可用大规模集成电路直接驱动；

6.结构简单，没有复杂的机械部分；

7.造价成本低。

8.随着液晶显示器的广泛应用，人们也可以发现其有些缺点：

9. 由于它是被动元件，本身不发光，在暗处需借助其它的光源才具有可视性；

10.有视角之限；

11.应答速度（30ms-120ms）与其他元件相比尚嫌差些；（现在一般的液晶TFT显示器应答速度为 2-8ms）

12.寿命尚未能成为半永久性元件。

3．LCD 分类

（1）.液晶显示器的种类很多，按显示方式可分为透射及反射的直视型显示器。

（2）.透射型 LCD 背面装有荧光灯，电致发光极等光源。因而在昏暗的环境光下也能使用。

（3）.反射型就是一种将铝箔光反射片贴在 LCD 背面玻璃基板的外面，使其反射 LCD 的入射光，用于显示。在 TN 和 STN 模式中，背面玻璃基板上贴有偏光片和表面有皱纹状的反射片，这种反射型充分发挥了非发光型 LCD 耗电少的特点。

（4）利用光电效应制作的 LCD 大致分为以下几种 TN-LCD 和 STN-LCD、HTN-LCD、FSTN-LCD、TFT-LCD.

（5）TN-LCD 就是扭曲向列液晶显示器。我们通常所见到的电子表，计算器、游戏机等 LCD 大都是 TN-LCD.

（6）.STN-LCD 是 Super Twist Liquid Crystal Display 的简称。即超扭曲向列型 LCD. 它与 TN-LCD 的结构相似，不同的是它的扭曲角不是900，而是在 180~270 之间，虽然仅仅是扭曲角不同，它的工作原理同 TN-LCD 完全不同。STN-LCD 是目前 LCD 生产的中档产品。它是有比 TN-LCD 显示信息量大等特点，它主要用于多种仪器仪表、汉显机、记事本、笔记本电脑等。STN-LCD 的制造工艺基本成熟，但主要技术掌握在日本、韩国等少数国家手中，国内现有十多家STN-LCD 制造公司。

（7）.HTN-LCD 是 Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display 的简称。即高扭曲向列型液晶显示器，HTN-LCD 的扭曲角在 1000~1200之间。TN-LCD 和 STN-LCD 之间。HTN-LCD 目前数量并不多，其性能也介于 TN-LCD 和 STN-LCD 之间。

（8）.FSTN-LCD 是 Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display 的简称。这里 Film 是指补偿膜或延迟膜，所以 FSTN-LCD 称补偿膜超扭曲向列型液晶显示器。通过一层特殊处理的补偿膜，能够克服

STN-LCD 的缺点。

（9）TFT-LCD 即薄膜晶体管的有源矩阵 LCD，它是目前 LCD 市场中最

高档次的产品。它主要用于笔记本电脑，液晶彩电等。TFT-LCD 的制

造工艺比较复杂，价格比较高。

4．LCD 的结构、工作原理及主要技术指标（以德信 TN-LCD 为例）

（1）.LCD 的结构。

①偏光片；②基板玻璃；③SIO2 隔阻层；④电极；⑤定向膜；⑥封接框；⑦

过渡电极；⑧液晶；⑨反射片；⑩封口胶；○11 间隙子

（2）. LCD 的工作原理

要了解 LCD 的工作原理，我们首先须了解光。这是一种电磁波。即电磁场以

波动的形式传播的。人眼可见的光的波长范围大致在 380 纳米至 780 纳米之间。

通常光是沿直线方式传播的，光波的振动方向垂直于光的传播方向。对自然光（如

太阳光）来说在垂直光传播方向的各平面内，光波的振动方向随机均匀分布的。

如果光波振动的方向是沿一个方向，这样的光线称为偏振光，这个振动方向称为

偏振方向。偏振方向与光波的传播方向形成的平面称为振动面。

偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向一致的光通过。而振动方向

与偏光轴垂直的光将被其吸收。偏振光经过液晶盒后再经过偏光片（称为检偏器）

射出。这样光是否通过检偏器多少，取决于线性偏振光经过液晶盒后的偏振状态。

从而控制最后透过检偏器的光状态来实现显示的。具体的说，TN 型液晶盒内液液晶分子形成一种扭曲结构。在一定条件下入射光的偏振将顺着液晶分子的扭曲方向旋转。液晶分子长轴扭曲 900导致 900的旋光

（3）当对两块玻璃片上的电极施加一定大小的电压后，液晶分子就转变为垂直于上下玻璃片排列，扭曲结构消失，导致旋光作用消失，这种电光效应就为扭曲电场效应。 对于白底黑字型的液晶显示器，上下偏振片是正交放置的。即偏光轴相互垂直，入射的自然光经起偏器后变成平面偏振光。在液晶盒未加电场时，偏振光将顺着分子的扭曲结构扭曲 900，振动方向变成和检偏器的偏光轴一致，因此可以顺利通过检偏器，这时显示器呈透明状态，处于非显示状态，同时驱动电路将驱动信号电压加到需要显示的有关电极上时，该部分液晶分子扭曲结构消失。丧失了旋光能力。从起偏器出的偏振光未经改变就直达检偏器。由于其偏振方向与检偏器轴方向垂直。偏振光将无法透过检偏器，这样该通信号电压的部分电极将呈

黑色，呈显示状态。

5.LCD 的主技术指标

（1）.电光响应特性：

液晶显示器的相对透光率随着外加信号电压变化而变化，就是电光响应特性，这是最重要的特性之一。

（2）.对比度：

液晶显示器的对比是显示状态和非显示状态相对透光率的比值，当对比度≥5 时，图象清晰。

（3）.LCD 的对比度跟视角（即人眼观察角度）有关。对比度随观察角度变化的特性称之为视角特性。视角特性指标。一般取定一个对比度的最小可接受值，来考察对比度大于这个值的视角范围，这个范围称为视角锥。例如 LCD 的对比度=3 的视角值时。其上视角为 100，下视角为 400，左右视角为 300。视角即观察方向与显示器件法线的夹角。视角方向（最佳视角象限）：扭曲向列型液晶显示器有一个最佳视观方向，一般的前视角（正视角）都从这个方向的θ角来确定。

（4）.视观方向一般以指针式时钟钟点的位置来表示：θ1 表示前视角（正视 角），一般最大 450。θ3、θ4为左右视角，一般为±300。 LCD 与其他显示器相比，缺点之一是其视角范围较小。如果盒厚与液晶折射率各向性的乘积△n*d=0.5微米左右，则器件的视角特性会有较大的改善。但其制造环境要求比较苛刻。 4-3-4 响应时间： LCD 经常显示不断变化的图象。人眼的反应时间大约为几个毫秒。故显示图象的变化以外加信号电压变化的响应不应低于这个速度，描述液晶显示器动态特性的响应时间，通常用三个常数等表示延迟时间，上升时间和下降时间。

（5）功耗：

功耗是 LCD工作所消耗的能量，一般在微瓦/平方厘米量级，功耗低是LCD 最大的优点之一。LCD 功耗的大小取决于显示面积，驱动电压及频率、液晶的电阻率、介电常数和盒厚等。其中液晶的正电阻率很容易随液晶被污染而急剧下降。故液晶的妥善保存至关重要。

6．LCD 发展前景

1.资讯时代的产品要求倾向于轻、薄、节能的趋势。在显示方面，趋向于彩色大尺寸化、平面化。LCD 凭自身的优势，正在以迅猛的进度占领显示器行业的市场。自 1968 年美国 RCA 公司制造第一台 LCD 到现在短短的三十多年，已经用到电子表、计算器、游戏机、传呼机、导航系统显示、投影机、电子手帐、电脑、电视机等各个领域。以由原来欧美几个国家独家生产到目前几十个国家和地区共同开发生产。在今后几年内，LCD 将成为显示器的主导。现最早生产 LCD 的美国、德国已先后关闭退出竞争，后来者居上的日本，以其雄厚的社会资本及最强的半导体工作环境，襄括了全球70%LCD 产品的供应，目前全球LCD制造业主力主要集中在亚州地区，如日本、韩国、香港、台湾，新加坡及中国。

2.TFT 型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括了，萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。

（1）.背光分类：CCFL （冷阴极荧光灯） VS LED （发光二极管）

（2）.CCFL背光 ：可以用多种构架产生CCFL所须的交流波形，包括：自激（Royer）,半桥，全桥和推挽。 自激（Royer）架构 Royer 架构的最佳应用是在不需要严格控制灯频和亮度的设计中。由于 Royer 架构是自激式设计，受元件参数偏差的影响，很难严格控制灯频和灯电流，而这两者都会直接影响灯的亮度。正因为此，Royer 架构很少被用于 LCD 电视，尽管它是本文所述四种架构中最廉价的。

（3）.Royer驱动器简单，但不太精确。

全桥架构最适合于直流电源电压非常宽的应用。最适合于直流电源电压非常宽的应

用。相比全桥，半桥架构最大的好处是每个通道少用了两只MOSFET (图3)。但是，它需要

更高匝比的变压器，这会增加变压器的成本。还有，如同全桥架构一样，半桥架构也可能会用到p 沟道MOSFET。 

推挽架构

最后我们来考虑推挽驱动器，这种架构只用到n沟道MOSFET (图4)，这有利于降低成

本和增加逆变器效率。它很容易适应较高的逆变器直流电源电压。采用更高的逆变器直

流电源电压时，只需选择具有合适的漏-源击穿电压的 MOSFET 即可。不管逆变器的直

流电源电压如何，都可采用同样的CCFL控制器。推挽架构最大的缺点是，要求逆变器

直流电源电压的波动范围小。 推挽驱动器非常简单，还可精确控制。

（4）.LED背光

现在我们所用到的小尺寸的屏都是白光LED做背光源，以下是典型的L

（1）利用升压DC/DC 驱动LED，一般单灯只需要3.3V驱动。

（2）（2）利用IO 口产生PWM驱动LED 综上说述，CCFL背光驱动电路复杂，耗电大，容易产生干扰，但是CCFL的屏比较便宜。LED屏背光驱动电路相对简单，省电，且对电路干扰小，但是LED屏较贵。

（3）分类：模拟 屏VS 数字屏

模拟屏和数字屏就屏本身来说是没有区别的，主要区别是在电路上。加到液晶

屏象素上的肯定都是数字信号。在屏的边缘有很多行列驱动 IC，就是所谓的驱动器。在屏后面的电路板上主要是控制器，控制器将收到的信号转换为符合驱动器时序要求的驱动信号，送给驱动器，点亮相应的象素。 模拟屏和数字屏在这写部分是一样的，他们的区别主要在于输入上。数字屏直接输入数字信号，RGB 每种颜色信号都被视频处理电路转换若干位数字信号，直接送入屏上的控制驱动器，A/D 转换是在前面的电路中完成的。而模拟屏输入是三基色模拟信号输入，它的 A/D 转换是在液晶屏上的电路中完成的。 比较直观的区别模拟屏于数字屏：一般模拟屏 PIN 脚（26P）少于数字屏（40P）

3．LAYOUT 注意事项

数字屏接口LAYOUT时注意红色标记部分要尽可能的粗短，滤波电容靠近屏接口。

模拟屏接口电路：

R G B信号走线远离数字信号，VCOM信号纹波尽量小。

相关知识：分辨率

分辨率:是指屏幕上每行有多少像素点、每列有多少像素点，一般用矩阵行x列来表示，LCD的分辨率一般：SVGA显示模式800点×600行的和XGA显示模式1024点×768行的，VGA：640×480 QVGA：320×240 LCD 屏 VCOM 的作用 如果一直显示静止的图像，液晶电极上的电压就会一直不变，当撤销电压时，液晶很难回复原状，容易造成液晶损坏。解决这问题的方法就是改变液晶的控制电压的极性，也就是说即使是静止的图像，液晶电极上的电压也一直在翻转。一般的LCD 都采用行翻转的形式，通过改变公共端的电压极性 VCOM 而达到翻转的目的。 TCON IC 一般会送出一个 M 或者 POL 的信号，我们用这个信号产生 VCOM，一般的转换电路使用非们或者运方电路。通过调节 VCOM 的 DC 端，我们可以改变 LCD 的色彩，调节 AC 端，可以改变 LCD 的对比度。也许是由于行翻转的缘故，有的 LCD 会产生水平的条纹（Flicker 现象）， 数字屏的 VCOM 由屏产生，通过 IO 口调整值。

TFT LCD 常用信号解释：

LED_Cathode/LED_Anode：LCD 背光电源供电

M/POL：液晶驱动极性转换型号，用于产生 VCOM 信号

RESET：全局复位信号

CS/SCL/SDI：LCD TCON IC 的配置端口

DATA[0:23]：LCD RGB24BIT 数据信号，一般我们使用 16BIT,因为在人的肉眼观

察下 16BIT 的色彩和 24BIT 的色彩没有太大区别，而 16BIT 所需处理的数据量比

24BIT 小很多，一般情况我们把剩余的地位数据线连接到高位。

HSYNC：水平同步时钟信号

VSYNC：垂直同步时钟信号

DOTCLK：象素时钟信号

VDD：数字电源，一般是 3.3V

AVDD:模拟电源，一般是 5V

VGL:GATE OFF 控制电压

VGH：GATE ON 控制电压

VCOM:LCD 公共驱动电极

ENABLE：data enable 信号