TFT LCD的显示原理

一、TFT 架构

前面的文章已经讲解了TFT结构和液晶的特性，现在我们就开始讲解TFT LCD的显示原理。在讲解显示原理之前，先来了解一下TFT的架构。画面(比如看这篇文时的这个页面)是由像素(Pixel)构成，一个像素通常由红、蓝、绿三个子像素(sub-pixel)构成。有人说我们怎么没有看见屏幕是白色的没有红绿蓝三个颜色啊。那是因为屏幕的像素点很小，人眼达不到怎么高的分辨率，然后红绿蓝像素点发出的光送到眼睛这里时已经实现了三原色混色了，所以我们看不见红绿蓝颜色而是看见的白色。

不同的量的三原色可以混出不同的颜色，但是液晶是怎么实现不同量的三原色的呢?前面文章讲过液晶加不同的电压他的选择程度不一样，而导致透光率不一样，透光率不一样就会使三原色的量不一样，从而达到显示不同的颜色。每一个像素的架构如图2.1。一个面板中一行将所有的TFT栅极接在一起，将一列的漏极接在一起。其中Cls是液晶电容，Cst是存储电容，VCOM是公共电极。

图1.1TFT架构

当栅极给一个满足导通要求的高电平，TFT导通，给液晶充电，然后关断TFT，液晶电容电位保持。

二、极性反转

2.1极性反转

施加在液晶分子上的电场是有方向性的，若在不同的时间，以相反方向的电场施加在液晶上，即称为“极性反转”。液晶必须以“极性反转”的方式来驱动，原因有以下：

(1)取向膜(orientaTIon layer)的直流阻绝效应(DC blocking effect)

图2.1液晶与取向膜的结构及其等效电路

CoL是取向膜电容，RoL是取向膜电阻，CLC是液晶电容，RLC液晶电阻它们的关系如下：

≈100;≈1000;

当加直流电压时，电容视为开路，电阻在电路中起主导作用，根据串联分压公式得：

以直流驱动液晶，绝大部分的的电压差会产生在取向膜上，无法改变液晶分子的排列，因而也不能控制光阀。

当加上极性反转的电压时，频率合适的情况下，电容在电路中起主导作用，根据串联电容分压公式得：

以极性反转电压驱动液晶，绝大部分的的电压差会产生在液晶上，可以很好的控制控制光阀。

(2)可移动离子(mobil ions)与直流残留(DC residue)

施加电场时，如果没有极性反转，可移动离子会趋向一个电极移动，使某

一面上形成带电离子，与另外一面极性相反的电荷形成内部电场，影响液晶的排列方式。

当不施加电场时，液晶的排列也会因为内部电场而变得与原始排列状态不同，这种状况被称为“直流残留”。

为了避免直流残留发生，必须使施加电压的平均值为0。

图2.2直流残留的明显效应

2.2极性反转的方式

图2.3极性反转的方式

在一个帧写入结束，下一个帧写入开始之前，如果整帧上的像素所存储的电压极性都是相同，称为帧反转。它的相邻像素保持相同的驱动极性，使得相邻的光学响应波形不存在108°的相位差，所以不能实现空间融合法来消除闪烁成分。根据电容充放电的功耗消耗公式P=(1/2)fCU2，而帧反转的极性反转时间是一帧的时间，相对而言帧反转的功耗低。

列反转驱动方式表现为，相邻数据线上对应的子像素以列为单位正负极反转。这种驱动方式，相邻两列的闪烁波形之间也存在180°的相位差，一定程度上起到了抑制闪烁的作用。但是每一列上所有子像素的闪烁波形之间没有相位差，很容易引起纵向的线闪烁。列反转的极性反转时间是一帧反转的时间，消耗的功耗与帧反转一样。

行反转是与列反转相对应的， 相邻数据线上对应的子像素以行为单位正负极反转。这种驱动方式，相邻两行的闪烁波形之间存在180°的相位差，一定程度上起到了抑制闪烁的作用。但是每一行上所有子像素的闪烁波形之间没有相位差，很容易引起横向的线闪烁。行反转的极性反转时间是一行变化的时间，相对而言行反转消耗的功耗比较高。

在同一帧画面下，每一个点与自己相邻的上下左右四个点保持相反的极性，这种驱动方式就叫点反转。在接下来的一帧画面下，所以子像素的电压极性同时反转，相邻子像素继续保持相反的极性。点反转驱动方式在闪烁的空间融合上做得最细腻，细化到每个子像素，所以具有最佳的闪烁抑制效果。点反转的极性反转时间与行反转一致，所以消耗的功率也是一样的。

三、显示原理

液晶显示的采用的是逐行扫描的形式。如图3.1，在t1时刻，紫色那一行给高电平，TFT导通，数据给紫色那一行的液晶电容充电。在t2时刻，紫色那一行给低电平，黄色那一行给高电平，数据给黄色那一行的液晶电容充电。在t3时刻，黄色那一行给低电平，天蓝色那一行给高电平，数据给天蓝色那一行的液晶电容充电。以此类推，直到把一帧扫描完后，才又从第一行进行扫描第二帧。总的来说，同一行上的像素电压在相同时间经由不同的数据线写入;同一列上的像素电压是经由相同的数据线在不同的时间写入。

图3.1逐行扫描示意图

说到这里，大家玩过单片机，就知道我们在控制LED点阵屏幕的时候就跟液晶扫描的方式是一样的。跟数码管扫描方式也是一样的，数码管有段选和位选就跟液晶的数据线和扫描线一样的。只不过数码管叫动态扫描，数码管还有一种方式叫静态扫描，意思是每个数码管书独立控制的，而不是一个一个来回扫描来实现显示，这种方式就消除了闪烁问题，显示效果非常好，但是这样需要很多的控制信号来进行控制。同样的道理液晶也可以这样每一个像素点都可以单独控制，但是会导致控制信号线特别多，成本飙升，体积降不下来。