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LCD Driver技术简介及发展趋势

摘要：本文详细探讨了LCD驱动技术的发展趋势及设计人员应注意的一些问题。

关键词：液晶显示器；驱动器；薄膜晶体管

“LCD Driver”是一个范畴相当广的话题，LCD的驱动类型大体可区分成

TN(Twisted Nematic)、STN(Super-Twisted Nematic)、以及TFT(Thin-Film Transistors)等三类，其中TN LCD多使用在仪器仪表等简单的对图像品质要求不高的数字显示屏上，而TFT LCD则适用于小至数码相机的显示屏，大至数十英寸的液晶平板电视。

仪器仪表需要LCD驱动IC，大尺寸液晶显示也需要驱动IC，然而不同类型、不同尺寸的LCD却必须搭配不同的驱动IC，没有一种LCD驱动IC可以满足各种类型、各种尺寸的驱动需求，因此在谈论LCD驱动IC时必须有更明确、更具体的范畴定义，才能够完整说明与讨论。

如今，有关TN、STN 之类的LCD驱动IC 其技术已相当成熟，技术发展与市场成长都达到一定程度，国内的IC 设计业者逐步跨入此领域，这就迫使日本、韩国、台湾的驱动IC设计业者朝更高技术性的LCD驱动IC发展，从TN、STN 转向TFT，从小寸数转向大尺寸。本文侧重介绍LCD TFT驱动技术。

LCD显示原理

TN型液晶显示原理

TN型的液晶显示技术是液晶显示器中最基本的，而之后其它种类的液晶显示器也是在TN型基础上加以改良。其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子

棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应，简称TNFE(twisted nematic field effect)。在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成。

图1 LCD Driver系统

STN液晶显示原理

STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。

在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片(color filter)，并将单色显示矩阵之任一像素(pixel)分成三个子像素(sub-pixel)，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。

TFT液晶显示原理

TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括：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。

LCD驱动芯片的作用与分类

通常在个人电脑等电子设备中都集成了液晶显示器和对应的驱动芯片。液晶面板上的图像显示是通过驱动芯片提供的模拟电压来实现的。LCD驱动芯片通过模拟电压输出直接驱动显示面板，因而它的性能将直接决定LCD器件的显示效果，另外由于它具有大量高电压模拟输出引脚、高速低振幅数字信号输入等特点而成为了当今的技术热点。

图2 NS公司的TFT LCD驱动IC：FPD33684，该驱动晶片强调低EMI、低功耗并支持RSDS介面，适合用于笔记型电脑或桌上型液晶显示器上。()

目前比较常用的是STN和TFT的LCD显示器件。由于TFT是发展的趋势和主流，后文中我们将主要针对TFT的LCD驱动芯片来谈谈此类IC。驱动TFT的液晶显示器需要使用Gate Driver和Source Driver两种驱动芯片，其中Source Driver负责提供列上各色素点的驱动电压，而Gate Driver控制每一行像素的选通状态。另外，从应用的角度来看，工业产品或便携式产品的LCD显示设备的应用主要分为大屏幕(大于9英寸)和小屏幕(小于9英寸)的应用领域。通常情况下，小屏幕应用时通常会选择Source Driver和Gate Driver复合在一起的Controller Driver来驱动，而大屏幕设备通常使用二者分离的驱动方式。

LCD控制驱动器的设计与开发

图3 在手机用的TFT LCD驱动芯片上EC有其独到的界面传输技术：Mobile MCADS，优点在于缩减线路数与降低EMI杂迅，图中粉红色即是NEC电子的LCD驱动芯片的位

置

在多路驱动方式中，像素可分为选择点、半选择点和非选择点。为了提高显示的对比度和降低串扰，应合理选择占空比(duty)和偏压(bias)。施加在LCD上所表示的ON 和OFF时的电压有效值与占空比和偏压的关系如下：

Vo:LCD驱动电压

N:占空比(1/N)

a:偏压(1/a)

多路驱动方式可分为点反转驱动和帧反转驱动。点反转驱动适合于低占空比应用，它在各段数据输出时，将数据反转。帧反转驱动适合于高占空比应用，它在各帧输出时，将数据反转。

对于多灰度和彩色显示的控制方法，通常采用帧频控制(FRC)和脉宽调制(PWM)方法。帧频控制是通过减少帧输出次数，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。而脉宽调制是通过改变段输出信号脉宽，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。

图4 TFT驱动方式

显示方式从简单的段式、点字符式到复杂的点阵式、阶调式的变化。显示颜色从黑白逐步变化到彩色。显示屏从小到大，响应时间逐步缩短，目前STN显示器在成本及消费电流方面有优势。TFT显示器在对比度和动画对应速度方面有优势。作为LCD驱动器标准电路生产厂主要有NEC 、EPSON、三星等公司。

LCD驱动器基本构成由以下部分构成：

控制部分：

TopDown(自顶向下) 逻辑电路