液晶顯示原理及驅動IC技術

套話不說了，直接進入正題！以下重點講與半導體相關的驅動IC部分。

1) 平板顯示技術分類？

主流還是穿透式，指光要穿透filter膜層被觀眾看到，那穿透式裡面根據光源種類又分為自發光和非自發光，這個比較好理解，非自發光就是自己沒有光，必須靠外界光源來點亮，比如月亮照亮夜晚的地球。本文所講的LCD就是屬於非自發光，她必須要外借燈管發光穿透液晶和濾光層(CF)才能被觀眾看到。而以前的CRT以及當下火熱的OLED以及LED顯示技術都屬於自發光的類型。具體如下圖。

2) 液晶是什麼？

液晶故名思意就是液態晶體(Liquid Crystal)，首先她的是液態保證她可以扭動。第二個她的是晶體，意思就是排布要有序否則怎麼控制呢。對吧？

所以很多教材介紹都是說她是處於固體和液體之間的一種中間態，不管你怎麼理解吧，必須的滿足上面兩個性質！

最早，她是有奧地利植物學家萊尼茲(F.Reinitzer)與1888年在做苯和脂類實驗的時候發現的，所以首先得出他的身世和分子結構是以碳為核心的有機物。而「液晶」的名字來自於一年後1889年的德國物理學家萊蔓(O.Lehmann)，他發現了這種混濁的液體具有各向異性(Ansiotropic)晶體所特有的雙折射特性，所以他把這種有機物命名為File Bende Krystalle，德語意思為「液晶」。這特雙折射特性就是後來我們講的旋光特性。

再接著到1963年，米國RCA公司(沒錯就是FAB里的RCA Clean發明者)的工程師威廉發現了液晶會受到電器的影響而發生偏轉，同時他也發現光線入射到液晶中會發生折射現象。於是到1968年還是RCA公司的Heil振蕩器部門發表了全球第一個液晶顯示屏。掰手指一算已經經歷了85年，橫跨了植物學、物理光學、電磁學，經歷三個國家之後才把「液晶」和「顯示」聯繫起來了。

再接下來就是1973年日本的夏普公司首次將它運用到電子計算器的數碼顯示而變成商用。

3) 液晶的光電特性？

其實就是分光學和電學特性，液晶顯示必須從這兩個方面入手。一種材料的光學和電學翻譯成物理變數就是折射係數和介電係數，分別代表光穿透的能力以及液晶分子受電場轉動的能力。

先講液晶有向列型(Nematic LC)，層列型(Smetic LC)，還有膽固醇型(Cholestic LC)，而用於顯示的液晶材料是向列型。下面介紹向列型液晶的光電特性。

a、電學特性：液晶分子為細長棒狀結構，延長軸方向有極性(Dipole)，也就是這個分子的一端帶正電一端帶負電，所以我們對這個液晶分子加電壓可以使它發生偏轉。如下圖實驗，兩個平行玻璃板中間加入液晶，兩端加上電壓，當【不加電壓】和【加電壓】時，液晶分子會分別【躺】在玻璃板上或【站】在玻璃板上。

b、光學特性：如萊曼(O.Lehmann)所發現，液晶具有雙折射特性，什麼意思？就是指光的極化方向受液晶分子的旋轉而旋轉！這個很難理解對不對？關鍵在於光的極化方向，下面先講解什麼是光的極化方向？

光有波粒二相性，先是波動性，它是正弦波的方式往前傳輸，那它往前傳輸的能量怎麼來的呢？主要是靠電磁波效應。他是電場和磁場兩個分量交互作用產生的電磁能就是電磁波的能量。而電場的分量的方向就是極化方向，對於普通的光來說(比如太陽光，照明光源等)，它的極化方向是各個方向都有的，所以它的電磁振蕩也是四面八方都有的，這樣的光稱之為非極化光。而如果一束光的電場方向固定不變則稱之為極化光(Polarized light)。人類若要控制光就必須控制光的極化方向，液晶顯示也不例外。那麼極化光怎麼得到呢？用一個光柵過濾一下就可以了，篩選特定電場方向的光就行，這就是偏振鏡的原理，很多肉眼看不見的狹長隙縫組成的。

插個題外話，雖然叫極化光，其實就是偏振光，極化光是西方的名字，當初以為光子也是類似磁鐵一樣由南北極粒子組成，實際是個錯誤的叫法，只是一直沿用了。

那液晶的光學特性就表現在它在電場控制旋轉過程中，能夠改變光的極化方向。一樣還是用玻璃板夾一層液晶來實驗，同樣一束極化光射進來，如果不加電場，由於液晶分子「躺」在玻璃上，所以極化方向沿著液晶分子方向旋轉了，所以輸出就是90度的電場極化光了。反之，如果加了電場，則液晶「站」在了玻璃上，所以原來極化光的方向還是沿著液晶分子方向，所以輸出不變。這就是液晶的旋光特性，它可以旋轉光的極化方向，如果出口是指定的極化方向的話，這就實現了一個「光閥門」的作用！

4) 液晶顯示原理？

理解了上面所述的液晶光電特性，這裡就很容易理解了！

直接把上面實驗的兩層玻璃換成兩個偏光板，入射光就自動過濾成特定方向的極化光了，如果出射光的偏光板的細縫方向和入射偏光板方向垂直，則在不加電的時候，剛好躺下的液晶能夠把光的極化方向旋轉90度，剛好能夠讓光能夠穿過，如果加電則極化方向不變，那麼就出不去了。所以向列液晶屬於NW (Normal White)型液晶。備註：NB (Normal Black)。

那紅綠藍又是怎麼實現的呢？簡單，直接在出射的方向上加一個濾光層(CF: Color Filter)就搞定了。

5) 液晶驅動IC技術及原理？

從第一張的LCD顯示分類看到，最基本的分類有被動式(PM: Passive Matrix)和主動式(AM: Active Matrix)兩種，先講被動式吧，它就是無數個橫向和縱向交叉的Pixel矩陣，通過這些矩陣的交叉點來定位每個pixel需要被打開還是關閉，所以每個特定的Pixel都會有特定的電流流過。這種方法很簡單，但是問題就是電流過大會對邊緣的Pixel產生串擾(disturb)，產生虛影，電流太小則對比度差而且液晶扭動遲緩。如果這種被動式LCD驅動方式則不適用於電腦高速圖形顯示。

而主動式LCD的結構與被動式類似，都是在兩層透明電極(ITO)之間加入液晶，也是分別縱橫交錯的電壓選擇來定位每個Pixel，唯一不同的是，每個單元都引入了一個晶體管(TFT)，由這個TFT晶體管來控制通過液晶的電流的開和關。所以主動式LCD也稱之為TFT-LCD。

好吧，接下來我們就大篇幅的講講TFT液晶顯示的驅動原理吧！

我們的電腦都有個叫做顯示卡的東西，它主要把顯示的每個像素的三原色傳送給驅動晶元，驅動晶元再把這些指令翻譯成液晶流轉電壓輸出給對應的像素，這就是源極驅動器(Source Driver)，而Source Driver的輸出能否被傳輸給液晶像素，還要經過每一個TFT晶體管開關，所以需要另外一個驅動電路來按照一定的始終頻率對應的開啟這個晶體管柵極開關，這就是柵極驅動器(Gate Driver)，所以Gate Driver就是決定顯示像素的位置，通知每一列像素要輸入的資料，而Source Driver則是安排資料的輸入，傳輸給液晶面板。他們各自都是整行整列的選擇的，而交點的地方就是被選中的那個pixel。

那麼問題來了，電腦上有1024*768個像素(實際上還要乘以3倍)，這要一個個像素顯示還不得瘋掉？實際上不是這樣的。平板顯示都是一列列掃描的，意思是先用Gate Driver把一列液晶全部打開，然後每個Source Driver把這一列的所有pixel的灰度翻譯成扭轉電壓一次性輸出給這一列的所有pixel，所以說顯示器是一列列顯示的。所以Gate Driver也叫scan driver，Source Driver也叫Data Driver。

那問題又來了，為啥我們看到的顯示器不是一列列慢慢在變化呢？因為我們人眼能識別的圖形變化時間的靈敏度是24幀，也就是1/24=0.04秒，而我們顯示器通常在60Hz也就是0.016秒就已經完成了所有「列」的掃描了，所以你自然就感覺不到咯。相信大家都有經驗，拿著攝像機拍攝電視屏幕就有閃動的條紋，這就是電視屏幕和攝像機屏幕掃描頻率不一致導致的。

那問題又來了，顯示像素越來越高咋辦呢？掃描速度也不能無限快吧？那就好幾個Gate Driver並行同時干就好了啊！所以一個大屏幕通常都需要好幾個Source Driver和好幾個Gate Driver，當然這完全取決於你的驅動IC有多少個通道(Channel)，Channel數越多則需要越少的IC數量，自然cost就降下來了。以1024*768為例，一個Gate Driver有256個通道，則需要三個Gate Driver來完成。而如果Source Driver一個晶元有384個腳，則Source Driver需要8顆 (因為每個像素還有三個子像素RGB，所以總共是1024*3=3072個pixel)。這就是為啥LCD Driver晶元都是細長條裝的，而且為啥顯示器都有框，現在做無框的就必須把晶元貼著液晶屏做die size封裝了。

液晶是一種有機物鏈狀結構，類似橡皮筋，所以如果某個畫面一直不動的話，那個液晶分子受電場力強迫保持站立的話會導致它老化，所以為了讓他一直動起來，就必須用一定頻率的交流電去驅動它，一般在60Hz~100Hz，太低則閃爍，太高則耗電。因為液晶的扭轉沒有正負極之分，所以如果要讓他動起來，就必須每隔一端時間把他的電壓反過來，讓它反向扭轉一次，只要保持絕對電壓差不變就行，也就是SEG/COM之間的偏壓。什麼叫SEG電極？什麼叫COM電極？(這裡有好多專用名詞~)

因為一個液晶屏有好多驅動IC，每一列的所有晶體管都有一個通道的Gate Driver驅動，所以這一列就叫做COM電極(公用電極)，而這一個公用電極有一整排的晶體管(像素)是靠好幾個Source Driver來驅動的，所以每隔Source Driver負責的那一段就叫做一個Segment，所以Source driver那個電極就叫做SEG電極。

一個柵極驅動IC負責n個公共電極，則一個頻率周期內掃描一個COM電極需要的時間就是1/n秒，這裡面有兩個重要概念：占空比(Duty)和偏置(Bias)。

占空比(Duty): 也叫COM數，由於液晶顯示採用分時動態掃描的，所以在一個周期內要依次掃描完所有的COM (假設是"N"個)，則每個COM的有效選通時間與整個掃描周期的比值就是占空比，它是固定的，等於1/COM數。

偏置(Bias)：這個比較容易理解，就是液晶的扭轉電壓，也就是SEG和COM之間的電壓，實際上它是一個模擬型號的驅動波形，可能你看到的SEG和COM有高有低彎彎扭扭的，但是記住液晶驅動與波形無關，它只與兩個波形疊加之後的凈電壓差有關，而偏置就是各檔模擬電壓中最低檔相對於輸出的電壓最高檔的比例。

一般情況下，Duty和Bias是有一定關係的，Duty數越多，則每個COM的時間就越少，充電時間就越短，而如果要達到同樣的顯示亮度和對比度，則充電電壓就要增加，也就是「選」電平和「非選」電平的差異需要增加，也就是Bias要增加，Duty和Bias的經驗公式：Bias=1/[sqrt(Duty)+1]。

接下來講講驅動電壓吧，上面說過了，液晶驅動波形是交流的，但是這個交流電壓是若干個直流電壓組合而成的，而這各檔直流電壓就是反應Bias比例關係的，而這個各檔電壓值取決於液晶特性和duty數的多少。

先講電源調整電路吧，外部電源首先是固定的，能直接用最好，但是大部分都不能直接用，而且外部電源穩定性也不好。所以還是需要有個電路解決穩定性問題，然後把他調整倒你要的電壓為止，這就是Power Regulator的作用。首先它的有個電壓基準源(Bandgap)，然後用放大器把他放大到指定電壓，但是放大器也是有源器件吧，它放大的energy從哪裡來，必須有個放大電源，所以還需要把原來的輸入電壓通過charge pump升壓電路升到一定得電壓作為放大器的電源。當然所有的電源都這個套路，當然如果是降壓也可以用LDO了，簡單吧！OK了，就是這麼簡單，如下圖！

電源調整講完了，接下來還是電壓，偏置電壓(Bias)！上面講完電源調整電路產生一個非常精準的輸出電壓給LCD驅動電路，可是交流偏置波形需要不同level的偏置電壓，提供給後續的COM/SEG波形產生電路。那麼這個不同level的偏置如何實現？就是我們接下來講的第二個電壓產生電路，偏置電壓。他有兩種實現方式：

1) 電阻分壓：這個簡單吧，中學物理就有。不細講了。但我們要懂一個行業術語，這就是我們講的8位電阻摺疊式DAC，她可以輸出2N=256。這個mismatch是很重要的！

2) 電容驅動結構：電路的部分我就不懂了，意思就是用一個電壓產生一個倍率的電壓疊加。只是這種結構電壓調整電路和電壓偏置部分必須要在一起的，這和電阻分壓偏置是不一樣的。所以電源升壓部分是直接按照Bias的設置產生驅動電壓的，只是這種結構的電容最好用外接電容，晶元內的電容驅動力很差的。

偏置電壓產生了，接下來就是產生交流驅動波形電路了，就是要按照一定的時鐘頻率在特定的時間把指定的電平送給液晶的COM/SEG端使得液晶點亮或關閉。COM/SEG波形產生電路就是一個多路選擇開關，COM driver依照掃描計數器的值，SEG Driver依據顯示數據RAM對應的值，分別從直流分壓電平進行選擇並從相應的COM/SEG引腳加以輸出，合起來就是一個交流矩形方波驅動電路了。(備註：需要一個時鐘電路，還有一個RAM電路)

接下來講講VCOM極性反轉，前面提到過，液晶必須是交流驅動因為它不能保持一個狀態不變，否則會和橡皮經一樣疲軟的。所以雖然你看到的顯示器顯示不變，實際上每個pixel的液晶分子一直在後台做螺旋狀正反扭轉(類似小區健身器材的扭腰盤，O(∩_∩)O~~~)。那麼如何實現呢？其實是把液晶顯示電壓分成了正負兩種極性，我們知道液晶扭轉是不分正負的，那就簡單了，我們讓Bias電壓一直不間斷做正負極性切換就可以了，這就是VCOM極性反轉技術。Inversion又分好幾種，有Frame inversion、Dot Inversion、Row inversion和Column Inversion等。

Inversion變換方式我們暫且不討論，主要考慮閃爍(Flicker)和串擾(Cross talk)等問題，但是Inversion還有個東西必須要討論的，就是Inversion的設計方式我們必須要懂，因為他直接決定了Source Driver的電壓選擇。Inversion設計有兩種，一種是COM電壓不變(DC VCOM)，只是SEG電壓做正負切換。另一種就是COM電壓也變(AC VCOM)。前者的問題是SEG的電壓必須很高，需要為COM電壓的兩倍以上(如果COM是5V，則SEG必須是10V)，也就是Source Driver必須要用高壓製程技術，這樣成本就上去了。但是如果COM也跟著變，那就簡單了，Source就直接5V就行了。

再回來，如果你選擇COM電壓固定不變，你就可以選擇Inversion的任何方式，但是如果你選擇COM電壓變化的話，那你就只能選擇Frame Inversion和Row Inversion了。因為COM電極和SEG電極是不同的ITO玻璃電極，實際製作的時候整片玻璃都是COM電極，也就是說所有的COM是接在一起的，而Gate Driver是整行打開的，如果COM電極是接在一起的話，如果你選擇COM可變的話，是無法在一行TFT上同時顯示正極性和負極性的，所以你只能選擇Frame和Row Inversion兩種技術。

5) Gamma矯正電路：

首先，我們知道電腦的RGB三種顏色，每種顏色又分成了256個色階(Gray Scale)，每個灰階其實就是對應液晶扭轉量的變化，透光的多少。然而，電路就是電路，0~255個色階，等效為驅動電壓的256個等分，所以產生了下面這個透光率與偏置電壓的特性曲線。

然而模擬的世界總是那麼讓人琢磨不透，人眼對光線的感知是非線性的(韋伯定律)！這句話是不是很難理解，套用《知乎》上的一篇好文《色彩矯正中的gamma值》，人不是物理測量儀器，我們用感知是不可能測出某事物具體的物理量的，但是我們可以通過比較，來感知世界。以光為例，若在一小黑屋中，點亮了一支蠟燭A，這支蠟燭對屋內的貢獻是顯著的，在視覺上也感受到極大的明度提升。但是若是屋內已經點亮了1000支蠟燭，此時再點亮一支蠟燭B的話，從物理能量貢獻上，這支新蠟燭B與蠟燭A的物理貢獻是一樣大的，但是在人的視覺中，B引起的「明度」變化，遠遠不如A。為什麼呢？因為對於某事物，同樣的變化量a，總量少的時候，變化顯著，容易被人感知，事物總量大了，再變化同樣的a，就不那麼容易被察覺了。簡單點就是突變才能被感知，溫水煮青蛙到死也不明白的！攝影的單反相機，光圈開大一檔，光線進光量增加一倍！地震級數增加一級，能量放大32倍！就是這個道理！

先普及一下，我們看到的任何物體的顏色都是該物體反射的光進入我們的眼睛。白色反射率100%，黑色0%。所以一份黑色一份白色摻在一起就是灰色，那應該就是50%的反射率咯！對不起，你錯了！她的反射率只有17.68%，而17.68是根號下312.5！所以國際標準：人心目中看起來中灰的色塊，其物理亮度值大約在白色塊的20%左右。其實這也是一個20/80法則！在黑暗的情況下，稍微有點光就能讓你非常刺激，可是達到20%之後，光線對你的刺激就沒那麼大了，所以需要加大光線量。於是就有下面這張人眼感應灰階對自然界線性光的關係圖。

好吧，現在如何來解決我們LCD灰階電壓的問題了？再來韋伯定律，輸出等於輸入的指數冪函數，而這個冪就是Gamma。

於是我們給gamma取不同的值，得出各條Curve，哪一條最接近上面那張圖呢？就是Gamma等於2.2的時候。所以LCD driver的Gray Scale灰階電壓不是直接等分成256份，而是需要做Gamma等於2.2的指數冪調整才能滿足人眼的感知。

那麼這個Gamma矯正怎麼做的呢？她需要把原來的256等份電壓和Gamma Curve疊加之後矯正成最後的電壓，如下圖Gamma校正模型。

6) TFT-LCD液晶顯示器的結構？

如前所述，液晶顯示所用的液晶雖然都是向列型(Nematic)，但是細分還有扭轉向列型(TN: Twist Nematic)和超扭轉向列型(STN: Super TN)，兩者區別就是旋轉角度不一樣而已。前者只能轉90度，而後者可以轉270度，而反應在電壓控制旋光特性上，就是下圖所示的TN的電壓曲線比較緩慢，所以電壓範圍比較大，而STN的電壓比較陡峭，所以電壓範圍比較小。所以TN型液晶因為電壓範圍比較大佔了優勢，因為灰階可以拉的比較開。而STN就只能到4位，16個灰階了，相比之下TN型就可以到6~8位，就是64~256個灰階了。

還有個不同就是反應時間，轉90度肯定比轉270度快，所以還是TN型完勝。一般TN只需要30~50ms，但是STN就要到100ms了。

7) TFT-LCD技術：

TFT-LCD就是AM-LCD的實現方式，她主要是有一個TFT晶體管做Gate選擇開關，還有一個存儲電容(Cs)，當TFT的Gate Driver輸入一個電壓打開TFT晶體管的時候，Source Driver的電壓可以通過TFT的Drain-to-Source給Cs電容充電，而當TFT的Gate關閉的時候，Cs電容存儲的電壓就可以繼續給液晶Bias供電維持亮度。接下來我們就來講講這個TFT transistor和Storage Capacitor：

a、先講TFT-Transistor：它其實就是半導體器件裡面的一個MOS開關(三端的)，只是他的溝道不是單晶硅而是多晶硅。而且結構上它的Gate不像普通MOS在上面，而是在下面，所以叫做「逆疊型MOS」 (Inverted Staggered)。原理類似MOS管，我就不說了。

還有就是這個溝道的多晶硅有兩種材料，Amorphous (α-Si)和LTPS(低溫多晶硅)兩種。其實就是跟我們FAB做的Poly Gate材料一樣，我們0.25/0.35um用的就是非晶硅，而0.18um用的就是多晶硅，前者晶格沒有規則大小和排列都無序，所以電子遷移率比較小，驅動電流自然就跟不上，充電速率慢，那後者多晶硅就完美的解決了這個問題了。

b、再講Cs(Storage Capacitor) 存儲電容：一般存儲電容有兩種結構，因為電容位兩端，High端肯定要和液晶的VSEG段一起接在TFT的Source段，而Low段自然要接地，常規的理解他可以和液晶的VCOM接在一起 (叫做「Cs on Common」)。另外，還有一種接法就是把low段和下一列的Gate線接在一起（叫做「Cs on Gate」 ）。那麼這兩者有何區別呢？

從圖中可以看出，Cs on Common結構需要額外一根接地線，所以浪費面積啊，會影響發光面積(也就是開口率)。但是Cs on Gate也有一個缺點就是當下一行Gate被打開的瞬間，電容的電壓就瞬間抵消了，但是這個時間很短只有20us(它瞬間關閉，存儲電容電壓就又恢復了)，而顯示的時間是16ms，所以那一瞬間人眼是不知道的。所以大多數存儲電容都是採用Cs on Gate的方式。

值得一提的是液晶其實也是一種電容 (CLC)，它的上下電極板對應的就是SEG和COM，只是這個電容太低好像只有0.1pF，無法用來存儲電荷，必須要用Cs，貌似是0.5pF吧(大家再確認一下)，只是它和Cs都接在相同的電壓上。

8) TFT-LCD的驅動電路系統：

前面把每個模塊都講完了，這裡把她們串起來總結一下吧。一個顯示器包含兩個驅動電路，Gate Driver和Source Driver，而Gate Driver相對比較簡單，只要有時鐘頻率和高壓就可以了，所以它的電路需要一個邏輯電路和高壓電路，通常這個高壓需要32V~40V以上，而Source Driver的電壓主要取決於液晶的扭轉電壓，一般小屏幕是5~13.5V，而大屏幕需要18V。而對於小屏幕的手機而言，它的cost很重要，所以現在基本上Gate Driver和Source Driver合在一起了，所以反而小屏幕的驅動IC電壓比較高。

而對於一個Source Driver IC來講，電路就比較複雜一點，它不像Gate Driver只要輸出一個固定電壓開關即可，它需要精準的輸出256個scale灰度，還要不斷的做反轉等。

9）如何從LCD過渡到LED時代？

現在的顯示技術已經逐漸從LCD到LED了，難道說LCD技術就不用學了嗎？不是哦，其實LCD的驅動理念完全可以繼續到LED上去。我們知道的是LCD是靠Bias電壓來驅動液晶分子扭轉，但是LED是靠電流驅動的，正負電荷複合釋放光能。那麼如何把LCD驅動改裝成LED驅動呢？很簡單，我們LCD輸出的是電壓，那我們就把這個LCD輸出的電壓再負載一個晶體管，作為該晶體管的Gate輸入，而把這個晶體管的源漏輸出作為電流給LED就可以啦。

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