1.1 液晶电视机的结构和工作原理

1.1.1 液晶电视机的结构特点

液晶电视机是采用液晶材料制作的显示板作为显示器件，液晶显示板是薄板型的显示器件，因而它也被称为平板电视机。图1-1所示是液晶电视机的整机构成，图1-2所示是液晶电视机的内部电路结构。图1-3所示是液晶显示板的基本结构，由图可见，它与显像管显示器有很大的不同。因此，显像电路也与显像管电视机有很大的不同。而电视信号的接收电路，视频解码电路，伴音电路、视频信号的处理和接口等电路与显像管电视机的电路是基本相同的。

从图1-3所示的液晶显示板的基本结构可见，液晶电视显示器的显示板为薄板型，因此它可以利用显示板后部的空间安装电子线路板，电源供电部分可以直接安装在液晶屏的后部，使整体结构轻、所占空间小、摆放位置灵活，给使用带来了很大的方便。

液晶显示板本身是不发光的，因此在液晶板的后部（背部）设有照明光源（灯管）。为了使图像的亮度均匀，要安装多个背光灯并设置反光板、散射板、反射/折射板，使背部光均匀。这一部分是液晶电视机特有的部分。

1.1.2 液晶显示板的结构和显示原理

液晶电视机的显示器件主要是由彩色液晶显示板构成的，其结构如图1-4所示。它是由很多整齐排列的像素单元构成的，每一个像素单元是由R、G、B三个小的三基色单元构成的。

图1-5所示是液晶显示板的分解示意图。它主要是由两玻璃基板之间夹上液晶材料，再配上偏光板和控制电机构成的。液晶显示板是液晶显示器的主要部分。液晶显示板通常与驱动集成电路制成一体化组件。从背面可以看到驱动集成电路及其安装部位，如图1-6所示。由于专用集成电路的开发，给安装、调整和维修提供了很大的便利。

图1-7所示是液晶电视机显示屏的结构示意图。它与普通显像管电视机相比，主要是显示器件不同。液晶电视机采用彩色液晶板作为显示器件。液晶显示板具有重量轻、体积小（薄型）的特点。它作为显示器，除了在彩色电视机中取代显像管制成超薄型电视机之外，在笔记本电脑中也被广泛应用，受到消费者的青睐。

液晶显示板是由一排排整齐设置的液晶显示单元构成的。一个液晶板有几百万个像素单元，每个像素单元由R、G、B三个小的单元构成。像素单元的核心部分是液晶体（液晶材料）及其半导体控制器件。液晶体的主要特点是在外加电压的作用下液晶体的透光性会发生很大的变化。如果使控制液晶单元各电极的电压按照电视图像的规律变化，在背部光源的照射下，从前面观看就会有电视图像出现。

液晶体是不发光的，在图像信号电压的作用下，液晶板上不同部位的透光性不同。每一瞬间（一帧）的图像相当于一幅电影胶片，在光照的条件下才能看到图像。因此在液晶板的背部要设有一个矩形平面光源。

液晶显示板的剖面图如图1-8所示。在液晶板的背部设有光源，光透过液晶层形成光图像，液晶层的不同部位的透光性随图像信号的规律变化，从而可以看到活动的图像，即随电视信号的周期不断更新的图案。

液晶显示板中每一个像素单元设有一个控制用薄膜场效应晶体管。整个显示板通过设置多条水平方向和垂直方向的驱动电极，便可以实现对每个晶体管的控制。电视信号要转换成控制水平和垂直电极的驱动信号，对液晶显示板进行控制，从而显示出图像。显示板的电极都是从四边引出，为了连接可靠，将驱动集成电路也安装到显示板的四周，并使集成电路的输出端与电极压接牢固。这样就形成了液晶板与驱动集成电路一体化的组件，如图1-9所示。

1.1.3 液晶显示板的工作原理

1.液晶体的基本特征

物质一般有三种状态，即固态（结晶状态）、液态和气态。而且这三种状态是随温度的变化而相互转化的。例如水，在0℃以下是固态（冰），在0～100℃之间是液态，而在100℃以上会变成蒸汽（气态）。液晶体在不同的温度条件下有四种状态，即固态（结晶态）、液晶、液态和气态。液晶物质的特点如图1-10所示。固态是结晶体的结构，其分子或原子的结构很有规律。液态与气态的不同主要是分子的密度不同。例如，水的分子密度是水蒸气分子密度的1000倍。液体和气体的另一特点是流动性，因而液体没有固定的形状。

液晶既具有液体流动性的特点，又具有固体结晶态（规则性）的特点。液晶介于固态和液态两者之间，简称液晶。液晶体的四态也是由温度决定的。

液晶用于制作显示器，最主要的特点是其中的分子排列受电场的控制。而液晶的透光性与分子的排列有关。液晶在自然状态时，其分子的排列是无规律的，当受到外电场的作用时，其分子的排列随之变化，液晶分子的排列与电场的关系如图1-11所示。

2.液晶板的透光性

液晶板的透光性首先与偏光板有直接的关系。偏光板是与液晶板紧密结合的部分。其结构和性能如图1-12所示。当入射光的振动方向与偏光板的方向一致时，光可以穿过偏光板；当偏光板的方向与入射光的方向不同时，会阻断光的通过。

从前述可知，液晶体有四个相态，分别为固态、液晶、液态和气态，且四个相态可相互转化，称为“相变”。相变时，液晶的分子排列发生变化，从一种排列转向另一种排列。后来发现，引起这一变化的原因是外部电场或外部磁场的变化。同时液晶分子的排列变化必然会导致其光学性质的变化，如折射率、透光率等性能的变化。于是科学家们利用液晶的这一性质做出了液晶显示板，它利用外加电场作用于液晶板改变其透光性能的特性，来控制光通过的多少，从而显示图像。

液晶显示板是将液晶材料封装在两片透明电极之间，通过控制加到电极间的电压即可实现对液晶层透光性的控制。

液晶显示板的工作原理如图1-13所示。从图中可见，液晶材料被封装在上、下两片透明电极之间。当两电极之间无电压时，如图1-13（a）所示，液晶分子受到透明电极上的定向膜的作用按一定的方向排列。由于上、下电极之间定向方向扭转90度，入射光通过偏振光滤光板进入液晶层，变成了直线偏振，图示a的方向；入射光在液晶层中沿着扭转的方向进行，并扭转90度后通过下面的偏振光滤光板，变成了图示b的方向。

当上、下电极之间加上电压以后，液晶层中液晶分子的定向方向发生变化。变成与电场平行的方向排列，如图1-13（b）所示。这种情况下，入射到液晶层的直线偏振光的偏振方向不会产生回转，由于下部偏振光滤光板的偏振方向与上部偏振光的方向相互垂直，所以入射光便不能通过下部的偏振光滤光板，此时液晶层不透光。因而，液晶层无电压时为透光状态（亮状态），有电压则为不透明状态（暗状态）。

对液晶分子进行定向控制的是定向膜，定向膜是一种在两电极内侧涂敷而成的薄膜，是一种聚酰亚胺高分子材料，紧接液晶层的液晶分子。由于液晶层具有弹性体的性质，上、下定向膜扭转90度，于是就形成了液晶分子定向扭转90度的构造，如图1-13（a）所示。

图1-14显示了当加上电压时，液晶分子定向区域的形成状态。图中的中间两虚线之间部分为液晶分子定向变化的部分，这个部分是由于电压作用的结果形成的。

3.彩色液晶显示板和单色液晶显示板的结构和原理

彩色液晶显示板的显示原理如图1-15所示。在液晶板（液晶快门）的前面，设置由R、G、B栅条组成的滤光器，光穿过R、G、B栅条，就可以看到彩色光。由于每个像素单元的尺寸很小，从远处看就是R、G、B合成的颜色，与显像管R、G、B栅条合成的彩色效果是相同的。这样液晶板设在光源和栅条之间，实际上它很像一个快门，每秒钟快门的变化与电视画面同步。如果液晶板前面不设彩色栅条，就会显示单色（如黑白图像）图像。

目前，液晶电视机多采用全彩色液晶器件，实现全彩色显示，其实现方法一般来说有两种，即加色混合法和减色混合法。

4.液晶显示板的控制方法和等效电路

图1-16所示是液晶显示板的局部解剖视图及场效应晶体管与电极的等效电路。其中图1-16（a）所示为液晶显示板的局部解剖视图。液晶层封装在两块玻璃基板之间，上部有一个公共电极，每个像素单元有一个像素电极，当像素电极上加有控制电压时，该像素中的液晶体便会受到电场的作用。每个像素单元中设有一个为像素单元提供控制电压的场效应管，由于它制成薄膜型紧贴在下面的基板上，因而被称为薄膜晶体管，简称TFT。每个像素单元薄膜晶体管栅极的控制信号是由横向设置的X轴提供的，X轴提供的是扫描信号，Y轴为薄膜晶体管提供数据信号，数据信号是视频信号经处理后形成的。

场效应晶体管及电极的等效电路如图1-16（b）所示。图像数据信号的电压加到场效应晶体管的源极，扫描脉冲信号加到栅极，当栅极上有正极性脉冲信号时，场效应晶体管导通，源极的图像数据电压便通过场效应晶体管加到与漏极相连的像素电极上，于是像素电极与公共电极之间的液晶体便会受到Y轴图像电压的控制。如果栅极无脉冲信号，则场效应晶体管是截止的，像素电极上无电压。所以场效应晶体管实际上是一个电子开关。

整个液晶显示板的驱动电路如图1-17所示，经图像信号处理电路形成的图像数据电压作为Y方向的驱动信号，同时图像信号处理电路为同步及控制电路提供水平和垂直同步信号，形成X方向的驱动信号，驱动X方向的晶体管栅极。

当垂直和水平脉冲信号同时加到某一场效应管的时候，该像素单元的晶体管便会导通，如图1-17的下部所示，Y信号的脉冲幅度越高、图像越暗；Y信号的幅度越低、图像越亮。当Y轴无电压时TFT截止，液晶体100%透光成白色。

目前液晶电视机大多采用彩色薄膜型液晶显示器（TFT-LCD），其结构如图1-18所示。将液晶置于两片导电玻璃基板之间，在两片玻璃基板上都装有配向蜡，液晶顺着沟槽配向。其中，上层的沟槽是纵向排列的，而下层沟槽是横向排列的。由于上下玻璃基板沟槽相差90o，因此液晶分子呈扭转形。当上下玻璃基板没有加电时，光线透过上方偏光板，并跟着液晶做90o扭转通过下方偏光板，液晶面板显示白色，见图1-13（a）所示。当上、下玻璃基板分别加入正、负电压后，液晶分子就会呈垂直排列，光线不会发生扭转，而被下层偏光板遮蔽，光线无法透出，液晶面板显示黑色，见图1-13（b）所示。这样，液晶显示器在电场的驱动下，控制透射或遮蔽光源，产生明暗变化，将黑白影像显示出来。若显示器加上彩色滤光片，就可以显示彩色影像。

彩色滤光片结构如图1-19所示。彩色滤光片由像素和晶体管组成。依据三基色的发光原理，每个像素又由红、绿、蓝三个子像素组成。每一个子像素就是一个单色滤光镜。也就是说，如果一个TFT-LCD显示器的分辨率为（1280×1024）dpi，那么，彩色滤光片应该分别由（1280×1024）dpi×3个子像素和同样数量的晶体管组成。对于一个15 in（1 in=25.4mm，下同）的显示器而言，其分辨率为（1024×768）dpi，一个像素在显示屏上对角线的长度为0.0188 in（约等于0.48mm）；而对于一个18 in的显示器而言，其分辨率为（1024×1280）dpi，一个像素的对角线长度为0.011 in（约等于0.28mm）。

为了精确控制每个像素的亮度和显示的颜色，就需要在每个像素之后，安装一个类似于百叶窗的开关，仅在“百叶窗”打开时光线可以透进来，而在“百叶窗”关闭时光线就无法透进来。这个开关就是晶体管，而控制其开关的则是水平驱动电路。驱动电路的作用是生成精确控制的电场。其控制方式为主动矩阵式，对屏幕上的各个像素实施主动的、独立的控制。

TFT-LCD显示器采用背光技术，光源为背光灯管，学名为冷阴极荧光灯（CCFL）。其结构如图1-20所示。灯管采用硬质玻璃制成，管径1.8～3.2mm。灯管内壁涂有高光效三基色荧光粉，两端各有一个电极，灯管内充有水银和惰性气体，采用先进的封装工艺制成。

冷阴极荧光灯的工作原理是，当灯管两端加800～1000V高压后，灯管内少数电子高速撞击电极，产生二次电子，管内水银受电子撞击后产生波长为253.7nm的紫外光，紫外光激发涂在管内壁上的荧光粉而产生可见光，可见光的颜色将依据荧光粉的不同而不同。

冷阴极荧光灯的优点是管径细、体积小、寿命长（平均20000h以上）、工作电流低（2～10mA）、结构简单、灯管表面温度低、亮度高、显色性好、发光均匀等；其缺点是易老化、易破碎、发光效率低、功耗大等。

1.1.4 液晶显示器驱动与控制电路

由于液晶显示板所显示的图像是活动的、变化的，LCD的驱动与控制实际上都是采用交流电场来实现的。另外，由于采用数字电路驱动，这种交流电场通过电压信号来建立，而且要求其中的直流分量越小越好。

显示像素上交流电场的强弱用交流电压的有效值表示。当电压有效值大于液晶的阈值电压时有电场，像素有显示；当电压有效值小于液晶的阈值电压时无电场，像素无显示；当电压有效值接近阈值时，像素呈弱显示。

LCD驱动与控制电路的功能是：调整、控制施加在液晶显示器电极上脉冲电压的频率、相位、峰值、时序、占空比等，建立合适的驱动电场，以实现预期的显示效果。

1.液晶显示器的驱动方式

LCD驱动方式很多，根据显示器的种类、结构等的不同而不同。常用的驱动方式有两种：静态驱动方式和动态驱动方式。在液晶电视机中多采用动态驱动方式。

所谓动态驱动，是指在像素显示的时间内，并不维持一个持续的外施电场，而是通过逐行扫描的方式，不断循环地给行电极施加选通脉冲信号，当其一行被选中时，反映该行上像素显示或不显示的信号数据脉冲信号同步到达各条列电极上。这样，在这一行的像素中，有的像素位置有电场，有的像素位置无电场，则一行的显示便实现了。随后接着扫描下一行。重复上述过程，便能在整幅屏幕上显示出各种字符或图形。只要扫描周期足够短，则显示的画面是稳定的。

液晶显示器（LCD）全部采用点矩阵显示方式。即在LCD的背电极上，把一组水平方向上的电极连在一起引出，成为一条行电极，又称扫描电极；把垂直方向的一组背电极连在一起引出，成为一条列电极，又称数据电极。这样，行、列电极的交叉处就是一个显示像素。

其中，行电极数N和列电极数M是与分辨率相对应的。如分辨率为（640×480）dpi的VGA格式的LCD，N=480、M=640。如果采用静态驱动方式，则要求驱动电路有多个引脚输出，这样电路复杂化，所以多采用动态驱动。

显然，相对于静态驱动而言，动态驱动的每一幅图案都是由很多在一定的时间区内显示的瞬间像素组成的，所以又把它称为“时间分割驱动法”或“多路寻址驱动法”。把这种驱动方式和CRT显示器的光栅电子扫描方式相比较，可以看出它们是类似的，只不过前者的同一行信息同时出现，而后者则是顺序出现的。

2.TFT型液晶显示屏驱动电路

（1）电路构成和接口电路

图1-21所示是分辨率为（1024×768）dpi、XGA格式、262144色（R、G、B各6bit）的TFT液晶显示屏的系统方框图。在TFT液晶显示屏中，采用低电压差分信号LVDS高速传送的方式，将图像数据分成每个像素传送，并在液晶显示屏中转换成层次电压。

图1-22所示是LVDS发送和接收电路的结构。LVDS的图像数据可对应到24bit（R、G、B各8bit），发送端将24bit图像数据、4bit控制信号和时钟信号，经并/串转换电路转换成为原频率值7倍的串行信号传送。接收端进行串/并转换，恢复出原信号。低电压差分信号电平为200mV，可以显著降低噪声。

另外，在显示屏驱动电路中除了传送LVDS信号外，还有最小化差分信号TMDS和10亿比特视频信号GVIF。它们也可以低振幅差分信号方式传送。串行化的比例LVDS为7倍，TMDS为10倍，信号的直流平衡及变化点数的最小化能力也各不相同。由于信号均采用同步信号串行化传送，使电路的配线大大简化。

（2）电路工作原理

图1-23所示为分辨率（1024×768）dpi的TFT液晶显示屏驱动电路。

驱动电路由串/并转换电路、扫描驱动电路、数据驱动电路、电源电路组成。LVDS信号在液晶显示屏内经串/并转换还原为图像信号和控制信号，再分别经过扫描驱动电路和数据驱动电路，在每个像素点形成上、下电压差，使液晶显示屏呈现图像。

图像控制信号有：垂直同步信号VSYNC，水平同步信号HSYNC，有效指示信号DTMG，数据信号DR0～DR5、DG～DG5、DB0～DB5，点时钟信号DCLK。这些信号都经并/串转换后，LVDS信号以原频率的7倍的速率进行传送。

图1-24所示是（1024×768）dpi TFT液晶显示屏数据信号和扫描信号的时序图。TCON把从图像控制开始的接口信号在这里进行定时转换。水平同步信号与驱动线、门线定时不同，数据驱动、扫描驱动不同的定时关系用相对应的CL1和CL3来转换。CL1和CL3的时钟频率按TFT液晶板特性来设定。

为了使图像数据在液晶显示器中的传送频率与数据读取时钟CL2同步，必须降低图像数据的传输频率，将图像数据的输出信号转换成2像素并行输出（6×3×2=36bit）的信号。

读入数据的定时，依照有效指示信号DTMG的有效数据定时，用输出信号读取有效（EIO）来控制数据输出的读取。

图1-25所示是数据驱动IC（HD66325）的内部电路方框图。与STN型液晶显示屏的驱动控制原理相同，也是用数据读入时钟（CL2）的前沿驱动数据。锁存电路（1）以36bit（R、G、B像素2个并行）顺次取入6个输出数据。当384个输出数据都取入第1数据驱动器后，EIO信号输出“H”，接着取第二个数据驱动器里的数据输入。当1行数据取满8个数据驱动器时，水平同步信号（CLI）的前沿到来，全部数据进入锁存电路（2）。TFT的数据与STN的数据虽然比特数、输出幅值不同，但取入动作基本相同。

在STN型液晶显示屏中，用模拟开关即可选择ON/OFF电压。而在TFT型液晶显示屏中需要用控制电压来表现灰度层次，所以表示灰度层次的控制电压就需要有等级。例如，R、G、B各6bit的显示数据需要有64个灰度层次电压表现，加之极性的交变，各有64个正极性和64个负极性的灰度层次电压，合计有128个灰度层次电压。数据驱动D/A转换电路，384路并行工作，将全部数据同时对应生成不同的层次电压输出。灰度层次电压经放大电路缓冲放大后，驱动TFT型液晶显示屏工作。

图1-26所示是梯形电路D/A转换电路原理图。用电阻分压生成正、负各64种灰度层次电压，表示对应的数据。在各像素反转驱动点，因为相邻的层次电压输出极性相反，可以用简化的电路构成层次电压选择电路。为了实现高画质，灰度层次电压精度的偏差为±3mV以内。

（3）扫描驱动电路

TFT型液晶显示屏和STN型液晶显示屏所加的门电压电平数不相同，STN型液晶显示屏的交变电压分三个电平，TFT型液晶显示屏的交变电压只有两个电平，但它们的内部结构相同，实际上也有TFT型液晶显示屏用STN型液晶显示屏的扫描驱动IC的情况。

TFT定时转换器的性能与液晶板的特性有关，扫描驱动的水平同步信号（CL3）与门线波形的定时关系要考虑时延。