1.2 液晶显示屏及其原理

液晶显示屏简称液晶屏，是液晶显示器件的关键部件，常见的主要有扭转向列TN型（TwistedNematic）、超扭转向列STN型（SuperTwistedNematic）及薄膜晶体管TFT型（ThinFilmTransistor）三种。从技术层次和价格水平上看，TN、STN、TFT的排列顺序依次递增。TN型主要用于3in以下的黑白小屏幕，如电子表，计算器，掌上游戏机等；STN型配合彩色滤光片可显示多种色彩，多用于文字、数字及绘图功能的显示，如低档的笔记本电脑、掌上电脑、手机和个人数字助理（PDA）等便携式产品；TFT型具有反应速度快等优点，特别适用于动画及显像显示，因此在数码相机、液晶投影仪、笔记本电脑、桌上型液晶显示器以及液晶彩电中得到了广泛的应用。TN、STN及TFT液晶显示器件比较情况见表1-1。

表1-1 TN、STN及TFT液晶显示器件的比较

1.2.1 TN液晶显示屏的结构、原理

TN液晶显示屏也称扭转向列液晶显示器件，其应用十分广泛，常见的电子表、计算器、掌上游戏机、工业数字仪表等采用的都是TN液晶屏。

1.TN型液晶显示屏的结构

TN型液晶显示屏的基本结构是：将涂有ITO透明导电层的玻璃光刻上一定的透明电极图形，将两片这种玻璃基板夹持一层液晶材料，四周进行密封，形成一个厚度仅为数微米的扁平液晶盒。由于在玻璃内表面涂有一层定向膜（也称配向膜），并进行了定向处理，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列，且由于定向膜定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90°扭转。这也是扭转向列液晶显示器件名称的由来。图1-2所示为TN液晶显示屏的基本结构示意图和实物图。

2.TN液晶显示屏的原理

图1-3所示为TN液晶显示屏的工作原理示意图。

在不加电压的情况下，入射光经过偏光片后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90°。在离开液晶层时，偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，所以光线能顺利通过，在这种情况下，液晶层相当于是透明的，可以看到反射基板的透明电极。如图1-3（a）所示。当加一个电压时，液晶分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转，使器件不能透光，如图1-3（b）所示。在这种情况下，由于没有光反射回来，也就看不到反射板的电极，于是在电极部位出现黑色。

加电将光线阻断（有显示），不加电则使光线射出（无显示），由此可见，只要将电极制成不同的字的形状，就可以看到不同的黑色字。这种黑字，不是液晶的变色形成的，而是光被遮挡或被穿透的结果。

综上所述，TN液晶显示屏的显示原理是：液晶棒状分子在外加电场的作用下，其排列状态发生变化，使得穿过液晶显示器件的光被调制（即透过与不透过），从而呈现明与暗的显示效果。也就是说，通过控制电压的大小，改变液晶转动的角度和光的行进方向，进而达到改变字符亮度的目的。

1.2.2 TFT液晶显示屏的结构、原理与驱动方式

TFT（Thin-FilmTransistor），即薄膜晶体管。TFT液晶显示屏，简称TFT液晶屏，是目前的顶级材质液晶屏，属于主动式有源矩阵类型液晶屏，由于具有优良的性能，在彩屏手机、笔记本电脑、液晶显示器、液晶彩电等设备中得到了广泛的应用。

TFT液晶显示屏是在TN液晶屏的基础上发展起来的。因此，理解前面介绍的TN、STN液晶显示屏的结构、原理与驱动方式对于分析TFT液晶显示屏具有重要的指导意义。

1.TFT液晶显示屏的结构

TFT液晶显示屏是一种薄形的显示器件，它有两片偏光板、两片玻璃，中间加上TN液晶。图1-4所示是TFT液晶显示屏的立体结构和横截面结构示意图。从图中可以看出，TFT液晶显示屏主要由后板模块、液晶层和前板模块三部分组成。

（1）后板模块部分

后板模块是指液晶层后面的部分，主要由后偏光板、后玻璃板、像素单元（像素电极、TFT管）、后定向膜等组成。

在后玻璃板衬底上分布着许多横竖排列并互相绝缘的格状透明金属膜导线，将后玻璃衬底分隔成许多微小的格子，称为像素单元（或称子像素）；每个格子（像素单元）中又有一片与周围导线绝缘的透明金属膜电极，称为像素电极（显示电极）。像素电极的一角，通过一只用印制法制作在玻璃衬底上的TFT薄膜场效应管，分别与两根纵横导线连接，形成矩阵结构，如图1-5所示。TFT场效应管的栅极与横线相接，横线称为栅极扫描线或X电极，因起到TFT选通作用，又称为选通线；而TFT管的源极与竖线连接，竖线称为源极列线或Y电极；TFT的漏极即与透明像素电极连为一体。TFT管的功能就是一个开关管，利用施加于TFT开关管的栅极电压，可控制TFT开关管的导通与截止。

前、后两片玻璃板接触液晶的那一面并不是光滑的，而是有锯齿状的沟槽，如图1-6所示。这个沟槽的主要目的是希望长棒状的液晶分子沿着沟槽排列，这样才会整齐。因为如果是光滑的平面，液晶分子的排列便会不整齐，造成光线的散射，形成漏光的现象。在实际制造过程中，并无法将玻璃板做成如此的沟槽状，一般会先在玻璃板表面涂布一层PI（聚酰亚胺），再用布做摩擦的动作，以使PI的表面分子不再杂散分布，而是依照固定均一的方向排列。而这一层PI就叫做定向膜（也称配向膜），它的作用就像玻璃的凹槽一样，提供液晶分子呈均匀排列的接口条件，让液晶依照预定的顺序排列。

（2）液晶层部分

液晶显示屏的后玻璃板上有像素电极和薄膜晶体管（TFT），前玻璃板则贴有彩色滤光片，前、后两层玻璃中间夹持的就是液晶层。

对于TFT液晶显示屏来说，每个像素单元从结构上可以看作是像素电极和公共电极之间夹一层TN液晶，液晶层可等效为一个液晶电容CLC，它的大小约为0.1pF；在实际应用中，这个电容无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时刻，也就是说，当TFT管对这个电容充好电时，它无法将电压保持住，直到下一次TFT管再对此点充电的时刻（以一般60Hz的画面更新频率，需要保持约16ms）。这样一来，电压有了变化，所显示的灰阶就会不正确，因此，一般在设计面板时，会再加一个储存电容Cs（一般由像素电极与公共电极走线所形成），其值约为0.5pF，以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时刻。图1-7所示为一个像素单元（子像素）结构示意图及其等效电路。

从驱动方式上看，TFT液晶屏将所有的行电极作为扫描行连接到栅极驱动器上，将所有列电极作为列信号端连接到源极驱动器上，从而形成驱动阵列，如图1-8（a）所示，驱动阵列的等效电路如图1-8（b）所示。

（3）前板模块部分

在前玻璃板衬底上，也同样划分为许多小格子，每个格子均与后玻璃衬底的一个像素电极对应，但其差别是，它没有独立的电极，而只是覆盖着一小片R（红）、G（蓝）、B（绿）三基色的透明薄膜滤光片，称为彩色滤光片（或称RGB滤色膜），用以还原出正常的彩色。如果用放大镜观察TFT液晶屏，能看到图1-9中所显示的样子（图中的R、G、B是笔者为了说明彩色的颜色而加的标注）。

红色、蓝色及绿色是所谓的三基色，也就是说，利用这三种颜色，可以混合出各种不同的颜色，CRT彩电和显示器就是利用这个原理来显示出色彩。把RGB三种颜色，分成独立的三个单元，各自拥有不同的灰阶变化，然后把邻近的三个RGB显示单元当作一个显示的基本单位———像素点（pixel），这个像素点就可以拥有不同的色彩变化。

在图1-9中，每一个RGB点之间的黑色部分，叫做blackmatrix（矩阵块），主要是用来遮住不打算透光的部分，如像素电极走线、TFT管等。

图1-10所示是常见彩色滤光片的排列方式。条状排列最常使用于OA的产品，也就是常见的笔记本电脑或桌上型液晶显示器等。因为当前的软件，多半都是窗口化的接口，也就是说，所看到的屏幕内容，是一大堆大小不等的方框所组成的，而条状排列，恰好可以使这些方框的边缘看起来更笔直，而不会有毛边或锯齿状的感觉。但是，如果应用在液晶彩电上就不同了，因为电视信号多半是人物，而人物的线条不是笔直的，其轮廓大部分是不规则的曲线。因此，一开始，使用于液晶彩电上的彩色滤光片都是使用马赛克排列（或称为对角形排列）。不过，最近的液晶彩电产品多已改进到使用三角形排列。正方形排列与前面几种排列的区别在于，它并不是以三个单元作为一个pixel（像素点），而是以四个单元作为一个像素点，这四个单元组合起来刚好形成一个正方形。

2.开口率和常黑／常白液晶显示屏

开口率和常黑／常白液晶显示屏是液晶彩电中常用的两个概念，下面简要进行介绍。

（1）开口率

开口率是液晶显示屏结构中一个十分重要的概念，是决定液晶显示屏亮度的重要参数。简单的来说，开口率就是光线能透过的有效区域比率。如图1-13所示，左边是一个液晶显示屏从正上方或是正下方看过去的结构图，当光线经由背光板发射出来时，并不是所有的光线都能穿过面板。例如，给液晶屏用的信号走线及TFT本身，还有储存电压用的储存电容等。这些地方除了不完全透光外，也由于经过这些地方的光线并不受到电压的控制而无法显示正确的灰阶，需利用blackmatrix（矩阵块）加以遮蔽，以免干扰到其他透光区域的正确亮度，所以，有效的透光区域就只剩下图中右边所显示的区域而已。这一块有效的透光区域，与全部面积的比例就称为开口率。

当光线从背光板发射出来，会依序穿过偏光板、玻璃、液晶、彩色滤光片等。经计算，背光源的光线从以上器件穿过后，只剩下6%左右，实在是少得可怜。这也是为什么在TFT液晶显示屏的设计中，要尽量提高开口率的原因。只要提高开口率，便可以增加亮度，同时背光源的亮度也不用那么高，可以节省耗电及花费。

（2）常白（NW）与常黑（NB）液晶显示屏

常白液晶显示屏，简称NW（NormallyWhite）液晶屏。对于此类液晶屏，当对液晶屏不施加电压时，液晶透光，也就是亮的画面；当对液晶屏施加电压时，液晶不透光，显示暗的画面。常白液晶显示屏示意图如图1-14所示。

常黑液晶显示屏，简称NB（NormallyBlack）液晶屏。对于此类液晶屏，当对液晶屏不施加电压时，液晶不透光，也就是暗的画面；当对液晶屏施加电压时，液晶透光，显示亮的画面。常黑液晶显示屏示意图如图1-15所示。

对TN液晶而言，位于上、下玻璃的定向膜都是互相垂直的（见图1-14），而NB与NW液晶屏的差别就只在于偏光板的相对位置不同而已。对NW液晶屏来说，其上、下偏光板的极性是互相垂直的，所以，当不施加电压时，光线会因为液晶将之旋转90°而透光；而对NB液晶屏来说，其上、下偏光板的极性是互相平行的，所以当不施加电压时，光线会因为液晶将之旋转90°而无法透光。

为什么会有NW与NB这两种不同的偏光板配置呢？主要是为了不同的应用环境。一般而言，液晶显示器大多为NW的配置，这是因为，一般计算机软件多为白底黑字的应用，也就是说，整个屏幕大多是亮点，当然使用NW比较方便。另外，NW液晶屏显示亮点时不需要加电压，平均起来也会比较省电。反过来说，NB液晶屏就大多是属于显示屏为黑底的应用了。液晶彩电一般采用NB液晶显示屏，但也有些采用NW液晶显示屏。

3.TFT液晶显示屏的原理

液晶显示屏是被动显示器件，工作时，必须利用背光源才能发光。背光源产生的光线先经过后偏光板，然后经过液晶，这时液晶分子的排列方式将会改变穿透液晶的光线角度；接下来，这些光线还必须经过前方的彩色滤色膜与前偏光板。因此，只要控制液晶扭转光线量的多少，就能改变光线的明暗；控制施加在液晶电极上的电压，就能调整光线的穿出量。若要显示彩色的影像，只要在光线穿出前透过某一颜色的滤光片即可获得需要的颜色。若要产生全彩的影像，就需要光的三基色红（R）、绿（G）、蓝（B）。液晶屏是由许许多多的小像素点所组成，每个像素点都有R、G、B三个子像素，由于光点小，又排列很紧密，眼睛接受时，就会将三个颜色混合在一起，再加上不同明暗的调整（控制液晶的扭转角度），从而形成所要的颜色。TFT液晶显示屏为每个R、G、B子像素都安排了一个TFT薄膜晶体管来控制电场的变化，使得它对于色彩的控制更加有效，对于快速移动的影像，也不会产生模糊不清的现象。

4.TFT液晶显示屏常用极性变换方式

前已述及，液晶分子不能一直固定在某一个电压不变，否则，时间久了，液晶分子会发生极化现象，从而逐渐失去旋光特性。因此，为了避免液晶分子的特性遭到破坏，液晶分子的驱动电压必须进行极性变换，这就需要将液晶显示屏内的显示电压分成两种极性，一个是正极性，另一个是负极性。当显示电极的电压高于common（公共电极）电极电压时，就称为正极性；当显示电极的电压低于common电极的电压时，就称为负极性。不管是正极性或负极性，都会有一组相同亮度的灰阶，所以当上、下两层玻璃的压差绝对值固定时，所表现出来的灰阶是一模一样的。常见的极性变换方式有四种，即逐帧倒相方式、逐行倒相方式、逐列倒相方式和逐点倒相方式，如图1-16所示。

从图1-16中可以看出，对于逐帧倒相方式，在同一帧中，整个画面所有相邻的点，都拥有相同的极性，而相临的帧极性则不同；对于逐行倒相方式，在同一行上拥有相同的极性，而相临的行极性不同；对于逐列倒相方式，在同一列上拥有相同的极性，而相临的列极性不同；对于逐点倒相方式，则是每个点与相邻的上、下、左、右四个点，极性都不一样。

液晶彩电所使用的液晶显示屏，极性变换方式大都是逐点变换方式，因为逐点倒相的显示品质相对于其他极性变换方式要好得多。表1-2列出了逐帧倒相、逐行倒相、逐列倒相和逐点倒相四种极性变换方式的性能比较。

表1-2 四种极性变换方式的性能比较

所谓Flicker现象，就是画面会有闪烁的感觉，但并不是故意做出的视觉效果，而是因为显示的画面灰阶在每次更新画面时，会有些微小的变动，让人眼感受到画面在闪烁。使用逐帧倒相的极性变换方式时最容易发生这种情况。因为逐帧倒相的整个画面都是同一极性，当这次画面是正极性时，下次就都变成了是负极性，假若common（公共电极）电压有一点误差，这时正、负极性的同一灰阶电压便会有差别，当然灰阶的感觉也就不一样，如图1-17所示。在不停切换画面的情况下，由于正、负极性画面交替出现，就会出现Flicker现象。而其他面板的极性变换方式，虽然也会有此Flicker现象，但由于不像逐帧倒相是同时整个画面一起变换极性，只有一行或是一列，甚至于是一个点变化极性而已，以人眼的感觉来说，就会觉得不明显。

所谓Crosstalk现象，指的就是相邻的点之间，要显示的资料会影响到对方，以至于显示的画面会有不正确的状况。虽然Crosstalk现象的成因有很多种，只要相邻点的极性不一样，便可以减少此现象的发生。

5.TFT液晶显示屏的驱动

TFT液晶显示屏是有源矩阵显示屏，因此，其驱动方式与TN、STN液晶显示屏截然不同，采用的是有源矩阵动态驱动法。TFT液晶显示屏的驱动方式及电路十分复杂，作为液晶彩电维修人员，没有必要对其驱动原理进行详细了解，因此，下面仅从图像色彩显示角度，对其驱动原理进行简要介绍。

（1）液晶显示屏图像的显示

下面以1024×768分辨率的液晶屏为例，归纳一下液晶显示屏显示图像的过程和容易混淆的问题。

分辨率为1024×768的液晶屏，共需要1024×3×768个点来显示一幅画面。图1-18所示为1024×3×768液晶屏驱动框图。

如果把一个液晶显示屏平面分成X-Y轴，分辨率为1024×768的屏幕，在X轴（水平方向）上会有1024×3＝3072列，由8个384路输出的源极驱动器（如EK7402）负责驱动；而在Y轴上，会有768行，由3个256路输出栅极驱动器（如EK7309）负责驱动。

在液晶显示屏中，每个TFT开关管的栅极连接至水平方向的扫描线，源极连接至垂直方向的数据线，而漏极连接至液晶像素电极和存储电容。显示屏一次只启动一条栅极扫描线，以将相应一行的TFT开关管打开。此时，垂直方向的数据线送入对应的视频信号，对液晶存储电容充电至适当的电压，便可显示一行的图像。

接着关闭TFT开关管，直到下次重新写入信号前，使得电荷保存在电容上，同时启动下一条水平扫描线，送入对应的视频信号。

依次将整个画面的视频信号写入，再从第一条重新写入信号，此重复的频率称为帧频（刷新率），一般为60～70Hz。为便于理解，图1-19给出了1帧栅极扫描信号的波形图。

如前所述，对于1024×768分辨率的液晶显示屏来说，有768行和1024×3＝3072列。一般液晶彩电的刷新频率为60Hz，此时，每一幅画面的显示时间约为1／（60s）＝16.67ms。由于画面的组成为768行栅极走线，所以分配给每一条栅极走线的开关时间约为16.67ms／768＝21.7μs。因此，在栅极驱动器送出的波形中，是一个接着一个宽度为21.7μs的脉冲波，依序打开每一行的TFT开关管。而源极驱动器则在这21.7μs内，经由源极走线，将显示电极充放电到所需的电压，便可显示出相对应的图像内容。

需要再次说明的是，加在液晶TFT管源极的驱动电压，不能像CRT显像管阴极那样是一个固定极性的直流信号。因为液晶显示屏内部的液晶分子如果处于单一极性的电场作用下，则会在直流电场中发生电解反应，使液晶分子按照不同的带电极性而分别趋向于正、负两极堆积发生极化作用，从而逐渐失去旋光特性而不能起到光阀作用，致使液晶屏工作寿命终止。因此，要正确使用液晶，不能采用显像管式的激励方式，而是既要向液晶施加电压以便调制对比度，又要保证所加电压符合液晶驱动要求，即不能有平均直流成分。具体的方法是在显示屏的源极上，加上极性相反、幅度大小相等的交流电压。由于交流电的极性不断变化倒相，故不会使液晶分子产生电解极化作用，而所加电压又能控制其透光度，从而达到调整对比度的目的。

（2）液晶显示屏彩色的显示

TFT液晶显示屏之所以能够显示出色彩逼真的彩色，是由其内部的彩色滤色片和TFT场效应管共同协调工作完成的。下面结合图1-20所示电路图进行说明。图1-20中展示了液晶屏上一组三基色像素的示意图。

从图1-20中可以看出，在t时刻，R、G、B三基色像素从源极驱动器输出，加到源极驱动电极n-1、n、n＋1上，即各TFT管的源极S上，而此时（即t时刻），栅极驱动器输出的行驱动脉冲只出现在第m行，因此，第m行的所有TFT开关管导通，于是，R、G、B驱动电压V1、V2、V3分别通过第m行导通的TFT管加到漏电极像素电极上，故R、G、B三基色像素单元透光，送到彩色滤色片上，经混色后显示一个白色像素点。

图1-21给出了显示三个连续白色像素点的示意图。显示的工作过程与前述类似，即在t1时刻，第m-1行的TFT管导通，于是在第m-1行的对应列处显示一个白色像素点；在t2时刻，第m行的TFT管导通，于是在第m行的对应列处显示一个白色像素点；在t3时刻，第m＋1行的TFT管导通，于是在第m＋1行的对应列处显示一个白色像素点；由于t1、t2、t3之间的间隔很小，因此，人眼看不到白色像素点的闪动，而看到的是三个竖着排放的白色像素点。

以上介绍的只是显示白色的情况，若显示其他颜色，原理是相同的。例如，若要显示黄色，只需要R、G两像素单元加上电压，使R、G透光显示出滤色片的颜色；同时，不给B像素单元加电压，因此，B像素单元不能透光而呈黑暗状态。也就是说，在三基色单元中，只有R、G两单元发光，故能呈现黄色。

可见，如果将视频信号加到源极列线上，再通过栅极行线对TFT场效应管逐行选通，即可控制液晶屏上每一组像素单元的发光与否及发光颜色，从而达到显示彩色图像的目的。各基色像素单元的源极列线，按照三基色的色彩不同而分为R、G、B三组，分别施加各基色的视频信号，就可以控制三基色的比例，从而使液晶屏显示出不同的色彩。