1.2 液晶顯示屏及其原理

液晶顯示屏簡稱液晶屏，是液晶顯示器件的關鍵部件，常見的主要有扭轉向列TN型（TwistedNematic）、超扭轉向列STN型（SuperTwistedNematic）及薄膜晶體管TFT型（ThinFilmTransistor）三種。從技術層次和價格水平上看，TN、STN、TFT的排列順序依次遞增。TN型主要用于3in以下的黑白小屏幕，如電子表，計算器，掌上游戲機等；STN型配合彩色濾光片可顯示多種色彩，多用于文字、數字及繪圖功能的顯示，如低檔的筆記本電腦、掌上電腦、手機和個人數字助理（PDA）等便攜式產品；TFT型具有反應速度快等優點，特別適用于動畫及顯像顯示，因此在數碼相機、液晶投影儀、筆記本電腦、桌上型液晶顯示器以及液晶彩電中得到了廣泛的應用。TN、STN及TFT液晶顯示器件比較情況見表1-1。

表1-1 TN、STN及TFT液晶顯示器件的比較

1.2.1 TN液晶顯示屏的結構、原理

TN液晶顯示屏也稱扭轉向列液晶顯示器件，其應用十分廣泛，常見的電子表、計算器、掌上游戲機、工業數字儀表等采用的都是TN液晶屏。

1.TN型液晶顯示屏的結構

TN型液晶顯示屏的基本結構是：將涂有ITO透明導電層的玻璃光刻上一定的透明電極圖形，將兩片這種玻璃基板夾持一層液晶材料，四周進行密封，形成一個厚度僅為數微米的扁平液晶盒。由于在玻璃內表面涂有一層定向膜（也稱配向膜），并進行了定向處理，在盒內液晶分子沿玻璃表面平行排列，且由于定向膜定向處理的方向互相垂直，液晶分子在兩片玻璃之間呈90°扭轉。這也是扭轉向列液晶顯示器件名稱的由來。圖1-2所示為TN液晶顯示屏的基本結構示意圖和實物圖。

2.TN液晶顯示屏的原理

圖1-3所示為TN液晶顯示屏的工作原理示意圖。

在不加電壓的情況下，入射光經過偏光片后通過液晶層，偏光被分子扭轉排列的液晶層旋轉90°。在離開液晶層時，偏光方向恰與另一偏光板的方向一致，所以光線能順利通過，在這種情況下，液晶層相當于是透明的，可以看到反射基板的透明電極。如圖1-3（a）所示。當加一個電壓時，液晶分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發生任何扭轉，使器件不能透光，如圖1-3（b）所示。在這種情況下，由于沒有光反射回來，也就看不到反射板的電極，于是在電極部位出現黑色。

加電將光線阻斷（有顯示），不加電則使光線射出（無顯示），由此可見，只要將電極制成不同的字的形狀，就可以看到不同的黑色字。這種黑字，不是液晶的變色形成的，而是光被遮擋或被穿透的結果。

綜上所述，TN液晶顯示屏的顯示原理是：液晶棒狀分子在外加電場的作用下，其排列狀態發生變化，使得穿過液晶顯示器件的光被調制（即透過與不透過），從而呈現明與暗的顯示效果。也就是說，通過控制電壓的大小，改變液晶轉動的角度和光的行進方向，進而達到改變字符亮度的目的。

1.2.2 TFT液晶顯示屏的結構、原理與驅動方式

TFT（Thin-FilmTransistor），即薄膜晶體管。TFT液晶顯示屏，簡稱TFT液晶屏，是目前的頂級材質液晶屏，屬于主動式有源矩陣類型液晶屏，由于具有優良的性能，在彩屏手機、筆記本電腦、液晶顯示器、液晶彩電等設備中得到了廣泛的應用。

TFT液晶顯示屏是在TN液晶屏的基礎上發展起來的。因此，理解前面介紹的TN、STN液晶顯示屏的結構、原理與驅動方式對于分析TFT液晶顯示屏具有重要的指導意義。

1.TFT液晶顯示屏的結構

TFT液晶顯示屏是一種薄形的顯示器件，它有兩片偏光板、兩片玻璃，中間加上TN液晶。圖1-4所示是TFT液晶顯示屏的立體結構和橫截面結構示意圖。從圖中可以看出，TFT液晶顯示屏主要由后板模塊、液晶層和前板模塊三部分組成。

（1）后板模塊部分

后板模塊是指液晶層后面的部分，主要由后偏光板、后玻璃板、像素單元（像素電極、TFT管）、后定向膜等組成。

在后玻璃板襯底上分布著許多橫豎排列并互相絕緣的格狀透明金屬膜導線，將后玻璃襯底分隔成許多微小的格子，稱為像素單元（或稱子像素）；每個格子（像素單元）中又有一片與周圍導線絕緣的透明金屬膜電極，稱為像素電極（顯示電極）。像素電極的一角，通過一只用印制法制作在玻璃襯底上的TFT薄膜場效應管，分別與兩根縱橫導線連接，形成矩陣結構，如圖1-5所示。TFT場效應管的柵極與橫線相接，橫線稱為柵極掃描線或X電極，因起到TFT選通作用，又稱為選通線；而TFT管的源極與豎線連接，豎線稱為源極列線或Y電極；TFT的漏極即與透明像素電極連為一體。TFT管的功能就是一個開關管，利用施加于TFT開關管的柵極電壓，可控制TFT開關管的導通與截止。

前、后兩片玻璃板接觸液晶的那一面并不是光滑的，而是有鋸齒狀的溝槽，如圖1-6所示。這個溝槽的主要目的是希望長棒狀的液晶分子沿著溝槽排列，這樣才會整齊。因為如果是光滑的平面，液晶分子的排列便會不整齊，造成光線的散射，形成漏光的現象。在實際制造過程中，并無法將玻璃板做成如此的溝槽狀，一般會先在玻璃板表面涂布一層PI（聚酰亞胺），再用布做摩擦的動作，以使PI的表面分子不再雜散分布，而是依照固定均一的方向排列。而這一層PI就叫做定向膜（也稱配向膜），它的作用就像玻璃的凹槽一樣，提供液晶分子呈均勻排列的接口條件，讓液晶依照預定的順序排列。

（2）液晶層部分

液晶顯示屏的后玻璃板上有像素電極和薄膜晶體管（TFT），前玻璃板則貼有彩色濾光片，前、后兩層玻璃中間夾持的就是液晶層。

對于TFT液晶顯示屏來說，每個像素單元從結構上可以看作是像素電極和公共電極之間夾一層TN液晶，液晶層可等效為一個液晶電容CLC，它的大小約為0.1pF；在實際應用中，這個電容無法將電壓保持到下一次再更新畫面數據的時刻，也就是說，當TFT管對這個電容充好電時，它無法將電壓保持住，直到下一次TFT管再對此點充電的時刻（以一般60Hz的畫面更新頻率，需要保持約16ms）。這樣一來，電壓有了變化，所顯示的灰階就會不正確，因此，一般在設計面板時，會再加一個儲存電容Cs（一般由像素電極與公共電極走線所形成），其值約為0.5pF，以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時刻。圖1-7所示為一個像素單元（子像素）結構示意圖及其等效電路。

從驅動方式上看，TFT液晶屏將所有的行電極作為掃描行連接到柵極驅動器上，將所有列電極作為列信號端連接到源極驅動器上，從而形成驅動陣列，如圖1-8（a）所示，驅動陣列的等效電路如圖1-8（b）所示。

（3）前板模塊部分

在前玻璃板襯底上，也同樣劃分為許多小格子，每個格子均與后玻璃襯底的一個像素電極對應，但其差別是，它沒有獨立的電極，而只是覆蓋著一小片R（紅）、G（藍）、B（綠）三基色的透明薄膜濾光片，稱為彩色濾光片（或稱RGB濾色膜），用以還原出正常的彩色。如果用放大鏡觀察TFT液晶屏，能看到圖1-9中所顯示的樣子（圖中的R、G、B是筆者為了說明彩色的顏色而加的標注）。

紅色、藍色及綠色是所謂的三基色，也就是說，利用這三種顏色，可以混合出各種不同的顏色，CRT彩電和顯示器就是利用這個原理來顯示出色彩。把RGB三種顏色，分成獨立的三個單元，各自擁有不同的灰階變化，然后把鄰近的三個RGB顯示單元當作一個顯示的基本單位———像素點（pixel），這個像素點就可以擁有不同的色彩變化。

在圖1-9中，每一個RGB點之間的黑色部分，叫做blackmatrix（矩陣塊），主要是用來遮住不打算透光的部分，如像素電極走線、TFT管等。

圖1-10所示是常見彩色濾光片的排列方式。條狀排列最常使用于OA的產品，也就是常見的筆記本電腦或桌上型液晶顯示器等。因為當前的軟件，多半都是窗口化的接口，也就是說，所看到的屏幕內容，是一大堆大小不等的方框所組成的，而條狀排列，恰好可以使這些方框的邊緣看起來更筆直，而不會有毛邊或鋸齒狀的感覺。但是，如果應用在液晶彩電上就不同了，因為電視信號多半是人物，而人物的線條不是筆直的，其輪廓大部分是不規則的曲線。因此，一開始，使用于液晶彩電上的彩色濾光片都是使用馬賽克排列（或稱為對角形排列）。不過，最近的液晶彩電產品多已改進到使用三角形排列。正方形排列與前面幾種排列的區別在于，它并不是以三個單元作為一個pixel（像素點），而是以四個單元作為一個像素點，這四個單元組合起來剛好形成一個正方形。

2.開口率和常黑／常白液晶顯示屏

開口率和常黑／常白液晶顯示屏是液晶彩電中常用的兩個概念，下面簡要進行介紹。

（1）開口率

開口率是液晶顯示屏結構中一個十分重要的概念，是決定液晶顯示屏亮度的重要參數。簡單的來說，開口率就是光線能透過的有效區域比率。如圖1-13所示，左邊是一個液晶顯示屏從正上方或是正下方看過去的結構圖，當光線經由背光板發射出來時，并不是所有的光線都能穿過面板。例如，給液晶屏用的信號走線及TFT本身，還有儲存電壓用的儲存電容等。這些地方除了不完全透光外，也由于經過這些地方的光線并不受到電壓的控制而無法顯示正確的灰階，需利用blackmatrix（矩陣塊）加以遮蔽，以免干擾到其他透光區域的正確亮度，所以，有效的透光區域就只剩下圖中右邊所顯示的區域而已。這一塊有效的透光區域，與全部面積的比例就稱為開口率。

當光線從背光板發射出來，會依序穿過偏光板、玻璃、液晶、彩色濾光片等。經計算，背光源的光線從以上器件穿過后，只剩下6%左右，實在是少得可憐。這也是為什么在TFT液晶顯示屏的設計中，要盡量提高開口率的原因。只要提高開口率，便可以增加亮度，同時背光源的亮度也不用那么高，可以節省耗電及花費。

（2）常白（NW）與常黑（NB）液晶顯示屏

常白液晶顯示屏，簡稱NW（NormallyWhite）液晶屏。對于此類液晶屏，當對液晶屏不施加電壓時，液晶透光，也就是亮的畫面；當對液晶屏施加電壓時，液晶不透光，顯示暗的畫面。常白液晶顯示屏示意圖如圖1-14所示。

常黑液晶顯示屏，簡稱NB（NormallyBlack）液晶屏。對于此類液晶屏，當對液晶屏不施加電壓時，液晶不透光，也就是暗的畫面；當對液晶屏施加電壓時，液晶透光，顯示亮的畫面。常黑液晶顯示屏示意圖如圖1-15所示。

對TN液晶而言，位于上、下玻璃的定向膜都是互相垂直的（見圖1-14），而NB與NW液晶屏的差別就只在于偏光板的相對位置不同而已。對NW液晶屏來說，其上、下偏光板的極性是互相垂直的，所以，當不施加電壓時，光線會因為液晶將之旋轉90°而透光；而對NB液晶屏來說，其上、下偏光板的極性是互相平行的，所以當不施加電壓時，光線會因為液晶將之旋轉90°而無法透光。

為什么會有NW與NB這兩種不同的偏光板配置呢？主要是為了不同的應用環境。一般而言，液晶顯示器大多為NW的配置，這是因為，一般計算機軟件多為白底黑字的應用，也就是說，整個屏幕大多是亮點，當然使用NW比較方便。另外，NW液晶屏顯示亮點時不需要加電壓，平均起來也會比較省電。反過來說，NB液晶屏就大多是屬于顯示屏為黑底的應用了。液晶彩電一般采用NB液晶顯示屏，但也有些采用NW液晶顯示屏。

3.TFT液晶顯示屏的原理

液晶顯示屏是被動顯示器件，工作時，必須利用背光源才能發光。背光源產生的光線先經過后偏光板，然后經過液晶，這時液晶分子的排列方式將會改變穿透液晶的光線角度；接下來，這些光線還必須經過前方的彩色濾色膜與前偏光板。因此，只要控制液晶扭轉光線量的多少，就能改變光線的明暗；控制施加在液晶電極上的電壓，就能調整光線的穿出量。若要顯示彩色的影像，只要在光線穿出前透過某一顏色的濾光片即可獲得需要的顏色。若要產生全彩的影像，就需要光的三基色紅（R）、綠（G）、藍（B）。液晶屏是由許許多多的小像素點所組成，每個像素點都有R、G、B三個子像素，由于光點小，又排列很緊密，眼睛接受時，就會將三個顏色混合在一起，再加上不同明暗的調整（控制液晶的扭轉角度），從而形成所要的顏色。TFT液晶顯示屏為每個R、G、B子像素都安排了一個TFT薄膜晶體管來控制電場的變化，使得它對于色彩的控制更加有效，對于快速移動的影像，也不會產生模糊不清的現象。

4.TFT液晶顯示屏常用極性變換方式

前已述及，液晶分子不能一直固定在某一個電壓不變，否則，時間久了，液晶分子會發生極化現象，從而逐漸失去旋光特性。因此，為了避免液晶分子的特性遭到破壞，液晶分子的驅動電壓必須進行極性變換，這就需要將液晶顯示屏內的顯示電壓分成兩種極性，一個是正極性，另一個是負極性。當顯示電極的電壓高于common（公共電極）電極電壓時，就稱為正極性；當顯示電極的電壓低于common電極的電壓時，就稱為負極性。不管是正極性或負極性，都會有一組相同亮度的灰階，所以當上、下兩層玻璃的壓差絕對值固定時，所表現出來的灰階是一模一樣的。常見的極性變換方式有四種，即逐幀倒相方式、逐行倒相方式、逐列倒相方式和逐點倒相方式，如圖1-16所示。

從圖1-16中可以看出，對于逐幀倒相方式，在同一幀中，整個畫面所有相鄰的點，都擁有相同的極性，而相臨的幀極性則不同；對于逐行倒相方式，在同一行上擁有相同的極性，而相臨的行極性不同；對于逐列倒相方式，在同一列上擁有相同的極性，而相臨的列極性不同；對于逐點倒相方式，則是每個點與相鄰的上、下、左、右四個點，極性都不一樣。

液晶彩電所使用的液晶顯示屏，極性變換方式大都是逐點變換方式，因為逐點倒相的顯示品質相對于其他極性變換方式要好得多。表1-2列出了逐幀倒相、逐行倒相、逐列倒相和逐點倒相四種極性變換方式的性能比較。

表1-2 四種極性變換方式的性能比較

所謂Flicker現象，就是畫面會有閃爍的感覺，但并不是故意做出的視覺效果，而是因為顯示的畫面灰階在每次更新畫面時，會有些微小的變動，讓人眼感受到畫面在閃爍。使用逐幀倒相的極性變換方式時最容易發生這種情況。因為逐幀倒相的整個畫面都是同一極性，當這次畫面是正極性時，下次就都變成了是負極性，假若common（公共電極）電壓有一點誤差，這時正、負極性的同一灰階電壓便會有差別，當然灰階的感覺也就不一樣，如圖1-17所示。在不停切換畫面的情況下，由于正、負極性畫面交替出現，就會出現Flicker現象。而其他面板的極性變換方式，雖然也會有此Flicker現象，但由于不像逐幀倒相是同時整個畫面一起變換極性，只有一行或是一列，甚至于是一個點變化極性而已，以人眼的感覺來說，就會覺得不明顯。

所謂Crosstalk現象，指的就是相鄰的點之間，要顯示的資料會影響到對方，以至于顯示的畫面會有不正確的狀況。雖然Crosstalk現象的成因有很多種，只要相鄰點的極性不一樣，便可以減少此現象的發生。

5.TFT液晶顯示屏的驅動

TFT液晶顯示屏是有源矩陣顯示屏，因此，其驅動方式與TN、STN液晶顯示屏截然不同，采用的是有源矩陣動態驅動法。TFT液晶顯示屏的驅動方式及電路十分復雜，作為液晶彩電維修人員，沒有必要對其驅動原理進行詳細了解，因此，下面僅從圖像色彩顯示角度，對其驅動原理進行簡要介紹。

（1）液晶顯示屏圖像的顯示

下面以1024×768分辨率的液晶屏為例，歸納一下液晶顯示屏顯示圖像的過程和容易混淆的問題。

分辨率為1024×768的液晶屏，共需要1024×3×768個點來顯示一幅畫面。圖1-18所示為1024×3×768液晶屏驅動框圖。

如果把一個液晶顯示屏平面分成X-Y軸，分辨率為1024×768的屏幕，在X軸（水平方向）上會有1024×3＝3072列，由8個384路輸出的源極驅動器（如EK7402）負責驅動；而在Y軸上，會有768行，由3個256路輸出柵極驅動器（如EK7309）負責驅動。

在液晶顯示屏中，每個TFT開關管的柵極連接至水平方向的掃描線，源極連接至垂直方向的數據線，而漏極連接至液晶像素電極和存儲電容。顯示屏一次只啟動一條柵極掃描線，以將相應一行的TFT開關管打開。此時，垂直方向的數據線送入對應的視頻信號，對液晶存儲電容充電至適當的電壓，便可顯示一行的圖像。

接著關閉TFT開關管，直到下次重新寫入信號前，使得電荷保存在電容上，同時啟動下一條水平掃描線，送入對應的視頻信號。

依次將整個畫面的視頻信號寫入，再從第一條重新寫入信號，此重復的頻率稱為幀頻（刷新率），一般為60～70Hz。為便于理解，圖1-19給出了1幀柵極掃描信號的波形圖。

如前所述，對于1024×768分辨率的液晶顯示屏來說，有768行和1024×3＝3072列。一般液晶彩電的刷新頻率為60Hz，此時，每一幅畫面的顯示時間約為1／（60s）＝16.67ms。由于畫面的組成為768行柵極走線，所以分配給每一條柵極走線的開關時間約為16.67ms／768＝21.7μs。因此，在柵極驅動器送出的波形中，是一個接著一個寬度為21.7μs的脈沖波，依序打開每一行的TFT開關管。而源極驅動器則在這21.7μs內，經由源極走線，將顯示電極充放電到所需的電壓，便可顯示出相對應的圖像內容。

需要再次說明的是，加在液晶TFT管源極的驅動電壓，不能像CRT顯像管陰極那樣是一個固定極性的直流信號。因為液晶顯示屏內部的液晶分子如果處于單一極性的電場作用下，則會在直流電場中發生電解反應，使液晶分子按照不同的帶電極性而分別趨向于正、負兩極堆積發生極化作用，從而逐漸失去旋光特性而不能起到光閥作用，致使液晶屏工作壽命終止。因此，要正確使用液晶，不能采用顯像管式的激勵方式，而是既要向液晶施加電壓以便調制對比度，又要保證所加電壓符合液晶驅動要求，即不能有平均直流成分。具體的方法是在顯示屏的源極上，加上極性相反、幅度大小相等的交流電壓。由于交流電的極性不斷變化倒相，故不會使液晶分子產生電解極化作用，而所加電壓又能控制其透光度，從而達到調整對比度的目的。

（2）液晶顯示屏彩色的顯示

TFT液晶顯示屏之所以能夠顯示出色彩逼真的彩色，是由其內部的彩色濾色片和TFT場效應管共同協調工作完成的。下面結合圖1-20所示電路圖進行說明。圖1-20中展示了液晶屏上一組三基色像素的示意圖。

從圖1-20中可以看出，在t時刻，R、G、B三基色像素從源極驅動器輸出，加到源極驅動電極n-1、n、n＋1上，即各TFT管的源極S上，而此時（即t時刻），柵極驅動器輸出的行驅動脈沖只出現在第m行，因此，第m行的所有TFT開關管導通，于是，R、G、B驅動電壓V1、V2、V3分別通過第m行導通的TFT管加到漏電極像素電極上，故R、G、B三基色像素單元透光，送到彩色濾色片上，經混色后顯示一個白色像素點。

圖1-21給出了顯示三個連續白色像素點的示意圖。顯示的工作過程與前述類似，即在t1時刻，第m-1行的TFT管導通，于是在第m-1行的對應列處顯示一個白色像素點；在t2時刻，第m行的TFT管導通，于是在第m行的對應列處顯示一個白色像素點；在t3時刻，第m＋1行的TFT管導通，于是在第m＋1行的對應列處顯示一個白色像素點；由于t1、t2、t3之間的間隔很小，因此，人眼看不到白色像素點的閃動，而看到的是三個豎著排放的白色像素點。

以上介紹的只是顯示白色的情況，若顯示其他顏色，原理是相同的。例如，若要顯示黃色，只需要R、G兩像素單元加上電壓，使R、G透光顯示出濾色片的顏色；同時，不給B像素單元加電壓，因此，B像素單元不能透光而呈黑暗狀態。也就是說，在三基色單元中，只有R、G兩單元發光，故能呈現黃色。

可見，如果將視頻信號加到源極列線上，再通過柵極行線對TFT場效應管逐行選通，即可控制液晶屏上每一組像素單元的發光與否及發光顏色，從而達到顯示彩色圖像的目的。各基色像素單元的源極列線，按照三基色的色彩不同而分為R、G、B三組，分別施加各基色的視頻信號，就可以控制三基色的比例，從而使液晶屏顯示出不同的色彩。