TFT-LCD显示屏的结构和显示原理

1.TFT-LCD显示屏的结构

液晶显示器件按驱动方式分可以分为无源驱动（被动驱动）和有源驱动（主动驱动）。无源驱动方式主要用于早期的小尺寸、低分辨率的字符型显示器件，以及低于QVGA（320×240）分辨率的小尺寸阵列显示器件。而有源驱动是应用于大尺寸、高分辨率的阵列显示。最典型的就是薄膜晶体管液晶显示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD）。TFT不是液晶的一种显示模式，而只是液晶显示器的一种驱动方式，TFT-LCD采用的液晶显示模式是扭曲向列相（TN）模式。液晶显示器需要电压控制来产生灰阶，而利用薄膜晶体管来产生电压，以控制液晶转向的显示器，就叫做TFT-LCD。

TFT-LCD显示屏的结构示意图如图10-4所示。

图10-4 TFT-LCD显示屏的结构示意图

从图10-4中可以看出，TFT-LCD显示屏的两块平行的玻璃基板上有透明导电膜，中间充满了TN液晶并被密封起来。两块玻璃基板外面各装有一片偏振片，两偏振片的偏振方向相互垂直。而两块玻璃基板内侧和液晶的接触面上都涂有定向膜。液晶层内的液晶分子沿玻璃表面平行排列，由于上（前）、下（后）两块玻璃基板上定向膜的沟槽方向相互垂直，在定向膜的作用下，液晶分子在两块玻璃基板之间呈90°扭曲。TFT-LCD显示屏的结构剖面如图10-5所示。

（1）下（后）玻璃基板的结构

下（后）玻璃基板的外侧有一个下偏振片，而内侧分布着许多横、竖排列且相互绝缘的透明金属膜导线，将下（后）玻璃基板分隔成了许多微小的格子，称为像素基色单元（又称为子像素）。每个小格子中有一片与周围导线绝缘的透明金属膜，称为像素电极（又称为显示电极）。在像素电极的一角，有一个薄膜场效应晶体管（TFT），其栅极（G）与横线相连接，此横线称为栅极扫描线（X线）；源极（S）与竖线相连接，此竖线称为源极列驱动线（Y线）；漏极（D）与像素电极相连接。像素单元的等效电路如图10-6所示。

图10-5 TFT-LCD显示屏的结构剖面示意图

（2）上（前）玻璃基板的结构

上（前）玻璃基板的外侧也有一个偏振片，其内侧也有与下玻璃基板对应的小格子，小格子上覆盖着红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色的薄膜滤光片。整个上（前）玻璃基板上覆盖着一层透明的导电膜，称为对向电极（又称为公共电极）。

图10-6 像素单元的等效电路

2.TFT-LCD显示屏的驱动电路

图像数据驱动信号的电压加到场效应晶体管的源极（S），栅极扫描脉冲加到场效应晶体管的栅极（G）。当栅极上有正极性脉冲时，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（D）相连的像素电极上。于是，像素电极与公共电极之间的液晶便会受到Y轴图像电压的控制。如果场效应晶体管的栅极无脉冲信号，则场效应晶体管截止，像素电极上无电压。所以，场效应晶体管相当于一个电子开关。

整个TFT-LCD显示屏的驱动电路如图10-7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作为X方向的驱动信号，驱动X方向的场效应晶体管的栅极（G）。

当垂直和水平脉冲信号同时加到某一个场效应晶体管上时，此像素单元的场效应晶体管就会导通。Y方向驱动信号的脉冲幅度越高，图像越暗；Y方向驱动信号的幅度越低，图像越亮。当Y方向驱动信号为0时，薄膜场效应晶体管截止，光线全部穿过液晶层，呈最亮的白色。(www.xing528.com)

3.TFT-LCD显示屏的工作条件

TFT-LCD显示屏工作时需要具备下列条件。

（1）背光源

液晶显示屏属于被动显示器件，它本身不会发光，而是靠调制外界光源来实现显示。一般液晶显示器的采光方式可分为自然光和外光源设置。外光源设置又分为背光源、前光源和投影光源三类，其中最常用的是背光源。

图10-7 TFT-LCD显示屏的驱动电路

背光源的作用是使液晶显示器在没有自然光的条件下也能正常使用，需要时还可以利用它来提高亮度。目前背光源主要有EL（Electro-Luminescence，电致发光）、CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷阴极荧光灯）、LED（发光二极管）。

EL属于无机电致发光器件，是一种可直接将电能变为光能的设备。在EL的两极上加交流电压，交变电磁场会激发电子轰击荧光物质而发光，这种发光方式称为电致发光。利用这个原理制成的发光器件称为EL灯、EL光片等。EL灯的结构是由背面电极层、绝缘层、发光层、透明电极层和表面保护膜等组成。EL灯发光效率高、功耗低，属于冷光源，它发光均匀，可有不同颜色。它的缺点是亮度低、寿命短。目前EL灯大多用在手机、游戏机等小屏幕液晶显示器上。

CCFL是一种气体放电发光器件，它的构造和工作原理很像日常用的荧光灯。CCFL灯管的两端是冷阴极（一般用镍、钽和锆等制成），无需加热即可发射出大量电子。灯管内充满惰性气体氩和少量的氖气、氪气，还有少量汞（水银蒸汽）。当灯管两端电极被加上高电压时，灯管中的汞原子被激发出紫外光，约有60%的电能转变成了紫外光。灯管的内壁涂有一层荧光粉（一般用白色荧光粉），当紫外光射到荧光粉上，荧光粉即发出白色的可见光。

LED作为光源，其结构是一块电致发光的半导体晶片，核心部分为P型和N型半导体，在P型和N型半导体中间有一个过渡层（PN结）。LED除了具有普通二极管的性质外还有发光能力，当给它加上电压后，电流通过的同时，便会发出不同颜色的光，如砷化镓LED会发出红色光、磷化镓LED会发出绿色光等。当前生产的LED白色背光源的发光强度很高，是很好的液晶显示屏背光源，大有取代CCFL背光源的趋势。

（2）驱动电路

驱动电路包括行扫描驱动电路和列驱动电路。

1）行扫描驱动电路的作用：在帧同步信号的作用下，使薄膜场效应晶体管的栅极扫描线（X方向）逐条加上电压，产生一行行自上而下的扫描线。

2）列驱动电路的作用：在行同步信号的作用下，使薄膜场效应晶体管的源极列驱动线从左至右逐条加上电压，使每一行的像素由左至右逐个发光。

（3）对比度控制

对比度控制功能是在薄膜场效应晶体管的源极和公共电极之间加上反映对比度大小的视频信号。当每个薄膜场效应晶体管控制液晶透光时，即可利用其导通程度来实现各像素点的亮度。