市占率最高的显示器件，TFT_LCD的驱动系统设计--Part 1

目录

一、简介

二、TFT-LCD驱动系统概述

（一）系统概述

（二）设计要点

二、扫描驱动电路设计

（一）概述

扫描驱动电路的功能

扫描驱动电路的组成部分

设计挑战

驱动模式

（二）移位暂存器电路 

（三）电位转移器

电位转移器的工作原理

实现方式

（四）数位缓冲放大器

数位缓冲放大器的作用

设计步骤

设计要点

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一、简介

        前序文章，讨论过TFT（薄膜晶体管），分析了其结构、操作原理以及电流电压特性，并引出了借助薄膜晶体管设计的LCD屏幕的要点，本文章主要讨论的是关于TFT-LCD的整体驱动电路系统的设计。

二、TFT-LCD驱动系统概述

（一）系统概述

        驱动系统主要分为三大类，扫描驱动电路设计、资料驱动电路设计以及时序控制电路设计，具体示意图如图2.1所示，即为TFT-LCD的整体概览图。TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）的驱动系统是一个复杂而精细的电子系统，主要负责控制屏幕上的每个像素以正确显示图像。这个系统通常包含以下几个关键部分：

1. 电源电路（Power IC）：提供整个显示面板所需的多种电压，包括背光电源和逻辑电路电源。
2. 时序控制电路（TCON IC, Timing Controller）：接收来自视频源的图像数据，并将其转换成适合TFT-LCD面板的格式。TCON还负责生成控制信号，如行同步、帧同步等，以确保数据在正确的时间被传送到对应的像素上。
3. 灰阶电路：处理图像数据，进行伽玛校正（Gamma Correction），确保输入信号与显示的亮度之间有正确的非线性关系，从而获得更自然的色彩和灰度表现。
4. 数据驱动电路（Source Driver IC）：根据TCON发送的图像数据和控制信号，为每一行像素提供相应的电压，控制每个子像素（RGB）的亮度。
5. 扫描驱动电路（Gate Driver IC）：负责按顺序开启和关闭TFT-LCD面板上的每一行像素，实现逐行扫描显示。
6. 系统接口（System I/F）：作为显示模块与外部设备（如图形处理器或视频控制器）之间的桥梁，支持如LVDS、MIPI DSI等高速数字接口协议，用于传输图像数据和控制信号。
7. 储存电容(Cs)架构：在某些TFT-LCD设计中，储存电容对于保持像素电压稳定性至关重要，尤其是在刷新周期之间。不同的Cs架构会影响驱动系统的具体设计和性能。

        整个驱动过程涉及复杂的信号处理和精确的时序控制，确保每一步操作都能快速且准确地完成，以达到高质量的图像显示效果。此外，不同类型的TFT-LCD显示模式（如TN、VA、IPS）可能还需要特定的驱动策略来优化显示性能。

图2.1 TFT-LCD驱动系统整体概览

（二）设计要点

1. 信号完整性：确保高速数字信号（如LVDS或MIPI DSI）在传输过程中的质量，避免信号衰减、反射和串扰，这通常通过精心设计的布线、匹配电阻和终端电阻来实现。
2. 时序控制的准确性：精确控制TCON产生的各种时序信号，以确保像素的正确开关和数据的准确写入，这对于避免画面闪烁、拖影至关重要。
3. 功耗管理：优化电源电路设计，减少不必要的功率消耗，特别是在移动设备中，低功耗设计尤为重要。
4. 温度管理：TFT-LCD在工作时会产生热量，特别是驱动IC和背光源。设计时需考虑散热方案，避免高温影响驱动器性能和液晶材料的稳定性。
5. 兼容性和可扩展性：设计驱动系统时，要考虑到与不同分辨率、尺寸的面板以及多种接口标准的兼容性，以及未来技术升级的可能。
6. 电磁干扰（EMI）控制：采取措施减少系统产生的电磁干扰，满足相关标准，例如使用屏蔽、滤波技术和适当的布局布线策略。
7. 伽马校正和色彩管理：确保图像色彩的准确再现，通过软件算法或硬件实现伽马曲线调整，匹配人眼视觉特性，优化显示效果。

        总而言之，设计一个高效的TFT-LCD驱动系统不仅需要对电子工程有深厚的理解，还要结合对显示技术的最新进展的掌握，以及对最终产品应用环境的全面考量。通过综合考虑上述设计要点，可以开发出高性能、低功耗且适应性强的显示解决方案。

二、扫描驱动电路设计

（一）概述

        TFT LCD（薄膜晶体管液晶显示器）的驱动系统设计中，扫描驱动电路（通常称为Gate Driver）是一个关键部分，它负责向每一行的TFT（Thin Film Transistor）栅极（Gate）提供脉冲信号，从而控制每个像素的开关状态。下面是对TFT LCD扫描驱动电路的详细解释：

扫描驱动电路的功能

1. 顺序激活行线： 扫描驱动电路按照预定的顺序依次激活TFT LCD面板上的每一行，确保在每一帧时间内所有行的TFT都能被正确地开启和关闭。
2. 提供适当的电压： 它需要提供足够的电压来开启TFT，这个电压通常在几十伏特，因为TFT的栅极氧化层需要较高的电压才能导通。
3. 时序控制： 扫描驱动电路需要精确地控制信号的开启和关闭时刻，以确保数据能够在正确的时刻被写入到对应的像素中。

扫描驱动电路的组成部分

1. 移位寄存器： 移位寄存器用于接收主控制器的启动脉冲，并将这个脉冲通过一系列的时钟信号沿着整个行线移动，每次只激活一行。
2. 缓冲器或放大器： 由于栅极线较长，信号在传输过程中会衰减，因此需要缓冲器或放大器来增强信号，确保足够的电压能够达到行线的末端。
3. 输出级： 输出级负责将移位寄存器的信号转换成足以驱动TFT栅极所需的电压和电流。

设计挑战

1. 功耗管理： 由于扫描驱动电路需要处理高电压和大电流，因此设计时必须考虑功耗和散热问题。
2. 信号完整性： 在长距离传输中，信号容易受到衰减和干扰，设计中需采用合适的布局布线策略。
3. 成本与集成度： 为了降低成本和提高可靠性，现代TFT LCD设计倾向于将扫描驱动电路直接集成在玻璃基板上，使用诸如低温多晶硅（LTPS）或氧化物TFT技术。

驱动模式

1. 逐行扫描： 最常见的驱动模式，每一帧时间内从上至下逐行激活。
2. 交错扫描： 仅在某些应用中使用，先激活所有奇数行，然后是偶数行，这样可以减少闪烁感。
3. 双扫描： 某些高刷新率显示器采用双扫描，即在一帧时间内两次激活所有行，以增加刷新率和视觉流畅度。

        设计TFT LCD的扫描驱动电路时，工程师需要平衡性能、功耗、成本和可靠性，同时考虑到液晶材料的物理特性，确保显示器在各种环境条件下都能提供高质量的图像。

图3.1 扫描驱动电路基本功能块示意图

（二）移位暂存器电路 

        扫描驱动电路的主要作用是在显示面板上逐行地选择要更新的像素行。这个过程通过一个称为移位暂存器（Shift Register）的组件来实现。

        

图3.2 移位暂存器输入波形示意图

        移位暂存器的基本功能是接收时钟信号和控制信号，并按照一定的顺序产生输出脉冲，这些脉冲被用来依次激活每一行的TFTs（薄膜晶体管）。具体来说，移位暂存器有以下几个主要功能：

1. 时钟信号接收：移位暂存器接收时钟信号，该信号决定了移位暂存器内部状态改变的速度。
2. 控制信号接收：移位暂存器还接收控制信号，比如启动信号（Start Pulse），它指示移位暂存器开始工作。
3. 移位操作：（1）当收到启动信号后，移位暂存器会根据时钟信号的上升沿或下降沿来移动内部的状态位。（2）每个时钟周期内，移位暂存器的状态位会向前或向后移动一位，这样就可以按顺序选择不同的行。
4. 输出脉冲产生：（1）移位暂存器的每个状态位都与一个输出端口相关联，当某个状态位置位时，相应的输出端就会产生一个脉冲信号。（2）这些脉冲信号用于激活对应的行选择线（Gate Line），进而控制该行所有像素的TFT开启，以便给这些像素写入灰度级电压。
5. 刷新速率：移位暂存器的工作频率直接决定了显示面板的刷新速率。一般情况下，为了保证图像的流畅性，LCD面板的刷新速率至少需要达到60Hz。
6. 可靠性与稳定性：在长时间运行过程中，移位暂存器需要保持稳定可靠的工作状态，避免出现错误的脉冲信号导致图像失真。

图3.3 双向移位暂存器

        总的来说，移位暂存器是扫描驱动电路的核心组成部分，它确保了每一行像素能够被正确且有序地选择和刷新，从而使整个LCD面板能够正确显示图像。

（三）电位转移器

        在TFT LCD（薄膜晶体管液晶显示器）的驱动系统设计中，扫描驱动电路（通常称为Gate Driver）是负责控制像素行的选择和刷新的关键部分。在这个电路中，电位转移器（也称为电平移位器或Level Shifter）是一个重要的组件，它的主要功能是将较低电压的控制信号转换为足够高的电压，以驱动TFT的栅极。

图3.4 电位转移器

电位转移器的主要功能如下：

1. 电压转换：电位转移器的主要任务是将来自控制器的低电压信号转换为足够高的电压，以确保TFT能够被充分开启。这是因为TFT的栅极通常需要较高的电压才能导通。
2. 信号隔离：电位转移器还可以起到信号隔离的作用，防止驱动电路的高电压反馈到控制器或其他低电压电路中，保护这些电路免受损坏。
3. 提高驱动能力：通过提高信号电压，电位转移器增强了驱动能力，确保即使在长距离传输时也能有效地驱动TFT栅极。
4. 兼容性：在不同的显示技术和电源电压配置中，电位转移器确保了驱动信号的兼容性和有效性。
5. 功耗管理：通过高效地转换电压，电位转移器有助于降低功耗，这对于便携式设备尤为重要。
6. 稳定性：电位转移器确保了信号的稳定性和可靠性，这对于保持图像质量至关重要。

电位转移器的工作原理

        电位转移器通常由一组晶体管组成，这些晶体管可以是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或其他类型的晶体管。这些晶体管被配置成放大电路，能够将输入信号的电压水平提升到输出所需的电压水平。在TFT LCD中，这些晶体管通常是使用与TFT相同的工艺制造的，因此它们可以在同一基板上集成，减少了外部组件的需求，降低了成本并提高了可靠性。

实现方式

        电位转移器可以通过不同的技术实现，包括模拟电路设计和数字逻辑设计。在TFT LCD中，电位转移器通常与移位寄存器、缓冲器等其他组件一起集成在一个完整的Gate Driver中，以实现对整个显示面板的行选择和刷新。

图3.5 电位转移器输入波形

        总结：电位转移器是TFT LCD扫描驱动电路中的一个重要组成部分，它确保了足够的电压能够被应用于TFT的栅极，使像素能够被正确地开启和关闭，从而保证了图像的质量和显示的清晰度。通过将低电压信号转换为高电压信号，电位转移器在维持显示系统整体性能方面发挥着至关重要的作用。

（四）数位缓冲放大器

        TFT-LCD中的数位缓冲放大器（Digital Buffer Amplifier）通常是源极驱动器的一部分，它的作用是在数模转换之前，对数字信号进行处理和调节，以确保信号的完整性和驱动能力。数位缓冲放大器的设计旨在提供足够的驱动电流给后续的数模转换器（DAC），并且减少信号失真。

数位缓冲放大器的作用

1. 信号增强：增强来自时序控制器（TCON）的数字信号，以便能够驱动更多的负载，比如DAC中的多个模拟开关。
2. 信号整形：确保信号的边缘清晰，减少信号传输过程中的失真，提高信号的完整性和可靠性。
3. 隔离：在某些情况下，数位缓冲放大器还可以起到隔离主控电路与DAC的作用，保护敏感的DAC电路免受噪声或潜在的电压波动的影响。

图3.6 数位缓冲放大器

设计步骤

1. 需求分析：首先确定LCD面板的技术规格，包括分辨率、刷新率、色彩深度等，以及数位缓冲放大器的工作频率和信号带宽要求。
2. 架构设计：选择合适的缓冲放大器架构，常见的有CMOS逻辑门、锁存器等。考虑缓冲放大器的级联方式，以满足信号强度的需求。
3. 电路设计：（1）选择适当的逻辑门电路，如NAND/NOR门或者反相器。（2）设计内部的信号路径，包括输入缓冲、中间级放大以及输出缓冲。
4. 时序分析：确保缓冲放大器的输出信号能够与时序控制器的时钟和其他控制信号同步，避免数据错误或时序冲突。
5. 功耗评估：计算电路的静态和动态功耗，考虑如何通过电路结构优化来降低功耗。
6. 模拟与验证：使用电路仿真工具对设计进行模拟，验证信号完整性、功耗和时序性能。
7. 布局与布线：在PCB设计阶段，合理规划电路的布局和走线，以减少信号干扰和噪声。
8. 原型测试：制作原型，进行实际测试，包括电气性能测试、功能测试和可靠性测试。
9. 调整与优化：根据测试结果调整设计参数，优化电路性能。

设计要点

1. 信号完整性：确保信号在传输过程中不失真，特别是在高速信号传输时，要考虑信号反射、串扰等问题。
2. 时序精度：缓冲放大器的输出信号必须与TCON的时钟信号严格同步，任何时序偏差都可能导致显示问题。
3. 功耗管理：设计时考虑低功耗技术的应用，如电源门控、动态电压调节等，以延长设备的电池寿命。
4. 噪声抑制：采取措施减少噪声对信号的影响，如使用屏蔽技术、增加去耦电容等。
5. 可靠性设计：确保电路在长时间运行下的稳定性和可靠性，通过冗余设计提高故障容忍度。
6. 成本效益：在满足性能要求的前提下，尽量选择性价比高的元器件，简化电路设计，降低成本。

        通过上述步骤和要点，可以设计出性能优良且可靠的TFT-LCD数位缓冲放大器，从而为液晶显示屏提供高质量的图像输出。最终各器件组成的整体扫描驱动电路如下图所示，控制整体TFT器件的扫描开启与关闭。限于篇章，资料驱动电路设计以及时序控制电路设计放在part 2部分讨论，感谢阅读。

图3.6 扫描驱动电路子系统概述