毕业设计TFTLCD显示技术电路设计和仿真Word格式.docx

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第一章绪论

1.1液晶显示技术的发展历程

液晶，最早是奥地利植物学家莱尼茨尔在1888年某次测定有机物的熔点时偶然发现的，。

他经常从胡萝卜中萃取胆固醇，有一天，他注意到了加热一种苯甲酸胆固醇所产生的颜色变化:

当加热至摄氏145度，固态化合物慢慢熔化成钻稠白云状的液体，继续加热，温度上升至摄氏179度，钻稠白浊的特性消失，变成了清澈透明的液体，这种化合物似乎有两个不一样的熔点，而当该化合物冷却时，同样的现象重复出现，只是次序反转，最后形成固态的结晶体。

后来他发现有机物融化后在加热的状态下都会由透明的白色浑浊液体变成透明清亮的液体，这是人们对液晶最原始的认识。

正是莱尼泽的这一发现，直接将液晶呈现在了世人的面前。

不久，德国物理学家莱曼观察发现这些液体还会显示出各向异性的晶体所有的双折射性，因此把它命名为“液晶”。

早期液晶作为显示屏的材料很不稳定，作为商用尚存在着许多需要解决的问题。

因此，制造商们不断去寻找更好的方法以提高液晶显示器的性器发展的难题，科技的进步恰恰为这一切提供了可能。

经过将近40年的发展，液晶显示器的技术接近成熟。

20世纪60年代初，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或者折射。

反复的实验之后，人们又发现了光电效应，即向列液晶的透明薄层通电时会出现浑浊现象。

随着时间的推移，越来越多的实验让人们对液晶结构的特性和应用有了更加深刻的认识。

终于，1971年发明了第一台液晶显示器，就是最初的TN_LCD，即扭曲向列。

这一技术迅速普及开来，在很多领域得到了推广应用，包括计算器，电子表等。

美国人最先提出了TFT_LCD技术，自此登上舞台。

但是TFT-LCD技术真正的发展是在1993年，日本率先实现了TFT_LCD大规模生产，液晶显示器开始向廉价，低成本方向发展之后，薄膜式晶体管TFT_LCD开始进一步向高端发展。

1997年，第一批大基板尺寸第三代TFT_LCD生产线在日本建成。

目前，由于薄膜晶体管液晶显示器具有重量轻、平板化、低功耗、无辐射、显示品质优良等特点，其应用领域正在逐步扩大。

同时随着应用领域的扩大，对液晶显示器的要求也正在向大尺寸，高分辨率，高彩色化发展，这也使得人们研究和开发新的驱动方案，如目前的新的IC驱动技术。

1.2TFT_LCD主要的技术特点

TFT_LCD从1960发明开始经过不断的改良和发展，在二十世纪几十年代才真正发展起来，是采用新材料和新工艺的大规模半导体全集成电路制造技术。

TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片上通过溅射，化学沉积工艺形成制造电路必须的各种膜，通过对膜的加工制作的大规模半导体集成电路。

随着近年来TFT技术的日益成熟，彩色液晶平板显示器也得以迅速发展，于1991年成功转型为笔记型计算机用面板，TFT_LCD已迅速成长为主流显示器，从此进入TFT_LCD的时代。

从1991年的第一代开始，目前已发展至第9代，甚至第10代生产线。

与之对应的是，面板的尺寸，像素数，像素数密度也在按类似于摩尔定律的规模增加。

特别是进入五代线以后，面积与产能不断扩大，TFT_LCD已经成为主流。

当然，这项技术仍然在不断地进步，工艺越来越简化，生产效率越来越高，直接使得价格越来越低。

TFT_LCD之所以能迅速成长至此，这与它自身的特点是分不开的，它主要有以下四特点：

（1）适用范围广：

在很大的温度范围内都可以正常使用（-20℃到50℃），而且经过温度加固处理的TFT_LCD低温工作温度甚至可达到-80℃，同时它既可以用移动终端显示，也可以用台式终端显示，连投影都可以，是性能优良且全面的全尺寸显示终端。

（2）适用特性好：

TFT_LCD产品还有着较高的安全性和可靠性，再加上目前已经平板化，又轻薄方便多了。

此外，TFT_LCD的功耗极低，可以节省大量能源，升级容易，使用寿命长，高分辨率，显示方式多样等诸多优点。

（3）TFT_LCD制造技术拥有着很高的自动化程度，大规模工业化生产特性好，目前TFT_LCD技术已经基本成熟，大规模生产成品率也极高。

同时它还易于集成和更新换代，由于是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发展潜力巨大。

目前已经有非晶，多晶和单晶硅TFT_LCD，将来肯定还会有其它材料的TFT出现。

（4）环保特性好：

最重要的是它没有辐射，不会损害使用者的健康。

伴随着TFT_LCD电子书的出现，无纸办公，无知印刷时代开启，是人类学习，传播和记载方式的革命。

显而易见的，TFT_CD的更易于集成和更新换代的特点赋予了它广阔的发展前景。

此外，除了上面所说的外，TFT_LCD还有着大面积，功能强大，应用领域广泛等其他的特点。

1.3TFT_LCD国内外状况的对比

要看TFT_LCD国内外状况的对比，我们首先来看下全球大尺寸TFT_LCD面板各地区市场占有率：

下图可以看出主要是台湾，韩国，日本占据了这片市场，而我国显然还十分稚嫩，图中显示韩国大尺寸TFT_LCD出货量在2001年超过日本，成为全球第一大TFT_LCD生产国。

之后稳居第一位，维持了市场支配性地位。

然而好景不长，韩国遭到来自台湾企业的猛烈冲击，虽然在2002年第1季度曾出现过一段市场占有率逆转的现象。

从下半年开始，随着韩国国内企业的第5代生产线正式投入批量生产，韩国的市场占有率又重新出现增长，最终仍以39.9%的占有率排名第一位。

技术上，目前TFT_LCD技术已经成熟，困扰液晶平板显示器的三大难题：

视角、色饱和度、亮度已经获得解决。

再看一下中日韩台TFT_LCD产业技术现状对比：

从上面我们可以明显的看出目前我国大陆和台湾地区，韩国以及日本的发展差距，就这种状况，我们不可能不依赖进口。

世界TFT_LCD产业的现状及发展方向决定了中国大陆TFT_LCD产业的发展的规模及前景。

中国大陆TFT_LCD产业发展比日韩及欧美发达国家要晚近二十年。

但中国大陆TFT_LCD产业发展有其独特的特点和局限，主要有以下特点：

（1）中国大陆TFT_LCD产业来势凶猛，良性循环机率低，产业链失衡，生产线、设备落后。

（2）中国大陆TFT_LCD产业一开始就受到当地政界的大力支持，产业发展的相关上游材料生产都有待极大开发生产。

（3）中国兴起的FPD产业，将逐渐成为世界FPD产业的核心，中国FPD产业的发展也将面临艰巨的挑战，同时中国TFT_LCD产业仍是全球的焦点。

至今，国内仅能生产电脑显示器、笔记本电脑用中等尺寸和小尺寸面板产品，全球市场份额不足10%，尚没有液晶电视用大尺寸面板的生产能力。

与几乎同时起步的韩国和台湾相比，我国TFT_LCD产业存在巨大差距，亟须大力发展。

1.4课题研究内容及意义

随着液晶显示的蓬勃发展，TFT_LCD驱动芯片业迎来了巨大的市场，其中最为明显的是TFT_LCD驱动IC的增长。

为了在这个巨大的市场中占有一席之地，我国的IC行业面临着发展的机遇和挑战。

为了更好的掌握产业发展的主动权。

本文针对这一发展趋势的要求，研究与设计了TFT_LCD列驱动电路，参照了现有产品的部分设计经验，根据数字电路和模拟电路设计流程和“自顶向下”的设计思想首先对芯片进行层次化功能划分;

然后进行各个功能模块的原理图输入和仿真。

最后，依据芯片资料提出的功能、性能指标、对芯片的功能、性能进行了模拟验证。

本文采用的仿真验证工具是Multisim和Cadence，数字部分与模拟部分均采用原理图输入的方法。

根据工作原理，本文将把整个电路划分为六个模块:

双向移位寄存器、数据寄存器、数据锁存器、电平位移、D/A转换器和输出缓冲器。

其中前二个部分为数字模块，后两个部分是模拟模块。

在第二章中，本文将首先介绍源驱动芯片的工作原理和系统架构;

第二章将介绍数字部分电路的设计;

第四章介绍电平位移模块和模拟部分电路的设计;

第五章则给出SXGATFT_LCD源驱动芯片的系统实现;

第六章是对整体设计过程的一个总结，并给出了未来可以改进的地方。

第二章至第五章每个部分都将会从它的工作原理、结构、性能指标和仿真结果各个方面加以介绍，必要时给出具体的分析推导。

第二章显示原理

2.1液晶显示基本原理

2.1.1LCD器件结构

液晶显示器件（LCD,LiquidCrystalDisplay）的面板由20多项材料以及元件构成，面板厚度不到1cm，十分轻薄短小，而且不同类型的LCD所需的材料不尽相同。

基本上，LCD结构如同一个三明治，如图所示，在一个液晶盒中一般包括玻璃基板，彩色滤光片，偏光板，配向膜，印制电路板等材料，当灌入液晶材料后，一个液晶显示器件就形成了。

2.1.2液晶显示原理

液晶是分子排布或指向具有某种规律、介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。

它具有液体的流动性和晶体的双折射性，并且在电场的作用下会改变其分子排列。

液晶的特点是构成液晶的分子指向有规律，而分子之间的相对位置无规律，前者使液晶具有晶体才具有的各向异性，后者使之具有液体才具有的流动性。

液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，从而光线容易通过，不通电时，排列则变得无序，从而阻止光线通过。

如下图所示：

TFT_LCD液晶显示器的显像原理是采用“背透式”照射方式。

当光源照射时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子来传导光线。

由于上下火层的电极为FET电极和公共电极，在FET电极导通时，液晶分子的排列状态同样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。

但不同的是，由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。

从电子学角度阐述液晶显示器件的显示原理为:

在外加电场的作用下具有偶极矩的液晶棒状分子在排列状态上发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现或明或暗、透过与不透过的显示效果。

液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照驱动信号的控制在显示屏上合成各种图像，液晶显示驱动的功能就是建立这种电场。

液晶显示有三大优点:

液晶本身不发光，只是反射环境光;

用十显示的液晶的厚度一般在几十微米以下，加上电极板也只有几毫米，所以液晶元件一般薄而且轻，应用十分方便;

液晶显示器耗电量一般极低，基本上不耗电能。

2.2TFT元件的结构特性和工作原理

2.2.1TFT元件的结构

在TFT_LCD中，TFT的功能就是电气开关。

图2.1表示了TFT元件的平面图和截面图。

它是三端器件，一般在玻璃基板上设有半导体层，在其两端有与之相连接的源极和漏极，并通过栅极绝缘膜与半导体层相对放置，设有栅极。

利用施加于栅极的电压Vg来控制源、漏电极之间的电流。

栅极

源极漏极

半导体层

图2.1TFT的基本结构

TFT器件和MOS器件的工作原理一致，唯一的区别在于MOS器件的半导体材料是单晶体材料，TFT的半导体材料是薄膜材料。

对于TFT工作于线形区时，即VDS<

（VDS-Vth），漏极电流为:

对于TFT工作于饱和区时，即VDS>

（VDS-Vth），漏极电流为：

关断状态的漏电流方程为：

其中，VDS是源漏间的电压，ID是源漏间的电流VGS是栅源间的电压，VT是阈值电压，μ是有效迁移率，Cox是栅氧化层的厚度，W是沟道宽度，L是沟道长度。

ION的大小反映了沟道导电能力的强弱，如果ION太小，将影响MOS管的增益和输出动态范围，反之如果ION太大，则会引起直流功耗过大。

迄今有很多关于TFT元件的研究开发正在进行，但实现使用化的是单晶硅TFT（a-SiTFT）、多晶硅TFT（p-SiTFT）、使用单晶硅MOSFET（c-SiMOSFET）的硅类半导体晶体管。

由于a-SiTFT的电子移动速率低于1cm2/V.sec，而驱动IC需要较高的运算速率来驱动电路，并巨不易将驱动IC集成到基板上。

相比之下，p-Si电子的移动速率可以达到100cm2/V.sec，同时也更容易将驱动IC集成到基板上，可以降低生产成本，并使产品重量更轻、厚度更薄。

同时p-SiTFT比传统的a-Si小，所以解析度可以更高。

2.2.2TFT工作原理

TFT_LCD的象元由阵列基板侧面的液晶象元电极，公共电极以及封闭在两者之间的液晶构成，象元通过一个薄膜晶体管控制加到其上的电压，如图2.2所示：

显示数据

薄膜晶体管

液晶

公共电极

图2.2TFT_LCD象元结构

TFT_LCD的每个象素都是一个薄膜晶体管，其具有存储的特性，且其存储时间的长短取决于TFT关态电阻和液晶象素的电容，存贮电容的RC常数。

因此，TFT_LCD的驱动方式不同于TN和STN。

TFT_LCD的象素在显示系统中的结构如图2.3所示:

当扫描驱动器施加给扫描电极一个选择电压时，TFT_LCD显示的灰度级由数据驱动器的电压和存储在象元上的电压决定。

即当TFT的栅极G与源极S未选通时，TFT处于截止态，源极S与漏极D之间相当于开路，外电路电压不会施加到液晶像素上。

当行扫描信号选通了某一行所有TFT的栅极G后，源扫描信号依次选通此行上TFT的源极S。

行扫描信号和源扫描信号同时选通的TFT将被打开，源、漏极之间导通，源扫描信号即数据信号写入液晶像素和补偿电容Cs。

因为液晶像素与补偿电容对电荷的存储特性，在TFT截止后，写入的数据信号会保存一段时间。

可以设定这个保存时间为半帧周期，下半帧时，改变写入信号的极性，即可保证液晶像素处于交流驱动状态。

输入数据1输入数据2输入数据3

TFTTFT

SD

Lyquidcystal

公共电极公共电极

图2.3TFT_LCD象元在显示系统中的结构

第三章驱动原理

3.1液晶驱动方法

液晶显示的驱动方式有许多种，根据常见的液晶显示器件种类，液晶显示器件的驱动方式主要可分为以下几大类。

即直接驱动法，有源矩阵驱动法，射束寻址驱动法，铁电液晶驱动法，彩色液晶驱动等。

TFT_LCD一般采用有源驱动法。

TFT_LCD的有源矩阵驱动也叫开关矩阵驱动，其主要特点是在显示面板的各像素点设置了开关元件（TFT）。

TFT的作用是把液晶像素和信号电极很好的分隔开来，即有源开关的作用。

这种行、列电极交叉构成的点阵显示方式，不仅提高了显示屏的响应时间，同时在灰度控制上也可以通过点脉冲直接控制，可以做到非常精确，因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，使TFT色彩更逼真，显示模式也更灵活。

在显示过程中，由于在某一时刻只有一行单元被选中，其它行都处于选中状态，从而彻底消除了交叉效应。

同时，由于液晶显示像素的存储效应，只要TFT单元的漏电流足够小，写入的数据信号在一帧时间内可基本保持不变，就能实现占空比接近100%的静态显示效果。

对TFT_LCD来说，目前最为常见的共有4种驱动方法，即帧反转，行反转，列反转和点反转，图3.1为这4种驱动方法的示例图。

帧反转

1

2

3

4

1

+

2

3

4

2

-

行反转

列反转

点反转

图3.1液晶显示驱动方法

1）帧反转:

即一帧中所有的数据电压极性相同，但对于公共电极电压前一帧与后一帧的极性相反。

2）行反转:

即一帧中的相邻行的数据电压相对于公共电极电压极性相反。

3）列反转:

即一帧中的相邻列的数据电压相对于公共电极电压极性相反。

4）点反转:

即一帧中的相邻象素的电压相对于公共电极电压极性相反。

帧反转驱动方法用于分辨率较低的场合，尽管功耗低，但驱动电压较大，而且闪烁现象严重，所以TFT_LCD一般不用。

由于在相同帧频的前提下，分辨率的提高，就意味着时钟频率的增加，即对每个象素的写入时间将变短，因此通常对于分辨率较低，屏幕较小的显示器，如分辨率为VGA和SVGA的TFT_LCD用行反转，更高分辨率的则用点反转方式。

总之，帧反转驱动方法用于分辨率较低的场合，其驱动电压较大，功耗较高，但电路简单;

行反转驱动方法用于分辨率中等的显示屏，其驱动电压较小，功耗较低，但电路比帧反转要复杂一些;

点反转驱动方法用于分辨率较高的场合，电路最为复杂，但图像效果最好。

3.2TFT_LCD驱动原理

3.2.1TFT_LCD系统结构

图3.2是TFT_LCD显示系统的电路框图，其按功能可以分成接口电路，视频信号变换电路，时序控制电路，电压变换电路，公共电极驱动电路和显示模块等6个部分。

其中显示模块包括有效显示区、扫描驱动芯片以及列驱动芯片。

输入接口部分负责将输入的数据信号、同步信号、控制信号和电源信号送入时序驱动电路板;

视频信号变换电路则负责将输入的信号转换成适合TFT_LCD显示的数据信号，然后经过时序控制电路的同步和定位，连同栅、源驱动芯片的控制信号，时序信号和同步信号共同经过输出接口送入显示模块;

电源变换电路将输入的直流电压转换成各个部分所需的直流工作电压以及直流驱动电压和背光源所需的交流电压;

公共电极驱动电路将产生公共电压，和数据线驱动电压共同作用，从而完成TFT_LCD的显示工作。

视频信号变换

数据驱动电路

接口

栅极驱动电路

液晶显示屏

时序控制电路

电源变换电路

公共电极驱动

图3.2TFT_LCD显示系统

从图3.2的TFT_LCD的显示系统结构中可以看到，驱动一块TFT_LCD显示屏，需要两组信号:

源极数据信号和栅极行扫描信号。

从驱动系统的角度来看，这两组信号分别由两种驱动芯片来实现:

列驱动电路和行驱动电路。

源驱动电路的作用就是对数据线施加目标电压，而栅驱动电路的作用是实施开关的导通和断开，工作时按照一次一行的方式依次扫描栅极。

每扫描到一条栅极线，与其相连的TFT同时处于导通状态，通过漏极总线将数据线上的信息提供给各信号存储电容，各像素的液晶被存储的信号激励至下一个帧扫描时为止。

这种方法循环地给每行栅电极施加选择脉冲，在一帧中每一行的选择时间是均等的。

3.2.2TFT_LCD驱