中心議題：
- 液晶顯示模塊影響對(duì)比度控制的幾個(gè)參數(shù)
- 液晶顯示模塊常用背光源的特點(diǎn)和選用原則
為L(zhǎng)CD配置了驅(qū)動(dòng)電路，就形成了液晶顯示模塊LCM(Liquid Crystal Module)。它的基本組成部件除了LCD、驅(qū)動(dòng)電路外一般還有連接件、背光源等。液晶顯示模塊同一個(gè)系統(tǒng)中的其他電路一樣，有簡(jiǎn)單的接口，并提供了豐富的控制顯示的指令系統(tǒng)。為整機(jī)的開發(fā)節(jié)約了時(shí)間。下面討論LCM設(shè)計(jì)中的應(yīng)注意的幾個(gè)問題及解決方法。
對(duì)比度
對(duì)比度是描述一個(gè)顯示器件在顯示時(shí)前景(如顯示的文字、圖形等)和背景之間明暗差別大小的一個(gè)量。以正性液晶顯示器件為例，對(duì)比度公式如下：
Cr=(N1/N2)×100%
其中，Cr是對(duì)比度，N1是像素點(diǎn)未顯示時(shí)的光線透過率，N2是像素點(diǎn)顯示時(shí)的光線透過率。對(duì)比度越大，顯示就越清楚，反之，則顯示暗淡不清。LCD的對(duì)比度與其自身的特性關(guān)系較大，如電光特性曲線的陡度等。從電路驅(qū)動(dòng)的角度來(lái)講對(duì)比度的控制主要受下面幾個(gè)參數(shù)的影響。
● 偏壓電路
設(shè)IC的驅(qū)動(dòng)路數(shù)為N，那么驅(qū)動(dòng)波形的占空比D和偏壓B為：
以HITACHI的驅(qū)動(dòng)芯片HD61203為例，驅(qū)動(dòng)LCD的最大路數(shù)為64，即占空比為D=1/64，那么偏壓比B=1/9，如圖1所示，偏壓電路中R2的取值應(yīng)是R1的5倍，R2=5R1。例如R1=1k，則R2=5R1=5k。
當(dāng)芯片的驅(qū)動(dòng)路數(shù)大于64個(gè)時(shí)，芯片的工作頻率也會(huì)相應(yīng)提高，同時(shí)偏壓電阻也會(huì)因?yàn)槠珘罕鹊脑龃蠖岣咦柚怠＿@樣就不可避免地使偏壓電路的幾個(gè)輸出端V1、V2等的驅(qū)動(dòng)能力下降，這就對(duì)LCD的驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了負(fù)面影響。為了解決高路數(shù)屏的驅(qū)動(dòng)問題，在偏壓電路的設(shè)計(jì)上，應(yīng)當(dāng)提高V1、V2等輸出端的驅(qū)動(dòng)能力。
在圖1中，在各輸出端增加了運(yùn)算放大器LM324。LM324是一個(gè)具有四運(yùn)放的可使用正負(fù)電源工作的運(yùn)算放大器。它的每一個(gè)運(yùn)放都接成電壓跟隨器的形式，使得V1、V2等輸出端的驅(qū)動(dòng)能力大大增強(qiáng)，可以大大改善LCD的對(duì)比度。電路中的Rc為10～20kΩ的可變電阻，在模塊對(duì)外部的接口處引出，可以隨時(shí)調(diào)整顯示的對(duì)比度。
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● 驅(qū)動(dòng)波形的改善
由于一般的模塊電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)須進(jìn)行電磁干擾分析。但在高占空比產(chǎn)品中，用示波器可以發(fā)現(xiàn)芯片的輸出波形往往會(huì)變得較差，這對(duì)顯示的對(duì)比度也有一定程度的影響。為了改變這種情況，可以在偏壓電路的每個(gè)電阻上并聯(lián)一個(gè)0.1μF的電容，可改善輸出波形。
以輸出B形波的芯片的COM線為例。在沒有加電容之前選擇點(diǎn)和半選點(diǎn)的電壓波形都有畸變，畸變嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成串?dāng)_影響顯示對(duì)比度，波形如圖2所示。增加電容后，波形會(huì)得到很大的改善，波形如圖3所示。
圖2 沒加電容前波形
圖3 增加電容后波形
● 工作頻率問題
在實(shí)際調(diào)試一款顯示容量為128×64點(diǎn)陣顯示的模塊樣品時(shí)，發(fā)現(xiàn)模塊在隔行顯示時(shí)，顯示明顯變淡，對(duì)比度極差。經(jīng)分析后認(rèn)為，有兩種辦法可以解決。一是調(diào)整模塊的RC振蕩電路，降低R的阻值，使振蕩頻率由原來(lái)的47kHz下降為20kHz；二是在偏壓電路部分加入驅(qū)動(dòng)電路(如前所述)。兩種辦法都達(dá)到了預(yù)期效果。但第一種辦法由于降低了模塊的工作頻率，因而會(huì)使顯示的禎頻也隨之降低，這就造成了LCD整屏顯示時(shí)會(huì)象電視畫面一樣產(chǎn)生的閃爍現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在熒光燈下觀察更容易發(fā)現(xiàn)，不過在自然光線或白熾燈下顯示效果還算理想，在實(shí)際調(diào)試時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的電阻值；第二種辦法會(huì)增加產(chǎn)品的成本。
● 液晶顯示屏設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
液晶顯示屏是由具有透明電極的ITO玻璃和液晶、偏振片等材料組成的。從電路的角度來(lái)講，LCD上ITO走線電阻的大小對(duì)顯示對(duì)比度有很大的影響。LCD的一個(gè)近似等效電路如圖4所示。其中R1表示從LCD電極到LCD像素點(diǎn)的ITO電阻；R2表示LCD像素點(diǎn)的等效直流電阻；C表示該像素點(diǎn)的等效電容。
要實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)比度，應(yīng)該降低R1，增大R2，同時(shí)使C的容抗也盡量增加，這樣才會(huì)使這條支路上的電壓大部分降在LCD的像素點(diǎn)上，下面分別討論這幾個(gè)參數(shù)的情況。
一般情況下，C通常為每平方厘米幾個(gè)皮法。在LCD驅(qū)動(dòng)波形的頻率較高時(shí)，C的容抗變小，電流將增加，這會(huì)使IC驅(qū)動(dòng)波形的幅值被拉低，造成液晶分子不能在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下很好地“立起”或“倒下”，使得它對(duì)光線的調(diào)制能力減弱而使對(duì)比度變差。在頻率不變的前提下，要減小C值使回路阻抗增大，以降低LCD自身功耗對(duì)IC驅(qū)動(dòng)能力的影響。根據(jù)平板電容器的電容公式：C=s/4πkd(C是介電常數(shù)；s是平行板的正對(duì)面積；k是靜電系恒量；π是常數(shù))
電容的大小，主要受兩方面的影響，一是象素點(diǎn)的面積S；二是上下兩片玻璃ITO之間的距離d。由于象素點(diǎn)的大小已經(jīng)由客戶確定，不能改變，要減小C值只能在d上考慮，但由于生產(chǎn)工藝的原因，d的可調(diào)范圍很小，一般只有幾個(gè)微米。因此C調(diào)整將非常有限。
那么剩下的兩個(gè)參數(shù)中的R2，其阻值的大小主要是由液晶純度決定的。液晶越純，其中的自由離子就越少，等效直流電阻就會(huì)越大，因此在LCD的生產(chǎn)中注意環(huán)境的凈化程度，保證各環(huán)節(jié)不會(huì)受到污染，從而保證液晶的純度，使R2最大。至于R1，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說，要在設(shè)計(jì)過程盡量減小R1卻是相對(duì)容易的，這也是所討論的這幾個(gè)參數(shù)中最容易調(diào)節(jié)和有效的。
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下面將說明如何在設(shè)計(jì)中減小ITO的走線電阻R1，示意圖如圖5。
描述ITO電阻的一個(gè)主要參數(shù)是方塊電阻R□。R□是ITO玻璃生產(chǎn)商提供的一個(gè)參數(shù)，小到十幾歐姆，大到一百幾十歐姆。其大小與ITO材質(zhì)的電阻率和ITO膜的厚度有關(guān)。在R□一定的條件下，一段ITO走線電阻的大小是由走線長(zhǎng)度和線寬決定的。一段長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為d的ITO走線的電阻計(jì)算方法為，R=H(L/d)R□。
例如，已知R□=30Ω/□，長(zhǎng)L1=40mm，L2=30mm，寬d1=0.5mm，d2=0.4mm，那么這段ITO走線的電阻R1=(L1/d1+L2/d2)R□=(40/0.5+30/0.4)×30=4.65kΩ。
從電阻的計(jì)算公式可以看出，在R□一定的前提下，要減小走線電阻R1，只能縮短ITO的走線長(zhǎng)度L和增加ITO走線的寬度d。在設(shè)計(jì)LCD的布線時(shí)，應(yīng)格外注意這一點(diǎn)，以使整段ITO走線的電阻盡量小，這在COG(Chip on Glass)類液晶顯示模塊產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。
另外，在縮短走線長(zhǎng)度L和增加線寬d的同時(shí)，應(yīng)注意整個(gè)屏上ITO走線的電阻分布情況。一般來(lái)說，L比較大的，相應(yīng)地d也要大，對(duì)于每一條ITO走線都要保證公式中L/d是一個(gè)基本不變的量，從而使R分布的盡量均勻，這也有助于改善整個(gè)屏的對(duì)比度。
背光源
由于液晶顯示器是靠反射光線進(jìn)行顯示的器件，因此在環(huán)境光線較弱時(shí)，就需要有光源來(lái)使顯示變得清晰。這就產(chǎn)生了液晶顯示的采光技術(shù)。從目前背光源的類型來(lái)看，一般分為L(zhǎng)ED型、EL型和CCFL型。下面簡(jiǎn)單介紹這三種背光源各自的特點(diǎn)和選用原則。
LED背光源具有工作電壓低、亮度高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)光顏色也有多種，但工作電流較大。一般一支LED典型的工作電壓是2.1V，電流約10mA左右。在背光源的實(shí)際電路中，是把兩支LED串聯(lián)使用，使工作電壓接近數(shù)字電路的工作電壓5.0V。在顯示面積較大的情況下，需要把很多LED串聯(lián)后再并聯(lián)起來(lái)，需要很大的電流。例如，一個(gè)發(fā)光面積為80.0mm×30.0mm的LED背光源就需要24對(duì)LED并聯(lián)到一起，工作電流將達(dá)到240mA。這樣大的電流對(duì)于功耗要求嚴(yán)格的系統(tǒng)來(lái)說是不允許的。為了降低電流，可以使用側(cè)部發(fā)光的背光源。這種背光源是在導(dǎo)光板的側(cè)部安裝了LED的背光源，具有光線均勻、電流低、體積小的優(yōu)點(diǎn)。
EL背光源是通過交變電場(chǎng)激發(fā)在兩片透明電極中間的熒光粉發(fā)光而制成的，最大的特點(diǎn)是特別薄，厚度一般不超過0.8mm，而且發(fā)光均勻。缺點(diǎn)是需要較高交流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)(AC100V，400Hz)、壽命短。功耗一般為每平方厘米幾個(gè)毫瓦，亮度為每平方米幾十坎德拉。發(fā)光顏色有天藍(lán)色、綠色、黃色等多種顏色，實(shí)際使用時(shí)，需要專門的驅(qū)動(dòng)器。
CCFL背光源是這三種背光源中亮度最高的，可達(dá)到每平方米幾千坎德拉。工作電壓是1000V左右的交流電，在實(shí)際使用中也需要配置專門的驅(qū)動(dòng)電路。一般在顯示面積較大時(shí)采用這種類型的背光源，如筆記本電腦等。
總的來(lái)說，這三種背光源性能各有千秋，在實(shí)際設(shè)計(jì)液晶顯示模塊時(shí)可根據(jù)具體情況選擇合適的光源類型。
