数字TFT—LCD驱动电路实验研究

摘要：结合有源矩阵液晶显示器件及其驱动技术的发展，分析了TFT-LCD驱动技术研究现状，实现动态画面的数字TFT-LCD驱动电路系统的工作原理与实现。电路显示控制采用芯片MST 501V，它内置有TCON、一个Scaling Engine，并提供OSD功能。通过电路实验，实现了动态图像画面，取得很好的显示效果。

关键词：TFT-LCD；驱动电路

随着TFT液晶显示器显示面积的增大，TFT阵列基板上输入电阻的增大将要求写入信号的时间变长。而分辨率的提高，扫描行数的增加将要求写入信号的时间变短。同时整个驱动电路，尤其是源驱动部分的面积也会大幅度增大。

一、TFT-LCD显示单位驱动原理级结构

1.与一般液晶显示器相比，TFT液晶显示器的导通比更大，可靠性高，性能稳定，易实现尺寸放大。在其下的玻璃基板上，配置了扫描及寻址线路，从而可以组合成矩阵排列，在交点上制作TFT栅源器件和像素电极。单个TFT显示像素是由一个MOS管以及一个对地电容和像素寄生电容共同组成。图l所示为单个TFT显示像素中，栅极G为扫描信号输入，源极S为数据信号输入，漏极G为场效应管输入，对地电容为补偿电容增加电路原理图。当源极S与栅极G未被选通时，场效应管就处于截止状态，这时候漏源之间的电阻极大，近乎绝缘，液晶像素上没有电压，不能显示像素。当扫描线路栅极G及源极S同步选通时，场效应管导通，导通电阻降低，满足导通要求，显示像素被写入信号。数据写入的电压因为补偿电容与像素寄生电容的作用，在停止写入后，也会保持一段时间的导通状态。系统设定的保持状态为半个帧的时间，下半帧时，改变写入极性，就可以保证液晶处于交流驱动状态，以实现像素显示图像和中断显示的结果。

2.TFT-LCD显示驱动的系统结构，TFT-LCD驱动系统包括几个主要部分，如圖2是数字TFT-LCD的驱动系统原理图，分别是信号输入、信号处理、CPU控制以及信号输出。此驱动系统的核心部分是信号处理部分。电子信号分为模拟及数字两种，相应的显示器电路也由模拟电路和数字电路两部分共同组成。TFT-LCD的图像输入信号就分为模拟和数字两类，模拟输入为R/G/B三路模拟现实信号，最高的是8bit数据传输，有时候因为现实效果的要求和液晶种类的差异，也可选择6bit传输等。数字TFT-LCD的驱动系统由输入部分、CPU控制模块、现实控制IC电路、输出、LCD部分以及电路供电组成。信号的传输方向为：外部设备连接到输入电路，再接入显示控制IC电路，控制芯片经过处理转入输出口，再连接显示屏，将信号显示出来，整个系统都由CPU进行时序控制增加系统结构图。由于外接设备的类型和信号不同，输入部分可以输入模拟信号和数字信号。对于输入的模拟信号，需经过模数转换电路，以数字信号的形式输入到显示控制芯片当中。显示控制芯片是一种高性能的，为液晶显示提供动态图像处理功能的集成电路。当然，随着技术的日趋成熟，显示控制芯片已经不局限于此，很多芯片还具备存储数据、缓存处理等功能。这些高级的芯片实现了多元化的GPIO，满足自由输入输出的要求，其输入口完全可以接纳各种模拟及数字信号的输入，而输出部分也可以根据显示屏的大小和分辨率的不同而选择合适的输出信号位数。输出部分要实现的功能主要有：提供显示控制芯片与LCD的信号通道，连接处理器实现对LCD的控制，提供背光以及整体电路工作电源灯。在这里，中央处理器对整个电路系统进行控制，以实现信号有序的输入、处理和输出到液晶显示屏，同样也可以对电源供电进行控制。

3.LED背光源，如今用新的大功率、高亮度的LED技术作为背光源，可以将对NTSC信号色谱的覆盖率提高到超过100%。另外，这些新LED背光没有CCFL背光所需的水银，非常适合绿色环保应用。LED背光还具有很多其它优点。对于大面积面板，可采用分离的红色、绿色和蓝色LED，这使显示器的色温可以很容易进行调整。增加LED背光和CCFL背光优缺点对比图以及LED驱动电路原理图这些器件的快速响应特性还使它们非常适合于频闪背光（strobling backlight）应用。LED的驱动需要一定的电压和电流，手提产品的电源都是电池，因此就需要升降压电压变换的电源管理电路。

二、一种全新TTF-LCD驱动电路电源设计

为了驱动640×RGB×480的数字TFT液晶显示屏，实现计算机信号DVD视频信号的动态显示，设计了一种新型TFT-LCD驱动电路。对于这种规格的数字液晶显示屏，6位R、G、B输出可以得到高清晰度的显示效果。从图3可以看出，电路由AV1、AV2、VGA输入、显示控制IC、CPU控制、50脚输出、供电电源等几个部分组成。输入部分包括三路，分别是AV1和AV2，为模拟混合视频信号；标准的15PinVGA接口，为R、G、B模拟输入信号。对于模拟VGA输入，R、G、B三路模拟信号直接进入显示控制IC。采用MST 501V显示控制器、芯片对输入信号进行信号处理，输出R、G、B各6位共18路信号。而AV1和AV2视频信号则经过A/D转换后由656口进入显示控制芯片，对于数字信号输出的设备，也可以直接接656口输入增加驱动原理图。MST 501V是一个高度集成的LCD显示器图像处理芯片，输入提供模拟RGB入口和656数字信号入口。芯片内有XGA-LCD显示控制器、内置的输出时钟发生器和TCON。具有高性能的扫描单元，一个OSD控制器，输出为8位的R、G、B数字信号出口。CPU采用8051单片机，为SM5964，实现对显示控制芯片、背光电源、屏显示模式的初始控制和外部控制。系统输入电源为12 V，输出有5 V、313 V、215 V、118 V、10 V、-10 V、17 V共7路，为各芯片和显示屏供电。

三、数字TFT-LCD驱动芯片设计和验证方法

1.设计流程与设计方法，驱动控制电路芯片是数/模混合信号超大规模集成电路，单片集成了数字电路、模拟电路和SRAM等多种电路类型，因而在设计时有其特殊的设计和验证方法。TFT-LCD驱动控制电路芯片自顶向下的设计流程。

在系统设计阶段，依据规格书的要求和各模块功能将整个芯片电路分为数字、模拟和SRAM三大部分，然后对各部分采用Verilog-A进行行为级建模和系统级功能仿真验证。在数字电路的设计中，根据系统设计得到各模块和各信号间的逻辑关系，采用编码、自动综合和特性仿真可得到数字电路部分的门级网表，然后通过自动布局布线生成数字部分的版图。而模擬电路在系统设计后得到模拟电压值，通过全定制的方式从最基本的模块设计开始，搭建起整个模拟电路部分的电路，得到晶体管级网表。然后经过HSPICE仿真，确认功能无误后进行版图设计增加设计流程的图示。SRAM的设计分两部分：SRAM控制逻辑电路采用数字电路设计方法，SRAM体采用全定制的设计方法。当数字、模拟和SRAM三部分的版图设计完毕后，需要进行整个芯片的布局布线得到芯片版图，经过DRC/LV S/ERC验证后生成GDSII格式数据，最后由芯片制造厂家加工。

2.验证模型与验证方法，TFT-LCD驱动控制电路芯片的电路类型多、规模大（超过360万晶体管）、结构和时序复杂，对验证技术要求非常高。在芯片功能验证时，需要建立等价的验证模型来代替模块电路。在建立验证模型时，采取以下两种有效方法：①适当缩减重复单元，减小电路规模。如列驱动每一路输出通道子电路的结构都相同，因此在保证连接性正确的条件下，可以抽取部分输出通道来进行时序和显示功能的验证。②部分电路模块采用行为级模型代替晶体管级网表。如电荷泵电路在每次拓扑结构改变之后都要建立一次直流工作点，使得仿真速度非常慢。采用Verilog-A建立行为级代码代替晶体管级网表进行仿真验证可以大大缩短仿真时间。针对验证模型，采用混合信号仿真工具，根据验证的功能和时序要求，选择适当的网表组合进行仿真，即可实现电路的高效快速验证增加验证流程的图示。

结合液晶领域TFT-LCD技术的发展，讨论了TFT-LCD驱动电路的控制原理，并给出了一个驱动6位数字TFT-LCD的驱动电路及其电源设计，以及头盔显示器液晶显示及驱动电路设计。应用结果表明.该电路系统能够有效地驱动数字屏，取得了高质量的显示效果。

参考文献：

[1]吴晓华.液晶屏驱动技术研究.2016

[2]黄欢.小尺寸TFT-LCD驱动电路的设计.2016

[3]马笑晓.数字TFT-LCD驱动电路实验研究.2016

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