液晶显示器的驱动电路

9.4.1　液晶显示器的驱动电路

当液晶显示器件上像素众多时，如点阵型液晶显示器件，如果使用静态驱动结构将会产生众多的引脚以及庞大的硬件驱动电路，这是不易实施的。为了解决这个问题，在液晶显示器电极的制作与排布上使用了矩阵型结构，即把水平一组显示像素的背电极连在一起引出，称之为行电极，又称为公共极，用COM符号表示；把纵向一组显示像素的段电极连在一起引出，称之为段电极，又称为列电极，用SEG或COL符号表示。每个液晶显示像素都由其所在的行与列的位置确定，在驱动方式上采用了类似于CRT的光栅逐行扫描方法，称为动态驱动法，或称为多路寻址驱动法。

1.动态驱动器的结构

围绕着驱动电路，配合与TTL电平兼容的逻辑电路即锁存器和移位寄存器，构成了动态液晶驱动器。图9-23是串行数据传输方式驱动原理图，驱动器的主要信号功能见表9-11。

图9-23　串行数据传输方式驱动原理图

表9-11　驱动器主要信号功能表

驱动器由驱动电路和逻辑电路两部分组成。驱动电路是由两组“开关”电路组成，完成液晶的驱动功能。逻辑电路部分是由以锁存器和移位寄存器为中心的逻辑电路组成，电路工作电平与TTL兼容，电源与数字电路一致，因此保证了驱动器的控制信号与数字电路同步。逻辑电路部分完成驱动控制信号即显示数据的传输、保持及控制电平的转换。

在驱动器中移位寄存器用于完成显示数据传输，它采用串行输入、并行输出寄存器。这个寄存器的并行输出连接到锁存器输入端，锁存器的输出功能是将电源工作电压从逻辑电平转换成驱动电平。锁存器内的数据作为驱动电平的选择信号直接控制液晶驱动电路的输出电平。驱动器的工作原理是移位寄存器在移位脉冲CP的作用下将显示数据移位传输，在传输到位后，给锁存脉冲信号LP，将移位寄存器内的数据存入锁存器内以控制驱动电路的“开关”状态。在交流驱动波形M的变换下，驱动输出将产生不同的驱动脉冲序列，从而实现对液晶像素的驱动。

液晶显示驱动数据产生信号时序，如图9-24所示。

图9-24　驱动器数据传输控制信号时序图

这些信号是任何液晶驱动器必需的，再加上每种液晶驱动器因功能和作用所需的设置信号就构成了液晶驱动器的外引脚。

在驱动大规模的液晶显示器附件时，1位串行传输方式相对要慢一些，所以对移位寄存器作了一些改进。

图9-25　并行数据传输方式驱动图

这种移位寄存器的数据线为4位并行输入接口。数据在移位寄存器内仍以串行方式传输，传输是以4位的形式进行的。图9-25为并行数据传输方式驱动图。这样，传输速度高于1位传输方式的4倍。数据的传输是由数据接收信号E₁和数据已满信号E₀来控制。E₁和E₀的功能见表9-12。

表9-12　驱动器主要信号功能表

E₁和E₀信号由上电复位或LP信号复位。驱动器分为行驱动器和列驱动器两类，其工作原理和基本构成是相同的，区别有以下几点：

（1）输入数据的性质不同。列驱动器的数据为列选择信号，也就是我们所看到的显示数据。列驱动器的数据输入方式有1位串行、2位或4位并行的传输方式。行驱动器仅有1位串行方式传输，数据为帧信号FLM，用于扫描行的选择。

（2）移位时钟的不同。列驱动器移位时钟的作用是把列数据送入相应的位置上。行驱动器移位时钟的作用是为了实现扫描的更换。这种行更换必须在新的扫描行上所有的列数据就位后锁存时才能进行，也就是说行驱动器的移位脉冲与列驱动器的锁存脉冲是同步的。

（3）非选择电压的设置不同。行驱动器和列驱动器都有驱动电压的输入端，但各自的非选择电压值不相同。

（4）选择电压输出相位的不同。行驱动器和列驱动器的选择驱动电压是一致的，但输出相位上相差180°。

2.动态驱动器的原理

液晶显示的动态驱动法循环地给每行电极施加选择脉冲，同时所有列电极给出这个行像素的选择或非选择的驱动脉冲，从而实现某行所有显示像素的驱动。这种行扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶显示屏上呈现稳定的图像效果。我们把液晶显示的扫描驱动方式称为动态驱动法，亦称多路寻址驱动法。

在一帧中每一行的选择时间是均等的。假设一帧的扫描行数为N，扫描一帧的时间为1，那么一行所占的选择时间为一帧时间的1/N，这个值被称为占空比系数。在同等电压下，扫描行数的增多将使占空比下降，从而引起液晶像素上的变电场电压的有效值下降，降低显示质量。因此随着显示像素的增多，为了保证显示质量，就需要适当地提高驱动电压。提高电场电压的有效值，可以采用双屏幕电极排布结构，以提高占空比。

在动态驱动方式下，某一液晶像素（选择点）呈现显示效果是由施加在行电极上的选择电压与施加在列电极上的选择电压的合成来实现的。与这个像素不在同一行和同一列的像素（非选点）都处在非选状态下，在同一行或同一列的像素均有选择电压加入，称之为半选择点。这个点的电场电压处于液晶的阈值电压附近时，屏幕上将出现不应有的半屏显示现象，使得显示对比度下降，这种现象叫做“交叉效应”。

动态驱动法加入了偏压法使其更加完美，它广泛应用于点阵型液晶显示器件和多路结构液晶显示器件的驱动上。当扫描行数N=1时，动态驱动就等于静态驱动。由于静态驱动法没有交叉效应，也就没有偏压法的介入。

由于动态驱动采用了偏压法，使输出驱动的脉冲序列有四种电压变化形式，并且行驱动还伴有相位的偏移，因此在驱动电路中就不能简单地采用异或门电路。动态驱动电路的实现可以等效为两组“开关”电路。同一组开关由交流驱动波形M控制，M是一个外来的方波脉冲序列，它实现脉冲正负周期的转换。当I正周期（高电平）时，选通了电压V₆（行驱动）、V₁（列驱动），未选电压V₂（行驱动）和V₃（列驱动）；在M负周期（低电平）时，M选通了选择电压V₁（行驱动）、V₆（列驱动），未选电压V₅（行驱动）和V₄（列驱动）。如此交替转换，在一周期内液晶像素的电场平均电压为零。图9-26为液晶显示驱动器分析图。

图9-26　液晶显示驱动分析图

另一组“开关”电路是由显示数据控制，显示数据选通了M“开关”电路提供的选择电压或未选电压之一，从而产生驱动电路的输出波形。显示数据为“1”，则驱动输出为选择电压脉冲序列；显示数据为“0”，则驱动输出为未选电压脉冲序列。

3.动态驱动器应用实例

（1）点阵液晶显示列驱动器HD66204

HD66204是典型的并行数据输入形式的液晶显示列驱动器，并具有80路液晶驱动输出能力。它有20个4位数据锁存器、80位数据锁存器和80路驱动电路。采用了CMOS工艺，具有低功耗、高耐压和高速运行等特点。它可产生最大为28V的液晶驱动电压，可接收最大频率为8MHz的移位脉冲信号，HD66204工作原理如图9-27所示。

图9-27　HD66204工作原理图

HD66204数据接收方式为4位并行方式。在CL2（数据移位脉冲）的作用下，依次将4位显示数据D₀～D₃锁存在数据锁存器内，然后在CL1（数据锁存脉冲）的作用下，将显示数据锁存在80位锁存器内。锁存器的输出经过电平转换器控制80路液晶显示驱动器的输出电平，当数据为“1”时，驱动器输出为V₁/V_CC；当数据为“0”时，驱动器输出为V₃/V₄。

HD66204有一个控制端，DISP OFF为显示开关控制端。当它为“1”时显示正常，当它为“0”时关断显示，驱动器输出全部为V₁。

HD66204有两个数据接收使能信号E和CAR。E作为输入端启动芯片数据接收电路工作；CAR作为输出表示芯片数据接收已满，停止接收工作。这两个信号在驱动器系统中作为级联信号使用。本级的E与上一级的CAR连接，由上一级数据接收已满信号启动本级工作；本级的CAR与下一级的输入端E连接，本级数据接收已满时，将停止接收工作，然后发出信号以启动下一级的工作。E和CAR的使能作用见表9-13。HD66204信号功能说明见表9-14。

表9-13　E和CAR的使能作用

表9-14　HD66204信号功能说明

（2）点阵液晶显示行驱动器HD66250

HD66250是80路液晶显示行驱动器，它具有80路液晶驱动能力，80位数据移位寄存器和80路驱动电路。由于它是专用于行驱动器，数据信号为帧信号FLM，每扫描一行帧信号移位一次，所以它的电路结构只有移位寄存器而没有锁存器。按照显示驱动原理，它的数据移位信号CL可以与驱动系统的数据锁存信号LP同步。HD66250采用了CMOS工艺，具有低功耗和高耐压等特点。它最大可支持28V的液晶驱动电压，HD66250工作原理如图9-28所示。HD66250信号功能见表9-15。

图9-28　HD66250工作原理图

表9-15　HD66250信号功能说明