3.6 面板的驱动

3.6.1 面板的电路驱动原理图

液晶显示是通过外电场驱动液晶分子，然后产生液晶分子对入射光的光阀作用而实现的。图3.37是一个液晶面板的电路驱动原理图。从图3.37中可以看出，显示区的每个亚像素由一个薄膜晶体管和电容组成。薄膜晶体管起到等效开关的作用，液晶电容和像素存储电容一起起到等效电容的作用。行驱动的扫描脉冲信号，使等效开关开启的高电平为26V，关闭的低电平为-8V，依次输入到每一行，实现逐行开启。每开启一行，对该行的所有亚像素的信号从数据信号输入端输入到对应的亚像素中，给亚像素电容充电，实现该像素的信号电压写入并保持。亚像素区的液晶分子在该电压下旋转，使通过其的入射光的透过率发生改变，即实现了对入射光的光阀作用。

3.6.2 极性反转驱动

液晶分子是靠电压改变其位置关系的。极性反转驱动就是给液晶分子施加一个正负极性改变的电压信号实现液晶分子的交流驱动。从前面的图3.37电路驱动原理中可以看出，给液晶分子施加电压的是亚像素电容上的电压，该电容的一端连接着公共电极。如果公共电极的电位一直不变，则实现液晶分子的交流驱动就相当于电容的另外一个电极的电位相对于公共电极电位是时高时低的。这种极性反转驱动方式被称为共电极直流电压驱动方式。如果公共电极电位在帧与帧之间是跳变的，实现极性反转驱动，这种极性反转驱动方式被称为公共电极的电压跳变驱动方式（Common Modulation或Common Toggle）。两种方式相比，公共电极的电压跳变驱动方式，能降低数据信号驱动集成电路的输出电压范围。两种方式的电压波形如图3.38所示。

1.极性反转驱动方式

每个像素都需要极性反转驱动，像素在显示区是以一个阵列方式排列的。因此，根据对该像素的极性驱动方式不同，常见的像素极性反转驱动方式有行反转驱动方式（Row Inversion）、列反转驱动方式（Column Inversion）、帧反转驱动方式（Frame Inversion）和点反转驱动方式（Dot Inversion），如图3.39所示。

行反转驱动方式，就是在新刷新的一帧画面里，依次给每一行输入同一个极性的数据信号，而行与行之间的数据信号极性是相反的。

列反转驱动方式，就是同一列的数据信号极性是一致的，相邻列的数据信号极性则相反。

帧反转驱动方式，就是在一帧画面里的数据信号极性是一致的，即新刷新帧的数据信号极性是一样的。

点反转驱动方式，就是相邻的每一个亚像素的数据信号极性都是相反的。因此，点反转驱动方式中对某一行的像素来说，从左到右的每一列上的亚像素的数据信号极性都是依次交替相反的；对某一列的像素来说，从上到下的每一行上的像素的数据信号极性也都是依次交替相反的。当采用共电极直流电压驱动时，可以使用所有的面板极性反转驱动方式；如果采用电压跳变极性反转驱动方式，则面板极性反转驱动方式只能选用帧反转和行反转驱动方式了。

在上面列举的四种极性反转驱动方式中，点反转驱动方式能实现最佳的画面品质。在点反转驱动方式中，电容耦合效应使像素电压特性变化更均一，因此画面显示品质最优。但是，极性的反转，正负电荷相互抵消，意味着电能的消耗，而且电能转化成了热能，即几种驱动方式相比，点反转驱动方式的面板功耗最大，对驱动集成电路的散热性和驱动能力也提出了更高的要求。为了实现画面品质高又适当降低功耗，由点反转驱动方式又演变出（1+2）点反转驱动或 2 点反转驱动方式。需要注意的是，虽然液晶分子在帧与帧之间是交流驱动，但是施加在液晶分子上电压极性的转变，液晶分子并没有进行 360°旋转，而是在液晶分子长轴或短轴上感应的电子云极性立刻发生了改变而已。

2.驱动电压的方均根

本节前面提到外界电场改变，在液晶分子长轴或短轴上立刻产生电子云，此时液晶分子本身还没有改变，是因为电场改变的频率很快，而液晶分子由于分子作用力和黏度等因素影响还来不及改变排列位置。此时，液晶分子的排列是受力矩相对时间的平均值决定的，即平均力矩为

式中， t 是时间； τ （ t ）是力矩相对时间的函数。由于力矩与电压平方成正比，即可得到电压的方均和 V _rms 的计算公式为

式中， V （ t ）是电压相对时间的函数； T 是 V （ t ）的变化周期。举例说明在驱动周期内，不同驱动电压波形的方均根值，如图3.40所示，则计算的方均根值为

因为液晶的响应时间一般在毫秒量级，如果式（3.48）的电压变化周期远小于液晶的响应时间，则液晶分子在图3.40的驱动电压波形下的最终排列位置（关系到透过率），与施加一个1.732V的电压来驱动液晶的效果是相同的。

3.极性反转驱动的必要性

在液晶盒设计中，与液晶接触的是彩膜玻璃基板与阵列玻璃基板上最外面的一层聚酰亚胺（Polyimide，PI）。这是一层有机薄膜材料，对其进行绒毛布的摩擦工艺或紫外线照射后，该层薄膜表面会形成有方向性的摩擦沟槽或有方向性的化学链结构，它们将表面的液晶分子锚定住。因为液晶层和PI层都不是完全意义的绝缘材料，本身具有高电阻性，所以，施加在液晶上的电压可以等效为施加在三个串联电阻上，如图3.41所示。目前液晶盒设计应用中，PI厚度一般约为0.06μm，液晶层厚度即液晶盒盒厚一般约为3μm；液晶的电阻率一般是10 ¹² Ω·cm，PI的电阻率一般是10 ¹⁷ Ω·cm，它们的相对介电常数基本一致。基本电阻公式和电容公式如下：

可以得到电容和电阻的相对大小：

因为电容具有阻直流通交流的特性，即电容阻抗为

式中， ω 是交流信号的角频率。在图 3.40 结构中，当施加一个直流电压 V _dc 时，角频率 ω =0，则电容的阻抗近似为无穷大。三个电阻中，液晶上的电压降为

上式说明，以直流电压驱动，施加的电压绝大部分都降落在PI上，液晶层上的电压只有四千分之一。这样的电压无法改变液晶的位置关系进而改变透过率。

还是在图3.41结构中，如果施加一个交流电压 V _ac ，且角频率比较高，则由上式可以看出，液晶的阻抗是PI的1/50。三个电阻中，液晶上的电压降为

从式（3.35）可以看出，只要用一定角频率的交流信号驱动液晶，则施加的电压大部分都降落在液晶层上，否则就大部分降落在 PI 层上，这就是取向膜 PI的直流阻挡效应（DC Blocking Effect）。一般情况下，液晶的电阻电容时间常数约为200s，即角频率必须大于1/200Hz，才可以避免直流阻挡效应。考虑到人员的视觉逗留效应，一般画面都需要在 10Hz 以上才不会看到明显的闪烁。因此，实际的液晶显示器画面刷新频率都在50Hz以上。

除了上述原因外，还有一个原因决定了液晶的驱动不能施加直流电压。在液晶显示器的制程工艺中，各层薄膜材料，包括液晶，都不可避免地含有一定浓度的可移动电荷或离子。在直流电压的驱动下，这些可移动电荷或离子会聚集在外电场的两端，即在液晶盒内形成一个内建电场。在外电场取消后，这个内建电场在相当长的时间内依然存在。这个内建电场和外电场相叠加，影响了液晶的排列，最终影响了光的透过率，造成直流残像（DC Image Sticking）。避免直流残像的根本方法就是要确保给液晶施加的正负电压的平均值为零。但是在实际中，由于耦合电容的影响，特别是受耦合电容影响的Δ V _p 不是一个固定值，是与数据信号电压大小（对应不同灰阶）相关的，因此即使对公共电极电压 V _COM 进行补偿，也很难实现液晶的驱动电压平均值为零。为了降低Δ V _p 的影响，可以降低行扫描电压的变化幅值、行扫描电压的 MLG（Multi-level Gate）电压驱动和增加存储电容。