1.2 TFT液晶显示屏结构、原理与显示过程

TFT（Thin-Film Transistor，薄膜晶体管）液晶显示屏是目前的顶级材质液晶屏，属于主动式有源矩阵类型液晶屏，由于具有优良的性能，应用十分广泛。

1.2.1 TFT液晶显示屏的结构

TFT液晶显示屏，简称TFT液晶屏，是在TN液晶屏的基础上发展起来的。TFT液晶屏是一种薄形的显示器件，它有两片偏光板、两片玻璃，中间类上TN型液晶。如图1-1所示是TFT液晶显示屏的立体结构示意图，图1-2所示是TFT液晶显示屏的横截面结构示意图。

在后玻璃板衬底上分布着许多横竖排列并互相绝缘的格状透明金属膜导线，将后玻璃衬底分隔成许多微小的格子，称为像素单元（或称子像素）；而每个格子中又有一片与周围导线绝缘的透明金属膜电极，称为像素电极（显示电极）。像素电极的一角，通过一只用印刷法制作在玻璃衬底上的TFT管，分别与两根纵横导线连接，形成矩阵结构，如图1-3 所示。TFT管的栅极与横线相接，横线称为栅极扫描线或X电极，因起到TFT选通作用又称为选通线；而TFT管的源极与竖线连接，竖线称为源极列线或Y电极；TFT的漏极与透明像素电极连为一体。TFT管的功能就是一个开关管，通过施加栅极电压，可控制其导通与截止。

对于TFT液晶显示屏来说，每个像素单元从结构上可以看做像素电极和公共电极之间夹一层TN型液晶，液晶层可等效为一个液晶电容CLC，约为0.1pF。在实际应用中，这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面数据，也就是说，当TFT对这个电容充好电时，它并无法将电压保持到再对此点充电的时刻（以一般60Hz的画面更新频率，需要保持约16ms）。这样一来，电压有了变化，所显示的灰阶就会不正确，因此，一般在面板的设计上，会再加一个储存电容CS（一般由像素电极与公共电极走线所形成），其值约为0.5pF，以便让充好电的电容电压能保持到下一次更新画面的时刻。图1-4所示为一个像素单元的结构示意图及其等效电路。

从驱动方式上看，TFT液晶屏将所有的行电极作为扫描行连接到栅极驱动器上，将所有列电极作为列信号端连接到源极驱动器上，从而形成驱动阵列，如图1-5（a）所示，驱动阵列的等效电路如图1-5（b）所示。

在前玻璃衬底上，也同样划分为许多小格子，每个格子均与下玻璃衬底的一个像素电极对应，但其差别是，它没有独立的电极，而只是覆盖着一小片R（红）、G（蓝）、B（绿）三基色的透明薄膜滤光片，称为彩色滤光片（或称RGB滤色膜），用以还原出正常的彩色。如果用放大镜观察液晶显示屏可观察到图1-6所显示的样子（图中的R、G、B是编者为了说明彩色的颜色而加的标注）。

红色、蓝色以及绿色是所谓的三原色，也就是说，利用这三种颜色可以混合出各种不同的颜色，CRT电视和显示器就是利用这个原理来显示出色彩。把R、G、B三种颜色分成独立的三个单元，各自有不同的灰阶变化，然后把邻近的三个R、G、B显示单元当做一个显示的基本单位——像素点（pixel），这一个像素点就可以有不同的色彩变化了。

在图1-6中，每个R、G、B点之间的黑色部分，就叫做black matrix（矩阵块），主要用来遮住不需要透光的部分，如一些ITO的走线或TFT管的部分。

图1-7 所示是常见的彩色滤光片的排列方式—条状排列，常用于办公用品，如常见的笔记本电脑或台式计算机显示器等。为什么这种应用要用条状排列的方式呢？原因是目前的软件多半都是窗口化的接口，也就是说，屏幕内容是由一大堆大小不等的方框所组成的，条状排列恰好可以使这些方框的边缘看起来更笔直，而不会有毛边或锯齿状的感觉。但是，如果应用在AV产品（如液晶电视）上，就不一样了，因为电视信号多半是人物，而人物的轮廓线条大部分是不规则的曲线，因此最初使用于AV产品的都是马赛克排列（或称为对角形排列）。不过最近的AV产品中，多已改进为使用三角形排列。除了上述的排列方式外，还有一种排列，叫做正方形排列，它与前面几种不同的地方在于，它并不是以三个单元而是以四个单元来作为一个像素点，而四个单元组合起来刚好形成一个正方形。

对于一个分辨率为1024×768 的显示画面，表示显示屏可以显示768 行、1024 列，共可显示1024×768=786432 个像素点。由于每个像素点都由R、G、B三个像素单元构成，分别完成红色、绿色和蓝色的显示，所以总共有1024×3×768=2359296 个像素单元，所以在标示显示屏分辨率时，1024×768 也可以写成1024×3×768 或1024×RGB×768。为了显示正常的色彩，2359296 个基色像素单元需要2359296 个TFT管进行控制。图1-8 标出了分辨率为1024×768的液晶显示屏TFT管和RGB像素单元之间的对应关系，图1-9所示为其像素排列图。

1.2.2 TFT液晶显示屏显示原理

液晶显示屏是被动显示器件，工作时，必须先利用背光源才能发光，背光源产生的光线先经过后偏光板，然后经过液晶，这时液晶分子的排列方式会改变穿透液晶的光线角度；接下来，这些光线还必须经过前方的彩色滤色膜与前偏光板。因此，只要控制液晶扭转光线量的多少，就能改变光线的明暗，控制施加在液晶电极上的电压，就能调整光线的穿出量。若要显示彩色的影像，只要在光线穿出前透过某一颜色的滤色片即可获得需要的颜色。若要产生全彩的影像，就需要光的红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色。液晶屏是由许许多多的小像素点所组成，每个像素点都有R、G、B三个子像素，由于光点小，又排列很紧密，人眼接受时，就会将三个颜色混合在一起，再加上不同明暗的调整（控制液晶的扭转角度），从而形成所要的颜色。TFT液晶显示屏为每个R、G、B子像素都安排了一个TFT管来控制电场的变化，使得它对于色彩的控制更加有效，而不会像被动式矩阵屏幕，对于快速移动的影像会产生模糊不清的效果。

1.2.3 TFT液晶显示屏的显示过程

TFT液晶显示屏的显示过程十分复杂，作为液晶显示器维修人员，没有必要详细了解，因此，下面仅从图像显示、色彩显示的角度，对其显示过程进行简要介绍。

1.液晶显示屏图像的显示过程

下面以常见的1024×768 分辨率的液晶显示屏为例，分析液晶显示屏显示图像的过程。

分辨率为1024×768的液晶显示屏，共需要1024×3×768个点来显示一个画面。图1-10所示为1024×3×768液晶显示屏驱动框图。

如果把一个液晶显示屏平面分成X-Y轴，分辨率为1024×768的显示屏，在X轴（水平方向）上会有1024×3=3072 列，由8 个384 路输出的源极驱动器（如EK7402）驱动；而在Y轴上，会有768行，由3个256路输出栅极驱动器（如EK7309）驱动。

在液晶显示屏中，每个TFT管的栅极连接至水平方向的扫描线，源极连接至垂直方向的数据线，而漏极连接至液晶像素电极和存储电容。显示屏一次只启动一条栅极扫描线，以将相应的一行TFT管打开，此时，垂直方向的数据线送入对应的视频信号，对液晶存储电容充电至适当的电压，便可显示一行的图像。

接着关闭TFT管，直至下次重新写入信号前，以使电荷保存在电容上，同时启动下一条水平扫描线，送入对应的视频信号。依次将整个画面的视频信号写入，再自第一条重新写入信号，此重复的频率称为帧频（刷新率），一般为60～70Hz。

需要再次说明的是，加在TFT管源极的驱动电压，不能像CRT显像管阴极那样，是一个固定极性的直流信号。因为液晶显示屏内部的液晶分子如果处于单一极性的电场作用下，会在直流电场中发生电解反应，使液晶分子按照不同的带电极性而分别趋向于正、负两极堆积，发生极化作用，从而逐渐失去旋光特性而不能起到光阀作用，致使液晶屏工作寿命终止。因此，要正确使用液晶，不能采用显像管式的激励方式，而是既要向液晶施加电压以便调制对比度，而又要保证其所加电压符合液晶驱动的要求，即不能有平均直流成分。具体的方法是，在显示屏的源极上，加上极性相反、幅度大小相等的交流电压。由于交流电压的极性不断变化倒相，故不会使液晶分子产生电解极化作用，而所加电压又能控制其透光度，从而达到调整对比度的目的。

2.液晶显示屏色彩的显示过程

TFT液晶显示屏之所以能显示出逼真的色彩，是由其内部的彩色滤色片和TFT管共同协调工作完成的。下面结合图1-11所示的一组三基色像素示意图进行说明。

从图1-11中可以看出，在t时刻，R、G、B三基色像素从源极驱动器输出，加到源极驱动电极n-1、n、n+1上，即各TFT管的源极S上；而此时（即在t时刻），栅极驱动器输出的行驱动脉冲只出现在第m行，因此，第m行的所有TFT管导通，于是，R、G、B驱动电压V1、V2、V3分别通过第m行导通的TFT管加到漏电极像素电极上，故R、G、B三基色像素单元透光，送到彩色滤色片上，经混色后显示一个白色像素点。

图1-12给出了一个显示三个连续白色像素点的示意图。显示的工作过程与前述类似，即在t1时刻，第m-1行的TFT管导通，于是在第m-1行的对应列处显示一个白色像素点；在t2时刻，第m行的TFT管导通，于是在第m行的对应列处显示一个白色像素点；在t3时刻，第m+1行的TFT管导通，于是在第m+1行的对应列处显示一个白色像素点。由于t1、t2、t3之间的时间间隔很小，因此，人眼看不到白色像素点的闪动，而看到的是三个竖着排放的白色像素点。

从上面介绍的R、G、B三基色像素的驱动电压波形可以看出，相邻的两点，加上的是极性相反、幅度大小相等的交流电压，也就是说，图中R、G、B源极驱动电压是逐点倒相的，因此这种极性变换方式称为“逐点倒相法”。

以上介绍的只是显示白色的情况，若显示其他颜色，其原理是相同的。例如，若要显示黄色，只需要R、G两像素单元加上电压，使R、G透光显示出滤色片的颜色；同时，不给B像素单元加电压，因此，B像素单元不能透光而呈黑暗状态。也就是说，在三基色单元中，只有R、G两单元发光，故能呈现黄色。

可见，如果将视频信号加到源极列线上，再通过栅极行线对TFT管逐行选通，即可控制液晶屏上每一组像素单元的发光与否及发光颜色，从而达到显示彩色图像的目的。各基色像素单元的源极列线，按照三基色分为R、G、B三组，分别施加各基色的视频信号，就可以控制三基色的比例，从而使液晶屏显示出不同的色彩。

对于TFT液晶显示屏，显示的色彩总数与输入数据的关系如下：

显示的色彩总数= 2n（R）×2n（G）×2n（B）= 23n

例如，输入3位数据时，可显示29=512种色彩；输入4位数据时，可显示212=4096种色彩；输入6 位数据时，可显示218=262144 种色彩；输入8 位数据时，可显示224=16777216种色彩。