液晶屏逻辑驱动电路原理、电路分析及故障检修 （三、TFT液晶屏工作原理） 上一篇介绍了，液晶的矩阵显示原理，主要介绍了矩阵成像的基本原理，这种矩阵成像方式要用来显示现代标准的视频图像信号（场频50赫兹、行频15625赫兹）还是有困难的。分析如下： 一、简单矩阵显示为什么不能显示现代标准视频信号 图3.1所示是前面一章介绍的液晶屏矩阵显示电路重现一场（一幅）图像的最后一行信号显示过程：行驱动开关K1已经移位到了一场图像的最下面一行，一场图像的所有像素行已经全部的在矩阵屏上被显示在相应的行电极线位置上，这时人眼应该看到的是一幅完整的图像。 但是根据图3.1所示，细心的观察、仔细思考一下，有一个关键的问题没有解决； 
图3.1 这就是当行驱动开关K1在行脉冲信号的驱动下；逐行触发并下移的时候；在触发的瞬间，把相应的由列电极送来的这一行像素信号触发显示发光了，这个显示发光是因为有行脉冲的电压幅度加到矩阵交点为条件的。 当下一个行脉冲信号到来时；开关K1又向下移位一步，例如；从G1行电极移到G2行电极，并把G2行的相应一行像素信号触发显示发光，这时原来已经触发显示发光的G1行电极线就失去了维持显示发光的行脉冲，失去了发光的电压，这一行原本应该点亮发光的像素又熄灭了（虽然CRT的场扫描和这里类似，但是CRT激活点亮的像素是由于CRT荧光屏上荧光粉的余辉作用，点亮的像素点不会马上熄灭，而液晶屏是液晶分子本身并不发光，只是控制光线的通过，所以也不会有余辉的作用）。 这样当K1逐行向下移位逐行的触发显示相应行的像素信号发光时；前面已经触发点亮的各行像素信号因为失去行脉冲幅度的维持，而熄灭了（前面的行；只是瞬间的亮一下就熄灭了）。 这样的结果我们在液晶屏上只能看到一根亮线由上向下不断的迅速移动，而看不到图像。图3.2所示，当开关K1移位到最下面一行时，前面的触发过的像素信号全部熄灭了，只显示了最后一行像素信号，我们看到的只是一根亮线。 虽然人的眼睛也有对光的暂留特性（惰性），但是现在的一场图像重现时间的20毫秒还是太长了，是不能使人眼看到一幅稳定的完美的图像。 现在的问题是：如何能够在开关K1下移时候，前面触发过的行电极线上面仍然能够维持住原来激发时的行脉冲的电压，当开关K1向下移动触发其它行时候，原来的触发过的行仍然能够维持发光，维持一场图像需要的20毫秒发光时间。 
图3.2 这时考虑到了在“电工原理”上有这么一句话：“电容两端的电压不能突变”。 能不能利用“电容两端的电压不能突变”这样一个道理，在每一根行电极线上增加一只能存储能量的电容器来维持被触发过的电极线上的电压不下降、不变化使已经显示的发光的像素点较长时间维持在显示屏上（类似CRT屏上荧光粉余辉的作用），回答是肯定的，这个增加电容器的方法可行，在每根电极线上增加一个电容器C，图3.3所示： 在图3.3中，在G1～G4每根电极线上，增加了一只电容器C。当开关K1把行脉冲送到触发行时，行脉冲除了触发像素点亮外；并对电容器C充电，这样当开关K1位移去触发其它行时，电容器C上所充的电压就能维持该行像素点的点亮，这样当移位开关K1，移到最后一行的时候，前面的几行仍然在电容器存储的电压维持下；像素点继续发光，维持一场的完整的图像，图3.3所示。 
图3.3 这个在行电极线上增加电容器的方法；虽然能够使整个显示屏都发光，但是这个方法也有问题。就是在矩阵电路开始工作后；所有的行电极线（图中的G1～G4电极线由于电容器的作用）；始终都是高电平，不管开关K1在什么位置，所有的行电极线都可以随时处于触发状态，相应于其它行位置显示的像素信号，也在另外的不该显示的位置同时显示出来。 逐行触发、逐行显示相对应位置像素信号的状态已经不存在了，图像也就无法正常显示，只是一片混乱的亮光。 二、TFT液晶显示屏 1、TFT液晶显示屏的组成结构 基于“电容器两端电压不能突变”的这个道理，及微电子制造技术的进步；最终发明、研制出了：在矩阵显示电路的一个行、列电极线交点上（一个像素点位置）增加一只开关K和一只电容器C的液晶显示屏。他以优异的性能，能显示现代各种标准图像电信号，在图像显示技术上；给人类做出了巨大的贡献。 
图3.4 这就是我们所说的TFT液晶显示屏。 TFT液晶屏是在每一个矩阵的交点上（一个像素点的显示位置）都设置一个“开关”和一个“电容器”，每一个要显示的像素电信号，都要经过开关的控制后再去控制液晶的分子对光线的强弱进行控制；并且同时对电容器充电。图3.4所示；就是一个TFT液晶屏结构原理图，图中可以看出；行脉冲仍然经过行电极线G1～G4控制着一行的显示，只不过现在行脉冲控制的是一行上的每一个矩阵交点上的“开关”，行脉冲到来时，这一行交点上所有开关都被“接通”，行脉冲离开时；这一行交点上所有开关都被“断开”。 每一只开关的两端；一端接列电极线输入像素信号，另一端接一只电容器及连接到形成液晶分子扭曲电场的电极板上，图3.5所示是；图3.4一个像素显示单元的局部放大图（图3.4矩阵显示屏左上角第一个矩阵交点）。图3.6所示是图3.5对应的实物图，对照这两张图；可以了解液晶屏上一个图像像素点的显示控制过程。 在图3.5所示中： （1）、 S1是列电极线；作用和前面介绍的一样仍然是输入一个像素的电信号的电极线，图中开关K的左端和这根列电极S1连接，开关K的右端连接电容器C，并且经过菱形节点连接到电极板上（图中的大面积灰色区域是位于液晶分子一侧的产生控制液晶分子扭曲电场的电极板，也就是图3.6所示的液晶分子上面的一块“电极板”）。 （2）、 G1是行电极线；作用和前面介绍的一样仍然是输入行位移脉冲，控制一行像素的显示，只不过这里是间接控制像素信号的显示，图中绘制的行电极线上一个指向开关“动臂”的箭头，意思是；当行电极线上出现行位移脉冲时；箭头就“压迫”开关闭合连通，列电极线S1上的像素电信号就经过开关K送到液晶分子上面的电极板上（结合图3.6看清楚开关K和行位移脉冲的关系）。 
图3.5 
图3.6 （3）、开关右面的电容器C；上端接电极板，下端接公共电极线Vcom（通过图3.6可以看出；电容器C就是并接在液晶分子上下极板的一只电容器，当列电极线S1的像素电信号经过开关K送往电极板控制液晶分子扭曲时；也同时对电容器C充电）。 （4）、公共电极线Vcom；是零电位线，连接图3.6中液晶分子下面的一块极板（类似于接地线），液晶屏所有控制液晶分子的像素显示单元的公共电极线是连接在一起的（图3.4中的Vcom线。实际电路工作时接一个偏置电压，这个电压的正确及稳定对图像的正常、稳定显示非常最要）。 （5）、图中大面积灰色阴影区域电极板：是把像素电信号形成控制液晶分子电场的电极板，实际位置在图3.6所示的液晶分子上面，和公共电极线连接的下极板之间形成控制电场。 2、TFT液晶显示屏的工作原理（工作过程）： （注：目前液晶屏透光性能有两种不同类型的屏；第一种是在电极板上不加电压时；屏幕是亮的，在电极板上加电压时；屏幕是黑的。第二种是在电极板上不加电压是；屏幕是黑的，在电极板上加电压时；屏幕是亮的。这两种屏在构造上仅是两块偏振片的偏振轴一个是相互垂直，另一个两块偏振片的偏振轴一个是相互平行的。在本文中我们以第一种在电极板上不加电压时；屏幕是亮的为例介绍） （1）、液晶屏中液晶分子的自然态（没有行位移脉冲），图3.7所示； （阅读本章节文章前请先阅读“郝铭博客”（本博客）的“现代液晶电视的基本原理及维修——TFT液晶显示屏原理 （2）”一文，先了解一下什么是偏振光及自然光。） 图3.7所示；此时G1电极线没有行脉冲，开关K断开，列电极信号电压不能通过开关K加到电极板上，该像素显示单元的电极板和公共电极之间没有施加任何电压，液晶分子是处于无控制电场的自然状态。由于在液晶分子两边的上下极板刻有相互垂直的槽，下面一块极板是水平槽，上面一块极板是垂直槽，所以在这一个像素的显示区域内；最下面的一个液晶分子水平卧在下面极板水平槽里；最上面一个分子则垂直卧在上面极板的垂直槽里面。而最上和最下两个分子中间的分子；由于的分子和分子之间发的“粘性”作用则以逐渐扭曲90度的状态在而最上和最下两个分子中间排列，如图3.7中两个极板中间长棒型液晶分子的扭曲90度状态所示（这种没有加电场扭曲90度的状态；我称为：液晶分子的“自然态”）。 
图3.7 液晶分子在自然态扭曲90度时；从下面向上射入的水平偏振光经过扭曲90度状态的液晶分子的引导，也跟随液晶分子扭曲90度；由水平偏振光扭曲成为了垂直偏振光（图3.7中红色光由下向上水平射入；扭曲90度由上极板垂直射出所示），由于射出的是垂直偏振光 而最上面的一块偏振片（偏振镜）的偏振轴（垂直排列的线）是垂直的；所以射出的垂直偏振光顺利的越过垂直偏振轴的偏振片，也就是光线全部穿过液晶屏达到液晶显示屏平面上，我们可以看到一个很明亮的屏幕（这就是前面所说的；第一种是在电极板上不加电压时；屏幕是亮的一种屏）。 （2）、当行位移脉冲来到G1电极线；开关K被连通，图3.8所示： 这时行位移脉冲来到G1电极线上，行脉冲控制着开关K迅速接通一次，列驱动电路把相应的图像的像素电信号经过S1列电极线及被连通的开关K加到了液晶分子上下两边的极板上，并对两个极板并接的电容器C充电，图3.8所示。 加到极板上的电压；在极板间形成电场，电场控制了液晶分子产生位置及角度的变化，在图3.8中看到液晶的分子在电场的作用下全部竖立起来，不再是90度的扭曲状态。所以原来穿过液晶屏扭曲90度；由水平偏振光变成垂直偏振光的光线；又还原成了水平偏振光，由上面的电极板射了出来，但是，此射出的水平偏振光在要穿过最上面一块偏振片时；遇到了阻力，由于穿过液晶分子层射出来的偏振光是水平偏振光；无法通过最前面的垂直偏振轴的偏振片，光线不能达到穿过液晶屏，现在我们看到液晶屏就成了不亮的黑屏。 
图3.8 （3）、当行位移脉冲来又离开G1电极线；开关K又被切断，图3.9所示： 由于行脉冲是逐行触发的位移脉冲，在G1电极线只停留约50微秒，当G1电极线上的行脉冲离开后；开关K立即由断开；两个产生电场的极板就会又失去电压，控制液晶分子的电场又会立即消失，液晶的分子又会回到自然态。液晶屏又会变成白屏。但是这时并联在电极板上的电容器C就发挥作用了，由于行脉冲控制开关接通时；并对电容器C充电；充电到像素亮度电平的电压；行脉冲离开G1后；开关G1即断开，电容器上面的电压继续保持着电极板间的电场强度，控制维持着液晶分子扭曲变化的状态，并保持对穿过偏振光的控制作用，也就是尽管行位移脉冲已经离开G1电极线；但是液晶屏的亮度继续维持着黑屏的亮度状态，图3.9所示。 
图3.9 行位移脉冲离开G1行电极线后；开关K被切断；这时电容器C上面充电维持的电压没有放电回路，电压会永远保持下去的，直到下一个行驱动控制周期（下一场图像）到来时；行位移脉冲又来到G1行电极线；触发接通了行电极线上的控制的开关K；开关K接通S1列电极线上面的像素电信号又可以通过开关对电容器进行再充电（开关K导通后是一个双向开关；电容器C可以通过开关充电；也可以通过开关放电，主要是由S1列电极线再次送来的像素电信号的幅度决定），这时如果列电极线S1送来的像素电信号的电压幅度比上一次大；就继续对电容器C进行更高电压的充电；电场的控制光线的强度继续加大，如果这时列电极线S1送来的像素电信号的电压幅度比上一次小；那么电容器C上原来充电的较高电压就通过开关放电，始终保持在每一个场时间内；电容器C上的电压和S1列电极线上送来的像素电信号电压一致；这样也就保证了；这一个像素点的亮度随图像每场的规定要求一致变化，全屏所有几百万个被控制的像素点都达到这样的变化，那么液晶屏上正确的动态图像就显示出来了。 （4）、像素电信号电压的大小对通过液晶屏光线强度的影响 我曾经问到过很多师傅：“加到液晶屏列驱动电极上面的像素电信号是数字信号还是模拟信号？”，有很多人回答我是：“数字信号”，我问；“为什么是数字信号？”，回答我：“因为液晶屏是数字器件”，这实在是一个误会。 加到液晶屏列驱动电极上面的信号是模拟信号，要用这个模拟信号来控制液晶分子扭曲的角度的大小，以便达到控制通过光线的强度，从而实现显示图像的灰度（图像的层次）。 液晶电视机之所以能沾上“数字”的边，是因为内部的处理信号的电路是数字电路，特别是需要把给CRT电视机显像用的像素排列关系是“串行”的信号变换为：液晶屏能显示的像素排列关系是以行为单位的“并行”的电信号的“时序控制电路”（T-CON），必须是数字电路，因为只有数字电路才能对信号进行存储，才能重新改变信号排列的序列关系。 （等离子电视机加到等离子屏上面的是数字像素的电信号，它采用子场显示方式达到重现图像的灰度） 所以液晶屏的列驱动电路；加到列电极线上面的像素电信号是一个电压幅度跟随图像的内容是不断变化的模拟信号，这个不断变化的电压也不断的改变电容器C上面的充电电压；也不断的改变电极板之间的电场大小；也不断的改变液晶分子扭曲的角度；也不断的改变通过光线的大小；也不断的改变了液晶屏上像素点亮度的大小（这个改变周期是：每一场图像时间改变一次）。 像素电信号电压的幅度变化和液晶分子扭曲的角度大小和控制的通过液晶分子光线的大小，是严重不成比例的，是一个非线性关系。如果不经过精心、精确的校正重现的图像会非常难看。这个校正是一个非常精细、麻烦的事情，但是必须校正，这就是常听到的：“伽马校正”（gamma），（这方面的原理及电路以后分析T-CON电路时会详细介绍）。 通过上面的介绍：现在可以知道TFT液晶屏，是可以显示不同标准的视频信号，也就是任何场频标准的视频信号都可以显示，这是利用“电容器C两端电压不能突变”的道理创造、发明的。这种屏叫TFT液晶屏，也是目前能作为商用用途显示视频活动图像唯一的一种液晶显示屏（为什么叫：TFT屏以后再说明）。 3、TFT液晶显示屏显示图像的简单过程： 图3.10图3.13是显示TFT屏显示图像的过程： （1）液晶屏上第一行像素信号的显示：图3.10所示； 图3.10中可以看到，行驱动位移开关在G1的位置；行脉冲加到了行电极线G1上，控制G1电极线上面一行像素六个开关均闭合连通；此时，列驱动电路送来的第一行（一排）像素电信号分别经过S1～S6列电极线及相应连通的开关对相应的电容器充电，并在电极板上形成电场对液晶分子扭曲进行控制；这样第一行相应的像素信号就在显示屏上显示出来了。 
图3.10 （2）液晶屏上第二行像素信号的显示：图3.11所示； 图3.11中可以看到，行驱动位移开关；已经离开了G1电极线的位置（达到G2位置），G1行电极线上的所有开关全部断开，电容器上面所充电压继续保持（电容器符号上的 号），继续控制着液晶分子维持着行脉冲触发G1行时的状态，液晶屏上显示的图像信号继续保持着。 行脉冲加到了行电极线G2上，控制G2电极线上面一行像素六个开关均闭合连通；此时，列驱动电路送来的第二行（一排）像素电信号分别经过S1～S6列电极线及相应连通的开关对相应的电容器充电，并在电极板上形成电场对液晶分子扭曲进行控制；这样第二行相应的像素信号就在显示屏上第二行的位置显示出来了。 
图3.11 （3）液晶屏上第三行像素信号的显示：图3.12所示； 图3.12中可以看到，行驱动位移开关；也离开了G3电极线的位置（达到G3位置），G2行电极线上的所有开关也全部断开，G1行、G2行电容器上面所充电压继续保持（此时G1行、G2行电容器符号上的 号），继续控制着液晶分子维持着行脉冲触发G1、G2行时的状态，液晶屏上显示的第一、第二行图像信号继续保持着。 现在行脉冲加到了行电极线G3上，控制G3电极线上面一行像素六个开关均闭合连通；此时，列驱动电路送来的第三行（一排）像素电信号分别经过S1～S6列电极线及相应连通的开关对相应的电容器充电，并在电极板上形成电场对液晶分子扭曲进行控制；这样第三行相应的像素信号就在显示屏上第三行的位置显示出来了。
图3.12 （4）液晶屏上第三行像素信号的显示：图3.13所示； 图3.13中可以看到，行驱动位移开关；此时也离开了G3电极线的位置（达到G4位置），G3行电极线上的所有开关也全部断开，G1行、G2、G3行电容器上面所充电压继续保持（此时G1行、G2、G3行电容器符号上的 号），继续控制着液晶分子维持着行脉冲触发G1、G2、G3行时的状态，液晶屏上显示的第一、第二行、第三行图像信号继续保持着。 现在行脉冲加到了行电极线G4上，控制G4电极线上面一行像素六个开关均闭合连通；此时，列驱动电路送来的第四行（一排）像素电信号分别经过S1～S6列电极线及相应连通的开关对相应的电容器充电，并在电极板上形成电场对液晶分子扭曲进行控制；这样第四行相应的像素信号就在显示屏上第三行的位置显示出来了。
图3.13 以此类推：TFT液晶屏上的一场图像就完整的被显示出来了。 细心的看 图3.10、图3.11、图3.12、图3.13 这几幅图片；观察当行位移开关K 指向某一个行电极时；这个行电极线所控制的一行的开关有什么变化？（接通还是断开？）。再观察；行位移脉冲离开后，行电极线控制的开关有什么变化？（接通还是断开？）。 4、为什么称为TFT液晶屏？ 矩阵屏上；每一个像素的控制的交点，均设置一个“开关”K，并且这个开关要每场周期在行位移脉冲控制下瞬间导通一次，这样的开关就只能是“电子开关”，一幅完整的高清图像有六百万个像素点，一块TFT高清液晶显示屏就必须有六百万个“小开关”。这个开关是多么的微小！由于微电子技术的进步，做成这样的小开关已经不成问题了，这个开关就是采用微电子技术，在产生液晶屏是一并制造在液晶屏里面的，是又小、又薄的“薄膜MOS管”做在矩阵电路行电极线和列电极线的交点上，图3.14所示。 图3.14中；G1电极线就是控制这个MOS开关的栅极（G）的电极线，所以液晶屏的行位移驱动又叫栅极驱动（G驱动）。MOS开关的源极（S）是接在列电极线输入图像像素信号的，所以液晶屏的列驱动也叫源极驱动（S驱动），是输入图像信号的。 在以后的电路分析中；就把“列驱动”改称为；“源极驱动”；“行驱动”改称为：“栅极驱动”。 这个由MOS管代替的开关是一个双向导通“开关”，通过这个开关，可以对电容器C充电，也可以通过这个开关，也可以对电容器放电。 知道这是一个MOS的开关，我们就把前面各个图中的“开关”K符号，换成MOS管，就成为图3.15所示的情况， 一个像素点的显示就需要一个开关控制，那么一个1080P高清信号的显示屏上面，就需要有六百万个这样的MOS开关管（彩色屏是三个矩阵交点组成一个彩色像素的显示）。 为什么称为TFT屏？因为在英语中：薄膜场效应（MOS）管是：“Thin Film Transistor”，三个英文单词，我们都取第一个字母组成缩语即：TFT。
图3.14
图3.15 在购买液晶电视或液晶显示器中,如果在全屏都亮能看到有 '黑'点,或者在全黑屏 能看到一个或几个 明亮的亮点,这就是 液晶屏的MOS 管 击穿或断了 这都是永久性的损坏 称为坏点, 如果有 这块液晶屏的价值就大打折扣了 特别是'亮点' 一个都不能有 ,黑点 由于观看是感觉不明显 只要不在液晶屏的中部, 还是可以容忍有极少量的一个 两个的. 下集续 液晶分子的交流驱动及彩色液晶屏 | 
