本文主要介绍液晶显示技术中TCON板即时序控制板的组成及部分原理。文章整合了网络以及书籍内容,辅以个人理解而成,参考链接放在文末。由于作者个人水平有限,难免出现错误,如有错误还望指出。
TCON:TCON板全称是timing controller,即时序控制器,时序控制电路。TCON作为控制Panel时序动作的核心电路,将从主板处获得的视频信号转化成数据驱动电路所需要的数据信号格式(例如,LVDS转换为miniLVDS),同时将这些数据信号传递到数据驱动电路(COF IC)。控制驱动电路何时启动。
TCON的组成一般主要有以下几部分:
传统TCON的布局主要分为以下两种:X+C分离式和X+C一体式。
如下图所示,分离式即是TCON板与Source驱动分离,直接通过FFC连接;而一体式则是TCON与其中一块Source板直接集成,通过FFC与另一块Source连接。
从整个系统的角度看TCON:
TCON将主板传输过来的视频信号做转化处理,例如,将LVDS信号转RSDS信号,供屏幕数据驱动使用,同时也为gate和source提供驱动信号,通过COF连接到液晶面板实现显示。
在介绍TCON的详细组成之前,我们首先先了解下TFT的显示原理。
TFT LCD的组成主要是六个部分:背光、下偏光片、薄膜极板(即TFT基板)、液晶、彩色滤光片、上偏光片。
LCD本身不能自发光,因此需要靠背光源提供光线。从背光源发出的光经过下偏光片,只有特定方向的偏振光才能完全通过。上偏光片方向与下偏光片垂直,如果中间不加任何处理,最终屏幕上只能显示黑色。因此,我们在中间添加了液晶层,通过了下偏光层的光经过液晶层时受液晶分子作用改变了偏振方向,使之可以顺利通过上偏光片,从而屏幕上会显示白色。
而要实现黑白的控制,就需要能够控制液晶层的外加电场。当外加电场发生变化时,液晶分子的取向改变,可以在改变光方向和不改变之间选择。
电场的控制即通过TFT层的开关来实现。TFT全称为薄膜场效应晶体管,是一种三端器件,实际上就是MOS的一种,起到开关作用。一般来说,源极接显示数据信号,栅极接开关控制信号,通过漏极输出到液晶以及对应电容上。
面板是一个矩阵结构,矩阵的每个交叉点都对应一个TFT开关。Gate Driver提供的驱动信号控制不同行TFT的栅极开关情况,Source Driver提供的数据信号送到不同列TFT的源极。当扫描线信号开启TFT时,信号线从源极对液晶和存储电容充电,保存数据;当扫描线信号关闭TFT时,高阻抗ROFF切断了回路,防止数据被更改。
为了显示彩色,还需要再增加一层彩色滤光片。一个像素点由三个液晶单元格组成,分别对应RGB三种颜色,同时控制不同的灰阶变化,混合之后就可以显示各种颜色。
在放大镜下观察屏幕时可以发现每个像素点都是由RGB三个部分组成的,同时仔细观察可以发现每个RGB点都不是完整的矩形,而是有一部分缺块,这一缺块就是TFT所在的位置。
能显示颜色的总数目由数字信号的位数来决定,例如8bitRGB信号,RGB三色各有255种灰度,共能显示约16.7M种颜色。
了解完TFT显示原理之后,我们还需要了解一下gamma(γ)值的概念。gamma,也称为灰度系数,表征的是输出光曲线与输入屏电压的关系,主要用于灰度值的计算。
举个例子为例来说明gamma,当房间内共有十根蜡烛(对应十个灰阶),当第一根蜡烛被点亮时,可以明显感觉到亮度变化,当第二根蜡烛被点亮时,明显感觉到亮度又翻倍了,但是从第九根到第十根被点亮时,我们却很难察觉到亮度变化了。更直观的例子如下图,上面是人眼感知到的亮度变化,而下面一行是实际物理上的亮度变化。
为了防止液晶分子的极化,LCD需要采用相反的极性电压来进行驱动。对于屏幕的每个液晶像素,一段连接源极而来的数据信号,另一端连接像素公共电压Vcom来作为参考电压。当显示电压高于Vcom时为正极性,当低于Vcom时为负极性。
首先,DCDC供电为屏驱动和TFT开关等部分提供合适的电压。对TFT来说,需要栅极驱动信号和源极的数据信号,分别由Gate Driver和Source Driver来提供。对于栅极来说,一般只包括两个电压VGH和VGL。VGH负责开启TFT,VGL负责关闭TFT。VGH,VGL具体的典型值随屏规格的不同有所区别。例如,对于某种屏幕,VGL典型值为-23V,VGH典型值为+31V。因此,通过测量栅极电压也可以帮助我们诊断与排查屏故障。
对于源极来说,导通后其上电压直接对液晶进行充电,通过Gamma 芯片输出不同灰度值的对应电压,可以控制屏幕灰度变化,这通常是某一个电压范围,例如0-16.3V,中间划分256个灰阶。因此,电源就需要输出一路模拟电源AVDD,来作为Gamma芯片的电压划分参考。
用于逻辑控制的DVDD,一般为3.3V。同时对于液晶来说,还需要提供Vcom作为像素参考电压,一般直接由gamma芯片提供。
前面我们已经简单介绍了关于gamma的一些知识,知道了我们需要在屏幕端做gamma近似2.2的校正。这项校正工作就是由gamma电路来实现的。
gamma电路主要分为两种,一种是电阻分压式,通过设定不同的阻值来获得对于需要的gamma电压输出,这种方式成本低,但是精度不易保证,且调整较为繁琐。另一种是P-gamma芯片,也就是可编程的gamma芯片,用户可以通过接口写入寄存器,较为准确的控制gamma输出电压,具有易于调整的特点,同时可以集成Vcom基准电压,但价格会相对较贵。
TCON板上电稳定后,通过I2C总线读取EEPROM中的启动程序,来完成TCON的初始化工作。读取完毕正常工作后,TCON开始按照时序送出控制信号和数据信号给屏驱动。
某型号时序示意图如下所示:
这其中的控制信号,一部分送给SCOF(源极驱动/列驱动),STH、CPH、POL等;一部分送给GCOF(栅极驱动/行驱动),STV、CPV等。
COF(Chip On Flex,or,Chip On Film),常称覆晶薄膜,是一种将集成电路固定在柔性线路板上的晶粒软膜构装技术,运用软质附加电路板作为封装芯片载体将芯片与软性基板电路结合。SCOF,即source COF,源极COF,对应列驱动,GOF同理,对应gate COF,行驱动。
注意这里SCOF、GCOF信号关于行列的对应关系,例如,栅极控制每行的开关状况,但是提供栅极信号的参考时钟CPV实际是某一列的gate的参考信号(某时刻任意一行的开关状态是确定的,由同一个gate信号提供)。
GCOF驱动信号、gate时序控制大致如下示意:
削角电路(GPM,gate pulse modulation)是一种用于控制栅极gate信号的DCDC配合电路,主要用于减少扫描线和像素之间的电容耦合效应,改善馈通电压造成的画面闪烁。其示意波形如下图所示。
TFT驱动原理详解https://wenku.baidu.com/view/1acdeee1856a561252d36ff7.html
TFT驱动IC介绍https://zhuanlan.zhihu.com/p/68431217
液晶显示技术简介https://xueqiu.com/3993902801/181703892
TCON组成及原理介绍https://blog.csdn.net/haoyingbao/article/details/110382953
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三阶驱动原理https://www.docin.com/p-744213497.html
面板架构Cs On Gate与Cs On Common:http://www.goodlcm.com/article16/info/30.html
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