1.3 矩阵式液晶显示器的工作原理

矩阵方式液晶显示器又根据是否使用开关器件分为无源矩阵式液晶显示器（Passive Matrix LCD，PMLCD）和有源矩阵式液晶显示器（Active Matrix LCD，AMLCD），如图1.3.1所示。无源矩阵式液晶显示器靠上下基板电极交叉处的像素上施加电压驱动，而有源矩阵式液晶显示器靠每个像素上的开关器件驱动，如图1.3.2所示。无源矩阵式液晶显示器在亮度与对比度特性方面受很大的限制，响应速度也慢。由于显示特性方面存在缺陷，使得这种显示器不利于发展为台式显示器，但由于制造成本低廉，市场上仍有部分显示器采用无源矩阵式液晶显示器，如：TN型计算器、STN型电表等。有源矩阵式液晶显示器根据开关器件的端子数不同，分为二端子型和三端子型。二端子型的开关器件采用二极管和金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）器件，三端子型的开关器件采用TFT。根据TFT有源层的种类不同，三端子型的开关分为非晶硅TFT、多晶硅TFT和CdSeTFT等。目前大部分TFT-LCD产品的开关器件采用非晶硅TFT，另有部分小尺寸产品已经转向多晶硅TFT，而CdSeTFT仅在1998年时生产过一段时间。

从电学角度分析，液晶盒（cell）可视为一个电容，图1.3.3是（3×3）无源矩阵液晶cell的等效电路图。图中的横方向和纵方向的粗线分别表示被选的扫描线和信号线，两条线交叉处的液晶电容两端电压为V0，对应像素处于开态，粗线形成的路径称为主路径。在无源矩阵驱动方式中除了主路径之外，还会形成如图1.3.4所示的次路径，次路径上的每个液晶电容的两端电压为V0/3。当V0/3大于液晶的阈值电压时，次路径上的三个像素处于开态，出现不希望有的显示，这种现象称为串扰（Crosstalk）。

无源矩阵液晶Cell上发生的串扰现象可通过如图1.3.5所示的方法解决。图中被选择的纵向电极上施加0V电压，被选的扫描线上施加V0电压，未被选择的扫描线上施加VO/3电压，未被选择的纵向电极上施加2VO/3电压，此时，未被选择的所有液晶Cell两端的电压都为VO/3。由于所有未被选择的像素上施加的电压相同，所以这种方法称为电压平均法。电压平均法是1974年由IBM公司的Alt和Pleshko提出，所以也称为APT（Alt Pleshko Technique）法。在这种方法中液晶Cell的开态电压为VO，关态电压为VO/3，所以有时也称为1/3驱动法。

扫描线数越多，串扰现象越显著。扫描线为N行的矩阵式显示中，被选择点上施加大于阈值电压的时间只有一帧时间的1/N，施加小于阈值电压的时间为一帧时间的（N-1）/N。假定施加在液晶层两端的电压变化比液晶的响应速度快，则液晶分子的排列随电压的均方根值（Root Mean Square，RMS）变化。如图1.3.6所示，被选扫描线上施加电压V0，其他非选扫描线施加0V电压。信号线的电压大小为VB，被选择像素的对应信号线输出与扫描电压极性相反的电压，其他非选择像素的对应信号线输出与扫描电压极性相同的电压。图1.3.7是被选择像素与非选择像素的液晶层两端的电压波形。液晶两端的电压为扫描线和信号线的电压差，即像素单元被选择时的两端电压为V0+VB，非选择时的两端电压为V0-VB，其余的（N-1）/N帧的时间里，扫描线电极上的电压为0，因此显示单元上的电压为VB。下面讨论如何选择V0和VB，使像素被选择时的电压值Von较大，而非选择时的电压值Voff较小。

选择像素与非选择像素两端的RMS电压如下式所示：

设定偏置率时，选择像素和非选择像素两端的电压选择比R为

从求出选择比最大时的偏置率b和最大选择比Rmax为

按照上述方法驱动LCD面板时，需要配置正负电源。由于驱动电路的峰-峰（Peak-to-Peak）值电压增大，驱动电路的成本也相应地增加。如图1.3.8所示的逐帧偏置法不需要正负电源。这种方法在奇数帧时置行和列偏置于VB，而在偶数帧时置行与列偏置于V0，所以只需要幅度为（V0+VB）的单电源就能获得没有直流分量的驱动电压。图1.3.9是选择像素与非选择像素的液晶层两端的电压波形。选择像素与非选择像素两端的RMS电压如下式所示：

选择像素和非选择像素两端的电压选择比R为

从求出选择比最大时的偏置率b与最大选择比Rmax为：

根据式（1.3.5）或式（1.3.10）计算最大选择比随扫描线行数的变化，其结果如图1.3.10所示。从图中可以看出，随着扫描线行数的增加，最大选择比越来越小，也就是说，选择像素与非选择像素的电压差越来越小。几种常见扫描线行数的最大选择比以及选择像素与非选择像素的电压差如表1.3.1所示，计算中液晶Cell的阈值电压假定为2V。从计算结果可知，当扫描线行数超过100条时，选择像素与非选择像素的电压差只有0.2V左右。

表1.3.1 实际计算值

液晶的电光特性曲线的陡度通常定义为

式中，V90表示透过率为90%时对应的液晶电压，V10表示透过率为10%时对应的液晶电压。对于给定的γ，最大的扫描线行数为

例如，γ为1.4时，Nmax大约为9，γ为1.2时，Nmax大约为30。由此可知，无源矩阵液晶显示器只能用于扫描线行数较少的简单的显示器。对于高分辨率的液晶显示器，需采用如图1.3.11所示的有源矩阵方式，由于这种方式在每个像素配置一个开关，所以能有效地切断次路径，避免发生串扰现象。