液晶显示模块设计中应注意的几个问题

随着信息产业的迅速发展，作为信息显示终端之一的LCD器件也得到了空前的发展。在FPD(Flat panel display)器件中，LCD以其轻、薄、小、耗电低等优点而一枝独秀。

为LCD配置了驱动电路，就形成了液晶显示模块LCM(Liquid Crystal Module)。它的基本组成部件除了LCD、驱动电路外一般还有连接件、背光源等。液晶显示模块同一个系统中的其他电路一样，有简单的接口，并提供了丰富的控制显示的指令系统。为整机的开发节约了时间。下面讨论LCM设计中的应注意的几个问题及解决方法。

对比度

对比度是描述一个显示器件在显示时前景(如显示的文字、图形等)和背景之间明暗差别大小的一个量。以正性液晶显示器件为例，对比度公式如下：

Cr=(N1/N2)×100%

Cr是对比度，N1是像素点未显示时的光线透过率，N2是像素点显示时的光线透过率。对比度越大，显示就越清楚，反之，则显示暗淡不清。LCD的对比度与其自身的特性关系较大，如电光特性曲线的陡度等。从电路驱动的角度来讲对比度的控制主要受下面几个参数的影响。

● 偏压电路

设IC的驱动路数为N，那么驱动波形的占空比D和偏压B为：

以HITACHI的驱动芯片HD61203为例，驱动LCD的最大路数为64，即占空比为D=1/64，那么偏压比B=1/9，如图1所示，偏压电路中R2的取值应是R1的5倍，R2=5R1。例如R1=1k，则R2=5R1=5k。

当芯片的驱动路数大于64个时，芯片的工作频率也会相应提高，同时偏压电阻也会因为偏压比的增大而提高阻值。这样就不可避免地使偏压电路的几个输出端V1、V2等的驱动能力下降，这就对LCD的驱动带来了负面影响。为了解决高路数屏的驱动问题，在偏压电路的设计上，应当提高V1、V2等输出端的驱动能力。

在图1中，在各输出端增加了运算放大器LM324。LM324是一个具有四运放的可使用正负电源工作的运算放大器。它的每一个运放都接成电压跟随器的形式，使得V1、V2等输出端的驱动能力大大增强，可以大大改善LCD的对比度。电路中的Rc为10～20kΩ的可变电阻，在模块对外部的接口处引出，可以随时调整显示的对比度。

驱动波形的改善

由于一般的模块电路设计相对简单，无须进行电磁干扰分析。但在高占空比产品中，用示波器可以发现芯片的输出波形往往会变得较差，这对显示的对比度也有一定程度的影响。为了改变这种情况，可以在偏压电路的每个电阻上并联一个0.1μF的电容，可改善输出波形。

以输出B形波的芯片的COM线为例。在没有加电容之前选择点和半选点的电压波形都有畸变，畸变严重时会造成串扰影响显示对比度，波形如图2所示。增加电容后，波形会得到很大的改善，波形如图3所示。

工作频率问题

在实际调试一款显示容量为128×64点阵显示的模块样品时，发现模块在隔行显示时，显示明显变淡，对比度极差。经分析后认为，有两种办法可以解决。一是调整模块的RC振荡电路，降低R的阻值，使振荡频率由原来的47kHz下降为20kHz；二是在偏压电路部分加入驱动电路(如前所述)。两种办法都达到了预期效果。但第一种办法由于降低了模块的工作频率，因而会使显示的祯频也随之降低，这就造成了LCD整屏显示时会象电视画面一样产生的闪烁现象，这种现象在荧光灯下观察更容易发现，不过在自然光线或白炽灯下显示效果还算理想，在实际调试时可以根据实际情况，选择合适的电阻值；第二种办法会增加产品的成本。

液晶显示屏设计中应注意的问题

液晶显示屏是由具有透明电极的ITO玻璃和液晶、偏振片等材料组成的。从电路的角度来讲，LCD上ITO走线电阻的大小对显示对比度有很大的影响。LCD的一个近似等效电路如图4所示。其中R1表示从LCD电极到LCD像素点的ITO电阻；R2表示LCD像素点的等效直流电阻；C表示该像素点的等效电容。

要实现良好的对比度，应该降低R1，增大R2，同时使C的容抗也尽量增加，这样才会使这条支路上的电压大部分降在LCD的像素点上，下面分别讨论这几个参数的情况。

一般情况下，C通常为每平方厘米几个皮法。在LCD驱动波形的频率较高时，C的容抗变小，电流将增加，这会使IC驱动波形的幅值被拉低，造成液晶分子不能在驱动电压的作用下很好地“立起”或“倒下”，使得它对光线的调制能力减弱而使对比度变差。在频率不变的前提下，要减小C值使回路阻抗增大，以降低LCD自身功耗对IC驱动能力的影响。根据平板电容器的电容公式：C=s/4πkd(C是介电常数；s是平行板的正对面积；k是静电系恒量；π是常数)

电容的大小，主要受两方面的影响，一是象素点的面积S；二是上下两片玻璃ITO之间的距离d。由于象素点的大小已经由客户确定，不能改变，要减小C值只能在d上考虑，但由于生产工艺的原因，d的可调范围很小，一般只有几个微米。因此C调整将非常有限。

那么剩下的两个参数中的R2，其阻值的大小主要是由液晶纯度决定的。液晶越纯，其中的自由离子就越少，等效直流电阻就会越大，因此在LCD的生产中注意环境的净化程度，保证各环节不会受到污染，从而保证液晶的纯度，使R2最大。至于R1，对于设计人员来说，要在设计过程尽量减小R1却是相对容易的，这也是所讨论的这几个参数中最容易调节和有效的。

下面将说明如何在设计中减小ITO的走线电阻R1，示意图如图5。

描述ITO电阻的一个主要参数是方块电阻R□。R□是ITO玻璃生产商提供的一个参数，小到十几欧姆，大到一百几十欧姆。其大小与ITO材质的电阻率和ITO膜的厚度有关。在R□一定的条件下，一段ITO走线电阻的大小是由走线长度和线宽决定的。一段长为L，宽为d的ITO走线的电阻计算方法为，R=H(L/d)R□

例如，已知R□=30Ω/□，长L1=40mm，L2=30mm，宽d1=0.5mm，d2=0.4mm，那么这段ITO走线的电阻R1=(L1/d1+L2/d2)R□=(40/0.5+30/0.4)×30=4.65kΩ。

从电阻的计算公式可以看出，在R□一定的前提下，要减小走线电阻R1，只能缩短ITO的走线长度L和增加ITO走线的宽度d。在设计LCD的布线时，应格外注意这一点，以使整段ITO走线的电阻尽量小，这在COG(Chip on Glass)类液晶显示模块产品的设计中至关重要。

另外，在缩短走线长度L和增加线宽d的同时，应注意整个屏上ITO走线的电阻分布情况。一般来说，L比较大的，相应地d也要大，对于每一条ITO走线都要保证公式中L/d是一个基本不变的量，从而使R分布的尽量均匀，这也有助于改善整个屏的对比度。

背光源

由于液晶显示器是靠反射光线进行显示的器件，因此在环境光线较弱时，就需要有光源来使显示变得清晰。这就产生了液晶显示的采光技术。从目前背光源的类型来看，一般分为LED型、EL型和CCFL型。下面简单介绍这三种背光源各自的特点和选用原则。

LED背光源具有工作电压低、亮度高、使用寿命长的优点，发光颜色也有多种，但工作电流较大。一般一支LED典型的工作电压是2.1V，电流约10mA左右。在背光源的实际电路中，是把两支LED串联使用，使工作电压接近数字电路的工作电压5.0V。在显示面积较大的情况下，需要把很多LED串联后再并联起来，需要很大的电流。例如，一个发光面积为80.0mm×30.0mm的LED背光源就需要24对LED并联到一起，工作电流将达到240mA。这样大的电流对于功耗要求严格的系统来说是不允许的。为了降低电流，可以使用侧部发光的背光源。这种背光源是在导光板的侧部安装了LED的背光源，具有光线均匀、电流低、体积小的优点。

EL背光源 [p] 是通过交变电场激发在两片透明电极中间的荧光粉发光而制成的，最大的特点是特别薄，厚度一般不超过0.8mm，而且发光均匀。缺点是需要较高交流电压来驱动(AC100V，400Hz)、寿命短。功耗一般为每平方厘米几个毫瓦，亮度为每平方米几十坎德拉。发光颜色有天蓝色、绿色、黄色等多种颜色，实际使用时，需要专门的驱动器。

CCFL背光源是这三种背光源中亮度最高的，可达到每平方米几千坎德拉。工作电压是1000V左右的交流电，在实际使用中也需要配置专门的驱动电路。一般在显示面积较大时采用这种类型的背光源，如笔记本电脑等。
总的来说，这三种背光源性能各有千秋，在实际设计液晶显示模块时可根据具体情况选择合适的光源类型。