TFT—LCD

（1）大面積：九十年代初第一代大面積玻璃基板（300mm×400mm）tft-lcd生產線投產，到2000年上半年玻璃基板的面積已經擴大到了680mm×880mm），而預計在09年啟動的日本sharp在大阪投資的10代線玻璃基板尺寸達到了2880mmx3080mm,該尺寸玻璃面板可裁切15片42寸的液晶電視。 （2）高集成度：用於液晶投影的1.3英寸tft晶元的解析度為xga含有百萬個象素。解析度為sxga（1280×1024）的16.1英寸的tft陣列非晶體硅的膜厚只有50nm，以及tab on glass和system on glass技術，其ic的集成度，對設備和供應技術的要求，技術難度都超過傳統的lsi。 （3）功能強大：tft最早作為矩陣選址電路改善了液晶的光閥特性。對於高解析度顯示器，通過0-6v範圍的電壓調節（其典型值0.2到4v），實現了對象元的精確控制，從而使lcd實現高質量的高解析度顯示成為可能。tft-lcd是人類歷史上第一種在顯示質量上超過crt的平板顯示器。現在人們開始把驅動ic集成到玻璃基板上，整個tft的功能將更強大，這是傳統的大規模半導體集成電路所無法比擬的。 （4）低成本：玻璃基板和塑料基板從根本上解決了大規模半導體集成電路的成本問題，為大規模半導體集成電路的應用開拓了廣闊的應用空間。 （5）工藝靈活：除了採用濺射、cvd（化學氣相沉積）mcvd（分子化學氣相沉積）等傳統工藝成膜以外，激光退火技術也開始應用，既可以製作非晶膜、多晶膜，也可以製造單晶膜。不僅可以製作硅膜，也可以製作其他的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半導體薄膜。 （6）應用領域廣泛，以tft技術為基礎的液晶平板顯示器是信息社會的支柱產業，也技術可應用到正在迅速成長中的薄膜晶體管有機電致發光(tft-oled)平板顯示器也在迅速的成長中。

薄膜晶體管液晶顯示器（tft-lcd）具有重量輕、平板化、低功耗、無輻射、顯示品質優良等特點，其應用領域正在逐步擴大，已經從音像製品、筆記本電腦等顯示器發展到台式計算機、工程工作站（ews）用監視器。對液晶顯示器要求也正在向高解析度、高彩色化發展。由於crt顯示器和液晶屏具有不同顯示特性，兩者顯示信號參數也不同，因此在計算機（或mcu）和液晶屏之間設計液晶顯示器驅動電路是必需，其主要功能是通過調製輸出到lcd電極上電位信號、峰值、頻率等參數來建立交流驅動電場。本文實現了將vga介面信號轉換到模擬液晶屏上顯示驅動電路，採用adi公司高性能dsp晶元adsp-21160來實現驅動電路主要功能。硬體電路設計 ad9883a是高性能三通道視頻adc可以同時實現對rgb三色信號實時採樣。系統採用32位浮點晶元adsp-21160來處理數據，能實時完成伽瑪校正、時基校正、圖像優化等處理，且滿足了系統各項性能需求。adsp-21160有6個獨立高速8位并行鏈路口，分別連接adsp-21160前端模數轉換晶元ad9883a和後端數模轉換晶元adv7125。adsp-21160具有超級哈佛結構，支持單指令多操作數（simd）模式，採用高效彙編語言編程能實現對視頻信號實時處理，不會因為處理數據時間長而出現延遲。系統硬體原理框圖如圖1所示。系統採用不同鏈路口完成輸入和輸出，可以避免採用匯流排可能產生通道衝突。模擬視頻信號由ad9883a完成模數轉換。ad9883a是個三通道adc，因此系統可以完成單色視頻信號處理，也可以完成彩色視頻信號處理。採樣所得視頻數字信號經鏈路口輸入到adsp-21160，完成處理後由不同鏈路口輸出到adv7125，完成數模轉換。adv7125是三通道dac，同樣也可以用於處理彩色信號。輸出視頻信號到灰度電壓產生電路，得到驅動液晶屏所需要驅動電壓。adsp-21160還有通用可編程i/o標誌腳，可用於接受外部控制信號，給系統及其模塊發送控制信息，以使整個系統穩定有序地工作。例如，adsp-21160為灰度電壓產生電路和液晶屏提供必要控制信號。另外，系統還設置了一些led燈，用於直觀指示系統硬體及dsp內部程序各模塊工作狀態。

圖1 系統硬體原理框圖 本設計採用從快閃記憶體引導方式載入dsp程序文件，快閃記憶體具有很高性價比，體積小，功耗低。由於本系統中快閃記憶體既要存儲dsp程序，又要保存對應於不同伽瑪值查找表數據以及部分預設顯示數據，故選擇st公司容量較大m29w641dl，既能保存程序代碼，又能保存必要數據信息。圖2為dsp與快閃記憶體介面電路。因為採用8位快閃記憶體引導方式，所以adsp-21160地址線應使用a20～a0，數據線為d39～32，讀、寫和片選信號分別接到快閃記憶體相應引腳上。

圖2 dsp和flash介面電路 系統功能及實現 本設計採用adsp-21160完成伽瑪校正、時基校正、時鐘發生器、圖像優化和控制信號產生等功能。伽瑪校正原理 在lcd中，驅動ic/lsidac圖像數據信號線性變化，而液晶電光特性是非線性，所以要調節對液晶所加外加電壓，使其滿足液晶顯示亮度線性，即伽瑪（γ）校正。γ校正是一個實現圖像能夠儘可能真實地反映原物體或原圖像視覺信息重要過程。利用查找表來補償液晶電光特性γ校正方法能使液晶顯示系統具有理想傳輸函數。未校正時液晶顯示系統輸入輸出曲線呈s形。伽瑪表作用就是通過對adc進來信號進行反s形非線性變換，最終使液晶顯示系統輸入輸出曲線滿足實際要求。 lcdγ校正圖形如圖3所示，左圖是lcd電光特性曲線圖，右圖是lcd亮度特性曲線和電壓模數轉換圖。

圖3 lcdγ校正示意圖 伽瑪校正實現 本文採用較科學γ校正處理技術，對數字三基色視頻信號分別進行數字γ校正（也可以對模擬三基色視頻信號分別進行γ校正）。在完成γ校正同時，並不損失灰度層次，使全彩色顯示屏圖像更鮮艷，更逼真，更清晰。某單色光γ調整過程如圖4所示，其他二色與此相同。以單色光γ調整為例：adsp-21160 首先根據外部提供一組控制信號，進行第一次查表，得到γ調整係數（γ值）。然後根據該γ值和輸入顯示數據進行第二次查表，得到經校正後顯示數據。第一次查表γ值是通過外部控制信號輸入到控制模塊進行第一次查表得到。8位顯示數據信號可查表數字0～255種灰度級顯示數據（γ校正後）。

圖4 單色光γ調整過程 圖像優化 為了提高圖像質量，adsp-21160內部還設計了圖像效果優化及特技模塊，許多在模擬處理中無法進行工作可以在數字處理中進行，例如，二維數字濾波、輪廓校正、細節補償頻率微調、準確彩色矩陣（線性矩陣電路）、黑斑校正、g校正、孔闌校正、增益調整、黑電平控制及雜散光補償、對比度調節等，這些處理都提高了圖像質量。數字特技是對視頻信號本身進行尺寸、位置變化和亮、色信號變化數字化處理，它能使圖像變成各種形狀，在屏幕上任意放縮、旋轉等，這些是模擬特技無法實現。還可以設計濾波器來濾除一些干擾信號和雜訊信號等，使圖像清晰度更高，更好地再現原始圖像。所有信號和數據都是存儲在dsp內部，由它內部產生時鐘模塊和控制模塊實現。時基校正及系統控制 由於adsp-21160內部各個模塊功能和處理時間不同，各模塊之間存在一定延時，故需要進行數字時基校正，使存儲器最終輸出數據能嚴格對齊，而不會出現信息重疊或不連續。數字時基校正主要用於校正視頻信號中行、場同步信號時基誤差。首先，將被校正信號以它時基信號為基準寫入存儲器，然後，以tft-lcd時基信號為基準讀出，即可得到時基誤差較小視頻信號。同時它還附加了其他功能，可以對視頻信號色度、亮度、飽和度進行調節，同時對行、場相位、負載波相位進行調節，並具有時鐘台標功能。控制模塊主要負責控制時序驅動邏輯電路以管理和操作各功能模塊，如顯示數據存儲器管理和操作，負責將顯示數據和指令參數傳輸到位，負責將參數寄存器內容轉換成相應顯示功能邏輯。內部信號發生器產生控制信號及地址，根據水平和垂直顯示及消隱計數器值產生控制信號。此外，它還可以接收外部控制信號，以實現人機交互，從而使該電路功能更加強大，更加靈活。此外，adsp21160內部還設計了i2c匯流排控制模塊，模擬i2c匯流排工作，為外部具有i2c介面器件提供sclk（串列時鐘信號）和sda（雙向串列數據信號）。模擬i2c工作狀態如圖5和圖6所示。

圖5 串列埠讀/寫時序

圖6串列介面-典型位元組傳送 系統軟體實現 在軟體設計如圖7所示，採用matlab軟體計算出校正值，並以查找表文件形式存儲，供時序調用。系統上電開始，首先要完成adsp-21160一系列寄存器設置，以使dsp能正確有效地工作。當adsp-21160接收到有效視頻信號以後，根據外部控制信息確定γ值。為適應不同tft-lcd屏對視頻信號顯示，系統可以通過調整γ值，以調節顯示效果到最佳。再如圖4所示，對先前預存文件進行查表，得到所需矯正後值，然後暫存等待下一步處理。系統還可以根據視頻信號特點和用戶需要完成一些圖像優化和特技，如二維數字濾波、輪廓校正、增益調整、對比度調節等。這些操作可由用戶需求選擇性使用。利用adsp-21160還可以實現圖像翻轉、停滯等特技。最後進行數字時基校正，主要用於校正視頻信號中行、場同步信號時基誤差，使存儲器最終輸出數據能嚴格對齊，而不會出現信息重疊或不連續。除了以上所述主要功能以外，adsp-21160還根據時序控制信號，為灰度電壓產生電路和tft-lcd屏提供必要控制信號。另外，adsp-21160還能設置驅動通用i/o腳配置led燈，顯示系統工作狀態。

圖7 軟體流程圖 結束語 本文介紹了基於adsp-21160液晶驅動電路設計。該驅動電路能完成伽馬校正、圖像優化及時基校正等功能，並能提供具有足夠驅動能力時序和邏輯控制信號，能驅動大部分tft-lcd。用adsp-21160設計驅動電路實時性好、通用性強、速度快且高效；而且還能在adsp-21160中嵌入其他功能模塊控制，增強系統功能。這樣不僅充分利用了adsp-21160資源，又節省了外部資源，簡化了硬體電路設計。作者將sonylcx029cpt顯示屏應用在本文所設計驅動電路上，顯示出質量很高圖像，因此該設計滿足驅動液晶顯示器要求。

tft-lcd的製造工藝有以下幾部分：在tft基板上形成tft陣列；在彩色濾光片基板上形成彩色濾光圖案及ito導電層；用兩塊基板形成液晶盒；安裝外圍電路、組裝背光源等的模塊組裝。 1. 在tft基板上形成tft陣列的工藝 現已實現產業化的tft類型包括：非晶硅tft（a-si tft）、多晶硅tft（p-si tft）、單晶硅tft(c-si tft)幾種。目前使用最多的仍是a-si tft。 a-si tft的製造工藝是先在硼硅玻璃基板上濺射柵極材料膜，經掩膜曝光、顯影、干法蝕刻后形成柵極布線圖案。一般掩膜曝光用步進曝光機。第二步是用pecvd法進行連續成膜，形成sinx膜、非摻雜a-si膜，摻磷n+a-si膜。然後再進行掩膜曝光及干法蝕刻形成tft部分的a-si圖案。第三步是用濺射成膜法形成透明電極（ito膜），再經掩膜曝光及濕法蝕刻形成顯示電極圖案。第四步柵極端部絕緣膜的接觸孔圖案形成則是使用掩膜曝光及干法蝕刻法。第五步是將al等進行濺射成膜，用掩膜曝光、蝕刻形成tft的源極、漏極以及信號線圖案。最後用pecvd法形成保護絕緣膜，再用掩膜曝光及干法蝕刻進行絕緣膜的蝕刻成形，(該保護膜用於對柵極以及信號線電極端部和顯示電極的保護)。至此，整個工藝流程完成。 tft陣列工藝是tft-lcd製造工藝的關鍵，也是設備投資最多的部分。整個工藝要求在很高的凈化條件（例如10級）下進行。 2. 在彩色濾光片（cf）基板上形成彩色濾光圖案的工藝 彩色濾光片著色部分的形成方法有染料法、顏料分散法、印刷法、電解沉積法、噴墨法。目前以顏料分散法為主。顏料分散法的第一步是將顆粒均勻的微細顏料（平均粒徑小於0.1μm）(r、g、b三色)分散在透明感光樹脂中。然後將它們依次用塗敷、曝光、顯影工藝方法，依次形成r. g. b三色圖案。在製造中使用光蝕刻技術，所用裝置主要是塗敷、曝光、顯影裝置。為了防止漏光，在rgb三色交界處一般都要加黑矩陣（bm）。以往多用濺射法形成單層金屬鉻膜，現在也有改用金屬鉻和氧化鉻複合型的bm膜或樹脂混合碳的樹脂型bm。此外，還需要在bm上製做一層保護膜及形成it0電極，由於帶有彩色濾光片的基板是作為液晶屏的前基板與帶有tft的后基板一起構成液晶盒。所以必須關注好定位問題，使彩色濾光片的各單元與tft基板各像素相對應。 3. 液晶盒的製備工藝 首先是在上下基板表面分別塗敷聚醯亞胺膜並通過摩擦工藝，形成可誘導分子按要求排列的取向膜。之後在tft陣列基板周邊布好密封膠材料，並在基板上噴灑襯墊。同時在cf基板的透明電極末端塗布銀漿。然後將兩塊基板對位粘接，使cf圖案與tft像素圖案一一對正，再經熱處理使密封材料固化。在印刷密封材料時，需留下注入口，以便抽真空灌注液晶。近年來，隨著技術進步和基板尺寸的不斷加大，在盒的製做工藝上也有很大的改進，比較有代表性的是灌晶方式的改變，從原來的成盒后灌注改為odf法，即灌晶與成盒同步進行。另外。墊襯方式也不再採用傳統的噴灑法，而是直接在陣列上用光刻法製作。 4. 外圍電路、組裝背光源等的模塊組裝工藝 在液晶盒製作工藝完成後，在面板上需要安裝外圍驅動電路，再在兩塊基板表面貼上偏振片。如果是透射型lcd.還要安裝背光源。

tft-lcd技術已經成熟，長期困擾液晶平板顯示器的三大難題：視角、色飽和度、亮度已經獲得解決。採用多區域垂直排列模式（mva模式）和面內切換模式（ips模式）使液晶平板顯示的水平視角都達到了170度。mva模式還使響應時間縮短到20ms。 (a) tn+film 從技術角度來看，tn+film解決方案是最簡單的一種，tft顯示器製造商將過去用於老式lcd顯示器的扭曲向列（tn:twisted nematic）技術，同tft技術相結合，從而有了tn+film技術。這項技術主要就是通過顯示屏覆蓋一層特殊的薄膜，來擴大可視角度——可以把可視角度從90度擴大到大約140度。如圖6所示：tn+film同標準tft顯示器一樣都是通過排列液晶分子來實現對圖象的控制，它在上表面覆蓋一層薄膜來增大可視角度。不過tft顯示器相對弱的對比度和緩慢的反應時間這些缺點仍然沒有改變。所以tn+film這種方式並不是做好的解決方案，除了它的造價最便宜之外沒有任何可取之處。 (b)ips（in-plane switching） ips就是in-plane switching的簡稱，意思就是平板開關，又稱為super tft。最早由hitachi(日立)開發，現在nec和nokia也使用此項技術製成顯示器。這項技術同扭曲向列顯示器（tn-film）的不同就在於液晶分子相對於基本排列方式不同，如圖7，當加上電壓之後液晶分子與基板平行排列。採用這項技術的顯示器的可視角度達到了170度，已經同陰極射線管的可視角度相當了，不過這項技術也有缺點：為了能讓液晶分子平行排列，電極不能象扭曲向列顯示器（tn-film）一樣，在兩層基板上都有，只能放在低層的基板上——這樣導致的直接結果就是顯示器的亮度和對比度明顯的下降，為了提高亮度和對比度，只有增強背光光源的亮度。這樣一來，反應時間和對比度相對於普通tft顯示器而言更難提高了。所以這項技術似乎也不是最好的解決方案。 （c）mva(multi-domain vertical alignment) mva多區域垂直排列技術，是由日本富士通（fujitsu）公司開發的，單從技術的角度看，它兼顧了可視角度和反應時間兩個方面。找到了一個折中的解決方法。mva技術使得可視角達到了160度—— 雖然不如ips能達到的170度的可視角度，不過它`仍然是好的，因為這項技術能夠提供更好的對比度和更短的反應時間。 mva中的m代指“multi-domains” —— 多區域的意思。圖8所示，那些紫色的突起（protrusion）構成了所謂的區域。富士通目前生產的mav顯示器中一般就有這樣4個區域。 va是“vertical alignment”的簡稱，意為垂直排列。不過單從字面上看會產生一些誤解，因為液晶分子並不是如圖所示的“突起”（protrusion）完全垂直。請看圖8所示黑色示意圖。當電壓生成一個電場時，液晶分子如圖相互平行排列，這樣背光光源就能穿過，而且能將光線向各個方向發散，從而擴大了可視角度。另外，mva還提供了比ips和tn+film技術都快的反應時間，這對於取得良好的視頻回收和殘視覺效果都是非常重要的。mva液晶顯示器的對比度也有所提高，不過同樣也會隨著可視度的變換而變化。在採用光學補償彎曲技術（ocb）的基礎上發展起來的場序列全彩色（fsfc）lcd技術不僅取消了占成本三分之一的彩色濾光膜（cf），還可使解析度提高3倍，透過率提高5倍，同時簡化了工藝，降低了成本。彩膜技術和背光源技術的發展使tft-lcd的彩色再現能力達到甚至超過了crt。作為商品顯示器tft-lcd的主要技術指標綜合性能在各類顯示器件中是最優秀的，特別是tft-lcd產品的大規模生產技術的完善，多品種、多系列的產品發展空間，應用範圍無所不至。最近韓國三星電子已經生產出了38英寸單一基板的tft-lcd液晶電視和40英寸tft-lcd顯示器，以其優良的性能向公認的應為pdp霸佔的大尺寸彩電市場進軍。 lcd是所有顯示器中耗電最低的產品，以13.3英寸xga tft-lcd為例，其功耗1998年為4.4瓦，1999年為3.3瓦，到2001年將小於2.5瓦，特別是反射型tft-lcd的研製成功，由於取消了背光源，其功耗比透射式tft-lcd低了一個數量級。同時由於幾改進，低溫激光退火多晶硅（p-si）技術成熟，以至最近發展起來的單晶硅技術使得tft-lcd的響應速度更快，電路集成化水平更高，鎖相環技術的應用，一種功能更新，更全的周邊電路的採用，系統集成（system on glass）技術的發展，使得tft-lcd更輕、更薄。13.3英寸tft-lcd其厚度在1998年為7.2mm，1999年為5.5mm，2001年降到5mm以下，其重量1998年為580克，1999年為450克，到2001年降到400克以下。TFT-LCD的大生產技術也已成熟，已實現全自動生產，其第五代生產線在2002年將進入實用生產階段，生產成本將不斷下降。tft-lcd在技術上的成熟與進步以及其特有的性能優勢確定了tft-lcd最終取代crt的格局。