1.1 液晶显示器常识

了解液晶显示器的常识，对于该产品的使用和维护保养是很重要的，对于维修技术人员来说，同样也是重要的。只有熟悉该产品的常识，才能更深入地掌握该产品所产生的技术问题，特别是对液晶显示器的性能参数、电路原理和故障的形成等都能做到心中有数。

1.1.1 液晶显示器的基本概念

1．液晶

液晶（Liquid Crystal），是一种介于固态和液态之间的具有规则性分子排列、晶体的光学各向异性的有机化合物。液晶不但具有固态晶体光学特性，还具有液态流动特性。液晶在受热达到一定温度的时候会呈现透明状的液体状态，而冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态，因为物理上具有这种液体与晶体的特性，所以把它称为“液晶”。

2．液晶显示器

液晶显示器，简称LCD，是英文Liquid CrystalDisplay的缩写。早在1888年，奥地利的植物学家FredreichRheinizer首先发现了液晶材料。顾名思义，液晶既不是液体也不是固态晶体，而是一种中间态物体。1889年，德国物理学家O. Lehmann在偏光显微镜下发现了液晶的光学异相性质。1968年，在美国RCA公司（收音机与电视的发明者）的沙诺夫研发中心，工程师们发现了液晶分子在受到电压影响后会改变其分子的排列状态，并且可以让射入的光线产生偏转的现象。利用这一原理，RCA公司发明了世界上第一台使用液晶显示的屏幕，从而开始把液晶用于显示技术；但那时的液晶材料还不太稳定，无法实现规模化生产。后来一位英国科学家发现了状态比较稳定的液晶材料（联苯），从此液晶才真正开始大规模用于数据显示，例如，计算器和一些小型的电子设备。随着液晶显示技术的逐渐成熟，其显示器的应用范围快速增大，直至形成目前较为普及的局面。

3．液晶的物理特性

人们通过实践，发现液晶具有图1-1-1所示的物理特性：在加电压时液晶会导通，液晶分子的排列会变得有秩序，使光线容易通过，液晶显示呈白色；在液晶不加电压时其分子排列就混乱，光线就很难通过，液晶显示呈黑色。形象地说，给予加电或不加电的条件，就能让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，这种光电效应奠定了液晶显示图像的基本要素。

液晶的物理特性还包括它的黏性（visco-sity）、弹性（elasticity）和极化性（polarizalili-ty），可说是一个具有排列性质的液体，依照作用力不同方向会有不同的效果。

从流体力学的观点看，黏性的最低流动方式和弹性对外加力量呈现方向性的反应，就像是扔进流动河水中短木棍的长轴，自然会变成与河水流动方向一致，呈现流动自由能最低的物理模型。因此，当光线射入液晶物质中，必然会按照液晶分子的排列方式行进，产生自然的偏转现象。至于液晶分子中的电子结构，具备很强的电子共轭运动能力，所以当液晶分子受到外加电场的作用时，便很容易被极化产生感应偶极性（induced dipolar），这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。而液晶显示器，就是利用液晶的光电效应，通过外部电压控制和液晶分子的折射特性，以及对光线的旋转能力来获得亮暗可视光学的对比，进而达到显像的目的。

4．单色液晶显示器的原理

单色液晶显示器是把液晶灌入两个开有细槽的平面之间（参见图1-1-2单色液晶显示器原理示意图）。由图可见，这两个平面上的槽互相垂直（相交成90°）。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90°扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90°，使光线不能直射出去。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素，而大量排列整齐的像素受电压控制产生亮与不亮的结果便形成了单色显示的图像。

5．液晶面板的基本结构

图1-1-3所示为液晶面板的基本结构示意图。由图可见，用两片玻璃把液晶夹在中间，其间相距约10μm。在这种玻璃的表面上镀有一层透明导电薄膜ITO（氧化铟锡）以作电极之用，然后在有薄膜电极的玻璃上涂分子取向层PI（聚酰亚胺），以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面的方向排列。液晶面板的四周有环氧胶密封边，液晶材料是在真空条件下通过密封边一侧开口注入两玻璃板之间的盒腔内，最后在液晶盒前后玻璃板上贴上偏光片就组成了液晶面板的基本结构。

6．彩色液晶面板的基本结构

在液晶面板基本结构的基础上，增加有关色彩反应的元素，就构成了图1-1-4所示的彩色液晶面板的基本结构。由图可见，在透明电极上部设有红色、绿色、蓝色（R、G、B）彩色滤光器，彩色滤光器一般采用染色、电沉积等方法加工而成。彩色液晶显示器采用R、G、B相加的混色法实现色彩的显示。在彩色液晶显示器面板中，每一个像素都是由三个R、G、B液晶单元格构成的，其中每一个单元格前面都分别有对应颜色（红色、绿色、或蓝色）的滤光器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。经过实践，人们发现加彩色滤光器后，光的透过率降低到了不利于观看的程度，需要增加背光照明源才能满足显示效果。通常背光照明源用三波长的背光照明灯与彩色滤光器相组合，这样就可以使彩色液晶显示器的光谱特性与CRT显示器的显示效果更加接近。

1.1.2 液晶显示器的分类

常见的液晶显示器按物理结构分为四种：（1）扭曲向列型（TN：TwistNematic）；（2）超扭曲向列型（STN：SuperTN）；（3）双层超扭曲向列型（DSTN：DualScan TortuosityNo-mograph）；（4）薄膜晶体管型（TFT：Thin FilmTransistor）。

1．扭曲向列型

TN型采用的是液晶显示器中最基本的显示技术，其自然状态具有90°的扭曲，利用电场使液晶分子旋转，液晶的双折射率随液晶的方向而改变，影响的结果是偏振光经过TN型液晶后偏振方向发生转动，于是就实现了光的明暗控制。TN型的运作原理较其他显示技术来的简单，通常用在电子手表，计算器等简单显示方面，而之后其他种类的液晶显示器也是在TN型的基础上进行改良发展的。

2．超扭曲向列型

STN型液晶显示器的显示原理与TN型相类似。不同的是，它将入射光旋转180°～270°，而不是90°，而且光是以淡绿色和橘色为主。在液晶屏上加一层补偿膜可使之变成黑白的，称为膜补偿超扭曲向列型液晶（FSTN）。但如果在传统单色STN液晶显示器上加一层彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，就可以显示出色彩了，称为CSTN（ColorSTN），这就是大家通常所说的伪彩屏。STN，FSTN和CSTN常用来做手机显示屏和游戏机屏等。

3．双层超扭曲向列型

DSTN是通过双扫描方式来扫描的扭曲向列型液晶显示屏，它是由超扭曲向列型液晶显示器（STN）发展而来的，相对于STN来说，其显示效果又有了大幅度提高。因为扭曲显示模式通过器件的光谱变化无法得到理想的颜色，而通过增加一个扭曲角正好相反的液晶盒可以使这个问题得到改善，这就形成了采用双扫描技术的双层超扭曲向列型显示器。当然，由于DSTN显示屏上每个像素点的亮度和对比度都不能独立控制，造成其显示效果欠佳，主要是对比度和亮度较差、屏幕观察范围较小、色彩不够丰富，反应速度慢，所以通常只用在文字、表格和静态图像处理等场合，但是它结构简单、重量轻并且价格相对低廉，耗能也少。

4．薄膜晶体管型

TFT（Thin FilmTransistor）即薄膜场效应晶体管。所谓薄膜晶体管，是指液晶显示器上的每一个液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动的。从而可以做到屏幕信息显示的高速度、高亮度、高对比度。薄膜场效应晶体管显示器属于有源矩阵液晶显示器，是目前液晶显示器面板的主流产品。

TFT-LCD液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏，也就是人们通常说的“真彩”。薄膜场效应晶体管显示器为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，这样不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以薄膜场效应晶体管显示器的色彩更逼真。总的来说，TFT-LCD液晶显示屏具有亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳等优点，但也存在着比较耗电和制作成本高等缺点。

TFT-LCD液晶显示屏较其他型的稍显复杂，屏的构成有萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等材料。同时，这种显示屏需要专门的电路来进行驱动才能实现图像的显示。图1-1-5是TFT液晶显示屏的薄膜晶体管原理示意图，行扫描电路输出的驱动信号加X电极（信号电极），列扫描电路输出的驱动信号加Y电极，T是薄膜晶体管。C为液晶像素电容，R为液晶像素的绝缘电阻，其阻值很大可以视为开路。液晶像素电容与液晶像素的绝缘电阻与背电极连接。TFT液晶显示屏的每一个像素配置一个薄膜晶体管，薄膜晶体管导通截止状态接近理想开关，这样可以大大提高液晶显示器的显示效果。

图1-1-6是TFT-LCD显示器周边驱动电路方框原理图，由图可见，液晶显示屏的驱动电路包括行、列扫描驱动器，而列扫描驱动器又包括数据驱动器（包含DAC电路）。在行扫描驱动电路中，行扫描信号通过768位移位寄存器产生与列信号同步的逐行扫描信号，768位缓冲驱动器加到每行的TFT晶体管的栅极，通过移位去逐行打开TFT晶体管，实现行扫描驱动。1024×768显示矩阵的列线（源极母线）共有3×1024 =3072条（每个像素有R、G、B三个颜色的显示单元），分成奇数组和偶数组各半，每组512个像素。