Circuite de afisare cu cristale lichide (lcd)

CIRCUITE DE AFISARE CU CRISTALE LICHIDE (LCD)

1 Introducere

Spre deosebire de LED-uri sau alte dispozitive active cum ar fi tuburile CRT, afisoarele cu plasma sau tuburile fluorescente, afisoarele cu cristale lichide (LCD - Liquid Crystal Display) nu emit ele insasi lumina, ci moduleaza lumina emisa de o sursa independenta. Sursa de lumina poate fi lumina mediului ambiant reflectata de o oglinda amplasata la baza LCD-ului, cum este cazul display-ului LCD de ceas, telefon, etc. sau lumina emisa de tuburile fluorescente (CCFT - Cold Cathode Fluorescent Tube) si reflectata spre suprafata ecranului de catre un reflector care are sarcina de a uniformiza repartitia luminii reflectate pe intreaga suprafata a ecranului.

2 Lumina polarizata

Functionarea unui dispozitiv de afisare de tip LCD se bazeaza pe lumina polarizata. Lumina naturala, numita si lumina alba este nepolarizata, adica vectorul campului electric sau magnetic oscileaza pe toate directiile dintr-un plan perpendicular pe directia de propagare a luminii. Aceasta lumina poate fi insa filtrata printr-un filtru special numit polarizator ce poate fi inchipuit ca un gratar care lasa sa treaca lumina ce oscileaza doar pe o anumita directie a planului.

In figura 1 este prezentata polarizarea luminii folosind un astfel de polarizator. Se observa ca lumina este lasata sa treaca doar pentru directia verticala a planului polarizorului.

Daca dupa un prim polarizator, lumina polarizata vertical intalneste un al 2-lea polarizator, avand o orientare perpendiculara fata de cea a primului, adica orizontala, lumina polarizata in plan vertical nu mai poate trece prin acesta din urma.

Folosind lumina polarizata, diferite polarizatoare si un mediu ce conduce lumina, putand sa si roteasca planul de polarizare al luminii, se poate comanda pe ecranul unui display LCD aparitia unor puncte (pixeli) luminoase sau intunecate.

Elementul care asigura conducerea si rotirea planului de polarizare al luminii este celula de cristal lichid.

3 Alinierea cristalelor lichide

Cristalele lichide sunt formate dintr-un set de componente organice complexe, compuse din molecule alungite care, in stare naturala, sunt ordonate paralel, dupa axele lor lungi. Cristalele lichide pot fi intalnite in natura in diferite faze, dintre care pentru display-uri este utila faza nematica.

In faza nematica, in baza structurii lor moleculare, cristalele lichide se pot alinia unor suprafete numite straturi de aliniere.

In baza proprietatilor lor mecanice, cristalele lichide se lasa rotite in forma de spirala daca sunt amplasate intre    doua straturi de aliniere rotite la 90 grade, asa cum este sugerat in figura

Amplasarea in forma de spirala intre doua strate de aliniere asezate la 90o formeaza o asa-numita celula Twisted Nematic (TN) de cristale lichide. Daca unghiul de rotatie este de 90o si Super Twisted Nematic (STN) daca unghiul de rotatie este de 270o

Exista sute de tipuri de cristale lichide, fiecare avand diverse proprietati fizice, electrice si optice. In afisoarele LCD se foloseste o combinatie de cel putin 10 tipuri de cristale lichide. Display-urile cu cristale lichide sunt caracterizate de doi importanti parametrii:

contrastul, definit ca raportul intre intensitatea punctului luminos si intensitatea punctului intunecat;

unghiul de vizualizare, definit ca unghiul calculat fata de o directie specificata (in particular poate fi perpendiculara pe planul ecranului) in care imaginea afisata poate fi vazuta in bune conditii, la valoarea de contrast specificata.

Celulele TN asigura contraste de 3:1 si un unghi de vizualizare de doar 20o, cele STN contraste de pana la 10:1 si unghiuri de pana la 40o. Doua celule de cristal lichid STN una peste alta formeaza tipul Double Super Twisted Nematic (DSTN), cel mai frecvent folosit astazi in display-urile cu matrice pasiva. Exista insa si afisoare LCD cu trei celule suprapuse Triple Super Twisted Nematic (TSTN). Aceste structuri asigura astazi contraste ce depasesc 300:1.

Cand intre cele doua straturi de aliniere se aplica o diferenta de potential, deoarece moleculele de cristal lichid sunt polare, celulele se orienteaza dupa liniile de camp electric.

4 Structura afisorului LCD

Structura afisorului LCD

Functionarea afisorului LCD

Pe langa cele doua straturi de aliniere, un afisor LCD contine si doua polarizatoare, asa cum este prezentat in figura urmatoare. Sursa de lumina furnizeaza lumina nepolarizata ce trece prin primul polarizator, cel cu orientare orizontala, pozitionat in spate. Dupa ce lumina trece prin acest polarizator rezulta lumina polarizata orizontal. Aceasta intalneste apoi cristalele lichide bune conductoare de lumina. Sa presupunem pentru inceput ca nu exista o tensiune de comanda si ca cristalele lichide sunt dispuse in spirala intre cele doua plane de aliniere. In acest caz, planul de polarizare al luminii se roteste odata cu moleculele de cristal lichid si lumina ajunge la polarizatorul din fata avand planul de polarizare vertical. Acest plan se potriveste cu cel al polarizatorului si lumina va trece prin acesta producand un punct luminos pe ecranul LCD.

Lumina polarizata este condusa de catre celulele de cristal si in cazul in care acestea se orienteaza ca urmare a aplicarii unui camp electric. In acest caz, planul de polarizare al luminii ajunge insa la polarizatorul din fata fara a fi rotit, adica cu polarizare orizontala. Acest plan fiind obturat de polarizatorul din fata, efectul va fi un punct negru pe ecran.

Intrucat sursa de lumina emite lumina alba, pentru obtinerea unei imagini in culori este necesara folosirea filtrelor de culoare. Acestea se dispun de regula imediat in spatele polarizatorului vertical, in dreptul coloanelor sub-pixelilor de culoare si filtreaza (lasa sa treaca) una din cele trei culori fundamentale rosu, verde si albastru. Formarea colorilor se face tot prin amestecul aditiv al culorilor primare, similar ca la tubul CRT. Controlul intensitatilor culorilor    primare se face prin tensiunea de comanda ce poate asigura o rotire completa sau partiala a celulelor si deci intensitati luminoase diferite la iesirea din polarizatorul vertical.

Asa cum este prezentat in figura anterioara, un afisor cu cristale lichide are o structura de tip sandwich formata din:

polarizator posterior;

placa de sticla posterioara continand un strat de aliniere si electrozii de linie;

celule de cristal lichid;

filtru de culoare RGB (numai la monitoarele color);

placa de sticla frontala cu strat de aliniere si electrozi de coloana;

polarizatorul frontal.

5 Comanda afisoarelor cu matrice pasiva

Proiectarea circuitelor de comanda pentru dispozitivele de afisare cu cristale lichide    prezinta particularitati legate de temperaturile de stocare si cele de functionare, modificarea tensiunilor de alimentare, functionarea in cazul unei iluminari ambientale scazute, etc. Celulele cu cristale lichide functioneaza astazi cu tensiuni de prag cuprinse intre V si 2V, folosindu-se tensiuni de comanda alternative sau in impulsuri.

Tensiunile de comanda trebuie sa asigure componente continue cat mai apropiate de zero deoarece aplicarea permanenta a unei tensiuni continue chiar si de cativa de mV poate conduce la reorientarea nedorita a moleculelor de cristal lichid sau la opacizarea electrozilor transparenti. .

Cea mai simpla comanda este cea fara multiplexare pe baza unui circuit de tip SAU-EXCLUSIV, asa cum este cel pentru comanda a doua segmente, prezentat in figura 4.

Cele doua segmente comandate sunt simbolizate prin doua condensatoare CA si CB si au cate un electrod de comanda Electrod A si Electrod B, alaturi de un electrod comun notat Electrod C, numit si backplane. Rezistenta contactelor este simbolizata prin RS iar curentul de pierderi al fiecarui segment (curentul care circula prin cristalul lichid) este modelat prin introducerea in model a unui rezistor RP. Prin intermediul rezistorului Rc a fost notata rezistenta echivalenta a electrodului comun.

Fiecare segment este comandat de catre un circuit SAU-EXCLUSIV. Formele de unda aplicate electrodului comun si celor doua intrari de comanda sunt prezentate in figura 5.

Se observa ca pentru VA = 0 logic formele de unda VC si VEA coincid, ceea ce face ca tensiunea diferentiala pe elementul de afisare VCA = VEA - VC sa fie nula. In cazul in care VA = 1, tensiunile VC si VEA sunt in antifaza si semnalul VCA arata ca in figura 5, prezentand o componenta de curent continuu nula daca coeficientul de umplere a semnalului VC este 50%. Acest tip de comanda prezinta dezavantajul unui numar mare de contacte, cate unul pentru fiecare element de afisare si se foloseste mai rar (pentru nr. mic de elemente de afisare).

Daca dispozitivul de afisare prezinta mai multe caractere sau forme grafice, se foloseste uzual comanda matriciala (figura 6) a elementelor de afisare si comanda prin metoda de multiplexare.

Daca in cazul LED-urilor sau afisoarelor 7 segmente, mai multe terminale ce corespundeau aceluiasi segment puteau fi unite si comandate de o aceeasi iesire a unui decodor 7 segmente, aceasta metoda nu poate fi folosita in cazul cristalelor lichide datorita comportarii capacitive a acestora.

In proiectarea circuitelor de comanda a dispozitivelor de afisare cu cristale lichide prin metoda multiplexarii se urmaresc urmatoarele aspecte tehnice

componenta de curent continua a tensiunii aplicate elementului de afisare trebuie sa fie cat mai apropiata de zero;

elementele sa fie comandate matricial, pe linii si coloane (fig 6);

tensiunile de comanda sa se aplice simultan pe toate liniile si coloanele insa formele de unda sa fie alese astfel incat diferenta de tensiune intre oricare linie si coloana sa nu depaseasca valoarea de prag decat pentru elementele care trebuie "aprinse"

Utilizand aceasta metoda de comanda, unele elemente vor fi "complet comandate iar celelalte semi-comandate deoarece au intotdeauna aplicata o diferenta de tensiune pe element dar nu suficient de mare incat sa provoace modificarea iluminarii.

Metoda este simpla dar contrastul obtinut astfel este limitat.

In figura 7 sunt prezentate formele de unda pentru comanda segmentelor in mod matricial prin metoda multiplexarii, folosindu-se trei nivele de tensiune 0V si ±Vln pentru formele de unda aplicate pe linii si doar doua nivele de tensiune Vcl) pentru formele de unda aplicate pe coloane.

Formele de unda pentru linii sunt practic aceleasi dar decalate in timp cu un interval Ti. Formele de unda pentru coloane sunt astfel alese incat prin diferentierea lor din semnalul aplicat liniilor sa rezulte fie activarea segmentului, fie inactivarea lui. Astfel, forma de unda propusa pentru coloana 1 combinata cu oricare din cele patru forme de unda corespunzatoare liniilor va conduce la diferente Vln - Vcl de forma celei notate Vln1 - Vcl1 din figura 7. (la care amplitudinea nu depaseste niciodata valoarea Vcl - valoare insuficienta pentru "aprinderea" segmentului . Daca insa pe o coloana se aplica o forma de unda cum este cea propusa pentru coloana 2, notata Vcl2, atunci vor fi selectate segmentele corespunzatoare liniilor 2 si 3 pentru care exista momente in care diferenta Vln - Vc depaseste valoarea xVcl, (valoare aleasa sa depaseasca tensiunea de prag pt. "aprinderea" segmentului) Pentru exemplificare, in fig. 7 se poate urmari forma de unda Vln2 - Vcl

Este important de remarcat faptul ca formele de unda ce corespund caderilor de tensiune pe celulele cu cristale lichide notate Vln1 - Vcl si Vln2 - Vcl2 sunt caracterizate de o valoarea medie (componenta de curent continuu) nula.

6 Comanda afisoarelor cu matrice activa

In conformitate cu modul de comanda matricial prezentat mai sus rezulta ca fiecare celula de cristal lichid este comandata in mod activ doar pe durata 1/(nr. total de celule comandate) din timpul de afisare. Pentru ca in restul perioadei de timp celula de cristal lichid se afla intr-o stare fara potential de comanda, este necesara alegerea cristalelor lichide cu proprietati de inertie ridicata, pentru a impiedica rotirea inapoi a cristalelor si distorsionarea astfel a imaginii afisate. Astfel de celule de cristal lichid nu pot fi insa comandate astfel incat orientarea lor sa se modifice rapid in timp si de aici apare si dezavantajul principal al LCD-urilor cu matrice pasiva - timpul de raspuns foarte mare. Desi redus astazi pana la 100-150ms, acest timp ramane totusi inacceptabil de ridicat pentru aplicatiile unde se prezinta imagini in miscare.

Cazul clasic pentru matricea activa AM-LCD il reprezinta comanda celulelor de cristal lichid prin intermediul unor dispozitive active numite TFT - Thin Film Transitor. In acest caz, fiecare celula de cristal lichid este comandata cu ajutorul unui tranzistor realizat sub forma unei pelicule subtiri si aflat pe placa de sticla din spatele dispozitivului de afisare. Grila si sursa tranzistorului sunt conectate la doi electrozi realizati din material transparent si aflati tot pe placa de sticla posterioara, iar drena este conectata la electrozii comuni, aflati pe sticla din fata, comanda ce este transmisa prin intermediul celulelor de cristal lichid, asa cum este prezentat in figura 9. Comanda unui pixel poate fi mentinuta un anumit timp si dupa incetarea comenzii efective pe linia si coloana respectiva datorita mentinerii tensiunii de comanda de catre capacitatea echivalenta formata intre electrodul comun si electrodul de pixel (figura 10). Aceasta capacitate echivalenta are doua componente:

o capacitate formata intre electrodul de pixel (legat la drena TFT-ului) si electrodul comun, dielectric fiind elementele de cristal lichid;

o capacitate formata intre electrodul de pixel si electrodul de grila, dielectric fiind materialul izolator

Folosind acest mod de comanda se pot utiliza cristale lichide rapide si se obtin timpi de raspuns sub 50 ms.

Daca se aplica un puls de tensiune pe grila tranzistorului, acesta se va deschide. Atat timp cat tranzistorul este deschis, condensatorul format de celula de cristal se incarca cu o anumita tensiune si apare un camp electric intre armaturi ce actioneaza asupra cristalelor lichide. Celulele se vor orienta astfel dupa campul electric si lumina va fi opturata. Functie de valoarea campului electric (adica a tensiunii aplicate pe grila de comanda) celulele de cristal lichid se vor roti mai mult sau mai putin lasand sa treaca mai multa sau mai putina lumina. Astfel se controleaza nivelul intensitatii culorii.

Comanda celulei este de foarte scurta durata, ca si in cazul matricii pasive, dar aceasta comanda se mentine mai mult timp datorita prezentei condensatorului echivalent care se descarca lent printr-un tranzistor blocat. Descarcarea acestui condensator cand se doreste ca celula sa nu mai fie comandata se face simplu prin aplicarea unei tensiuni de polaritate opusa pe electrodul comun. Si in acest caz trebuie sa se asigure o componenta continua a tensiunii de comanda de valoare nula pentru a nu afecta calitatea cristalelor lichide. Acest lucru se face prin alternarea polaritatilor tensiunilor de comanda aplicate pe electrodul comun si pe electrodul de pixel.

Structura si modul de constructie si amplasare a unui TFT este prezentat in figura 10.

Desi foarte avantajoase din punct de vedere al timpului de raspuns, utilizarea TFT-urilor inseamna totusi amplasarea pe sticla a cate unui tranzistor pentru fiecare sub-pixel de culoare. In cazul afisoarelor de mici dimensiuni acest lucru nu constitue o mare problema dar in cazul producerii de ecrane LCD de mari dimensiuni apar mari costuri datorita ratei de esec a tehnologiei, rata inerent diferita de zero. Un display cu rezolutia XGA de exemplu, inseamna un total de 1024x3x768 = 359.296 tranzistoare si, teoretic, este suficient ca doar un TFT sa fie defect pentru ca afisorul sa nu fie perfect. In practica, pentru reducerea costurilor de fabricatie se accepta un numar limitat de pixeli (TFT-uri) defecti, numar diferit pentru fiecare culoare fundamentala R, G, B (functie de cat de "vizibila" este culoarea pentru ochiul uman).