套话不说了,直接进入正题!以下重点讲与半导体相关的驱动IC部分。

1) 平板显示技术分类?

主流还是穿透式,指光要穿透filter膜层被观众看到,那穿透式里面根据光源种类又分为自发光和非自发光,这个比较好理解,非自发光就是自己没有光,必须靠外界光源来点亮,比如月亮照亮夜晚的地球。本文所讲的LCD就是属于非自发光,她必须要外借灯管发光穿透液晶和滤光层(CF)才能被观众看到。而以前的CRT以及当下火热的OLED以及LED显示技术都属于自发光的类型。具体如下图。

液晶显示原理及驱动IC技术-《芯苑》

2) 液晶是什么?

液晶故名思意就是液态晶体(Liquid Crystal),首先她的是液态保证她可以扭动。第二个她的是晶体,意思就是排布要有序否则怎么控制呢。对吧?

所以很多教材介绍都是说她是处于固体和液体之间的一种中间态,不管你怎么理解吧,必须的满足上面两个性质!

最早,她是有奥地利植物学家萊尼茲(F.Reinitzer)与1888年在做苯和脂类实验的时候发现的,所以首先得出他的身世和分子结构是以碳为核心的有机物。而“液晶”的名字来自于一年后1889年的德国物理学家莱蔓(O.Lehmann),他发现了这种混浊的液体具有各向异性(Ansiotropic)晶体所特有的双折射特性,所以他把这种有机物命名为File Bende Krystalle,德语意思为“液晶”。这特双折射特性就是后来我们讲的旋光特性。

再接着到1963年,米国RCA公司(没错就是FAB里的RCA Clean发明者)的工程师威廉发现了液晶会受到电器的影响而发生偏转,同时他也发现光线入射到液晶中会发生折射现象。于是到1968年还是RCA公司的Heil振荡器部门发表了全球第一个液晶显示屏。掰手指一算已经经历了85年,横跨了植物学、物理光学、电磁学,经历三个国家之后才把“液晶”和“显示”联系起来了。

再接下来就是1973年日本的夏普公司首次將它运用到电子计算器的数码显示而变成商用。

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3) 液晶的光电特性?

其实就是分光学和电学特性,液晶显示必须从这两个方面入手。一种材料的光学和电学翻译成物理变量就是折射系数和介电系数,分别代表光穿透的能力以及液晶分子受电场转动的能力。

先讲液晶有向列型(Nematic LC),层列型(Smetic LC),还有胆固醇型(Cholestic LC),而用于显示的液晶材料是向列型。下面介绍向列型液晶的光电特性。

a、电学特性:液晶分子为细长棒状结构,延长轴方向有极性(Dipole),也就是这个分子的一端带正电一端带负电,所以我们对这个液晶分子加电压可以使它发生偏转。如下图实验,两个平行玻璃板中间加入液晶,两端加上电压,当【不加电压】和【加电压】时,液晶分子会分别【躺】在玻璃板上或【站】在玻璃板上。

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b、光学特性:如莱曼(O.Lehmann)所发现,液晶具有双折射特性,什么意思?就是指光的极化方向受液晶分子的旋转而旋转!这个很难理解对不对?关键在于光的极化方向,下面先讲解什么是光的极化方向?

光有波粒二相性,先是波动性,它是正弦波的方式往前传输,那它往前传输的能量怎么来的呢?主要是靠电磁波效应。他是电场和磁场两个分量交互作用产生的电磁能就是电磁波的能量。而电场的分量的方向就是极化方向,对于普通的光来说(比如太阳光,照明光源等),它的极化方向是各个方向都有的,所以它的电磁振荡也是四面八方都有的,这样的光称之为非极化光。而如果一束光的电场方向固定不变则称之为极化光(Polarized light)。人类若要控制光就必须控制光的极化方向,液晶显示也不例外。那么极化光怎么得到呢?用一个光栅过滤一下就可以了,筛选特定电场方向的光就行,这就是偏振镜的原理,很多肉眼看不见的狭长隙缝组成的。

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插个题外话,虽然叫极化光,其实就是偏振光,极化光是西方的名字,当初以为光子也是类似磁铁一样由南北极粒子组成,实际是个错误的叫法,只是一直沿用了。

那液晶的光学特性就表现在它在电场控制旋转过程中,能够改变光的极化方向。一样还是用玻璃板夹一层液晶来实验,同样一束极化光射进来,如果不加电场,由于液晶分子“躺”在玻璃上,所以极化方向沿着液晶分子方向旋转了,所以输出就是90度的电场极化光了。反之,如果加了电场,则液晶“站”在了玻璃上,所以原来极化光的方向还是沿着液晶分子方向,所以输出不变。这就是液晶的旋光特性,它可以旋转光的极化方向,如果出口是指定的极化方向的话,这就实现了一个“光阀门”的作用!

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4) 液晶显示原理?

理解了上面所述的液晶光电特性,这里就很容易理解了!

直接把上面实验的两层玻璃换成两个偏光板,入射光就自动过滤成特定方向的极化光了,如果出射光的偏光板的细缝方向和入射偏光板方向垂直,则在不加电的时候,刚好躺下的液晶能够把光的极化方向旋转90度,刚好能够让光能够穿过,如果加电则极化方向不变,那么就出不去了。所以向列液晶属于NW (Normal White)型液晶。备注:NB (Normal Black)。

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那红绿蓝又是怎么实现的呢?简单,直接在出射的方向上加一个滤光层(CF: Color Filter)就搞定了。

 

5) 液晶驱动IC技术及原理?

从第一张的LCD显示分类看到,最基本的分类有被动式(PM: Passive Matrix)和主动式(AM: Active Matrix)两种,先讲被动式吧,它就是无数个横向和纵向交叉的Pixel矩阵,通过这些矩阵的交叉点来定位每个pixel需要被打开还是关闭,所以每个特定的Pixel都会有特定的电流流过。这种方法很简单,但是问题就是电流过大会对边缘的Pixel产生串扰(disturb),产生虚影,电流太小则对比度差而且液晶扭动迟缓。如果这种被动式LCD驱动方式则不适用于电脑高速图形显示。

而主动式LCD的结构与被动式类似,都是在两层透明电极(ITO)之间加入液晶,也是分别纵横交错的电压选择来定位每个Pixel,唯一不同的是,每个单元都引入了一个晶体管(TFT),由这个TFT晶体管来控制通过液晶的电流的开和关。所以主动式LCD也称之为TFT-LCD。

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好吧,接下来我们就大篇幅的讲讲TFT液晶显示的驱动原理吧!

我们的电脑都有个叫做显示卡的东西,它主要把显示的每个像素的三原色传送给驱动芯片,驱动芯片再把这些指令翻译成液晶流转电压输出给对应的像素,这就是源极驱动器(Source Driver),而Source Driver的输出能否被传输给液晶像素,还要经过每一个TFT晶体管开关,所以需要另外一个驱动电路来按照一定的始终频率对应的开启这个晶体管栅极开关,这就是栅极驱动器(Gate Driver),所以Gate Driver就是决定显示像素的位置,通知每一列像素要输入的资料,而Source Driver则是安排资料的输入,传输给液晶面板。他们各自都是整行整列的选择的,而交点的地方就是被选中的那个pixel。

那么问题来了,电脑上有1024*768个像素(实际上还要乘以3倍),这要一个个像素显示还不得疯掉?实际上不是这样的。平板显示都是一列列扫描的,意思是先用Gate Driver把一列液晶全部打开,然后每个Source Driver把这一列的所有pixel的灰度翻译成扭转电压一次性输出给这一列的所有pixel,所以说显示器是一列列显示的。所以Gate Driver也叫scan driver,Source Driver也叫Data Driver。

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那问题又来了,为啥我们看到的显示器不是一列列慢慢在变化呢?因为我们人眼能识别的图形变化时间的灵敏度是24帧,也就是1/24=0.04秒,而我们显示器通常在60Hz也就是0.016秒就已经完成了所有“列”的扫描了,所以你自然就感觉不到咯。相信大家都有经验,拿着摄像机拍摄电视屏幕就有闪动的条纹,这就是电视屏幕和摄像机屏幕扫描频率不一致导致的。

那问题又来了,显示像素越来越高咋办呢?扫描速度也不能无限快吧?那就好几个Gate Driver并行同时干就好了啊!所以一个大屏幕通常都需要好几个Source Driver和好几个Gate Driver,当然这完全取决于你的驱动IC有多少个通道(Channel),Channel数越多则需要越少的IC数量,自然cost就降下来了。以1024*768为例,一个Gate Driver有256个通道,则需要三个Gate Driver来完成。而如果Source Driver一个芯片有384个脚,则Source Driver需要8颗 (因为每个像素还有三个子像素RGB,所以总共是1024*3=3072个pixel)。这就是为啥LCD Driver芯片都是细长条装的,而且为啥显示器都有框,现在做无框的就必须把芯片贴着液晶屏做die size封装了。

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液晶是一种有机物链状结构,类似橡皮筋,所以如果某个画面一直不动的话,那个液晶分子受电场力强迫保持站立的话会导致它老化,所以为了让他一直动起来,就必须用一定频率的交流电去驱动它,一般在60Hz~100Hz,太低则闪烁,太高则耗电。因为液晶的扭转没有正负极之分,所以如果要让他动起来,就必须每隔一端时间把他的电压反过来,让它反向扭转一次,只要保持绝对电压差不变就行,也就是SEG/COM之间的偏压。什么叫SEG电极?什么叫COM电极?(这里有好多专用名词~)

因为一个液晶屏有好多驱动IC,每一列的所有晶体管都有一个通道的Gate Driver驱动,所以这一列就叫做COM电极(公用电极),而这一个公用电极有一整排的晶体管(像素)是靠好几个Source Driver来驱动的,所以每隔Source Driver负责的那一段就叫做一个Segment,所以Source driver那个电极就叫做SEG电极。

一个栅极驱动IC负责n个公共电极,则一个频率周期内扫描一个COM电极需要的时间就是1/n秒,这里面有两个重要概念:占空比(Duty)和偏置(Bias)。

占空比(Duty): 也叫COM数,由于液晶显示采用分时动态扫描的,所以在一个周期内要依次扫描完所有的COM (假设是"N"个),则每个COM的有效选通时间与整个扫描周期的比值就是占空比,它是固定的,等于1/COM数。

偏置(Bias):这个比较容易理解,就是液晶的扭转电压,也就是SEG和COM之间的电压,实际上它是一个模拟型号的驱动波形,可能你看到的SEG和COM有高有低弯弯扭扭的,但是记住液晶驱动与波形无关,它只与两个波形叠加之后的净电压差有关,而偏置就是各档模拟电压中最低档相对于输出的电压最高档的比例。

比如下图的波形图,他就是一个1/4 duty和1/3 Bias。因为它的COM数是4个,所以duty就是1/4了,而每个COM的驱动波形模拟电压是3档,V3是最高档,V2、V1是中间档,而且V1~V3是等间距的,所以V1/V3=1/3,所以Bias就是1/3了。

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一般情况下,Duty和Bias是有一定关系的,Duty数越多,则每个COM的时间就越少,充电时间就越短,而如果要达到同样的显示亮度和对比度,则充电电压就要增加,也就是“选”电平和“非选”电平的差异需要增加,也就是Bias要增加,Duty和Bias的经验公式:Bias=1/[sqrt(Duty)+1]。

接下来讲讲驱动电压吧,上面说过了,液晶驱动波形是交流的,但是这个交流电压是若干个直流电压组合而成的,而这各档直流电压就是反应Bias比例关系的,而这个各档电压值取决于液晶特性和duty数的多少。

先讲电源调整电路吧,外部电源首先是固定的,能直接用最好,但是大部分都不能直接用,而且外部电源稳定性也不好。所以还是需要有个电路解决稳定性问题,然后把他调整倒你要的电压为止,这就是Power Regulator的作用。首先它的有个电压基准源(Bandgap),然后用放大器把他放大到指定电压,但是放大器也是有源器件吧,它放大的energy从哪里来,必须有个放大电源,所以还需要把原来的输入电压通过charge pump升压电路升到一定得电压作为放大器的电源。当然所有的电源都这个套路,当然如果是降压也可以用LDO了,简单吧!OK了,就是这么简单,如下图!

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电源调整讲完了,接下来还是电压,偏置电压(Bias)!上面讲完电源调整电路产生一个非常精准的输出电压给LCD驱动电路,可是交流偏置波形需要不同level的偏置电压,提供给后续的COM/SEG波形产生电路。那么这个不同level的偏置如何实现?就是我们接下来讲的第二个电压产生电路,偏置电压。他有两种实现方式:

1) 电阻分压:这个简单吧,中学物理就有。不细讲了。但我们要懂一个行业术语,这就是我们讲的8位电阻折叠式DAC,她可以输出2N=256。这个mismatch是很重要的!

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2) 电容驱动结构:电路的部分我就不懂了,意思就是用一个电压产生一个倍率的电压叠加。只是这种结构电压调整电路和电压偏置部分必须要在一起的,这和电阻分压偏置是不一样的。所以电源升压部分是直接按照Bias的设置产生驱动电压的,只是这种结构的电容最好用外接电容,芯片内的电容驱动力很差的。

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偏置电压产生了,接下来就是产生交流驱动波形电路了,就是要按照一定的时钟频率在特定的时间把指定的电平送给液晶的COM/SEG端使得液晶点亮或关闭。COM/SEG波形产生电路就是一个多路选择开关,COM driver依照扫描计数器的值,SEG Driver依据显示数据RAM对应的值,分别从直流分压电平进行选择并从相应的COM/SEG引脚加以输出,合起来就是一个交流矩形方波驱动电路了。(备注:需要一个时钟电路,还有一个RAM电路)

液晶显示原理及驱动IC技术-《芯苑》液晶显示原理及驱动IC技术-《芯苑》

 

接下来讲讲VCOM极性反转,前面提到过,液晶必须是交流驱动因为它不能保持一个状态不变,否则会和橡皮经一样疲软的。所以虽然你看到的显示器显示不变,实际上每个pixel的液晶分子一直在后台做螺旋状正反扭转(类似小区健身器材的扭腰盘,O(∩_∩)O~~~)。那么如何实现呢?其实是把液晶显示电压分成了正负两种极性,我们知道液晶扭转是不分正负的,那就简单了,我们让Bias电压一直不间断做正负极性切换就可以了,这就是VCOM极性反转技术。Inversion又分好几种,有Frame inversion、Dot Inversion、Row inversion和Column Inversion等。

液晶显示原理及驱动IC技术-《芯苑》Inversion变换方式我们暂且不讨论,主要考虑闪烁(Flicker)和串扰(Cross talk)等问题,但是Inversion还有个东西必须要讨论的,就是Inversion的设计方式我们必须要懂,因为他直接决定了Source Driver的电压选择。Inversion设计有两种,一种是COM电压不变(DC VCOM),只是SEG电压做正负切换。另一种就是COM电压也变(AC VCOM)。前者的问题是SEG的电压必须很高,需要为COM电压的两倍以上(如果COM是5V,则SEG必须是10V),也就是Source Driver必须要用高压制程技术,这样成本就上去了。但是如果COM也跟着变,那就简单了,Source就直接5V就行了。

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再回来,如果你选择COM电压固定不变,你就可以选择Inversion的任何方式,但是如果你选择COM电压变化的话,那你就只能选择Frame Inversion和Row Inversion了。因为COM电极和SEG电极是不同的ITO玻璃电极,实际制作的时候整片玻璃都是COM电极,也就是说所有的COM是接在一起的,而Gate Driver是整行打开的,如果COM电极是接在一起的话,如果你选择COM可变的话,是无法在一行TFT上同时显示正极性和负极性的,所以你只能选择Frame和Row Inversion两种技术。

 

5) Gamma矫正电路:

首先,我们知道电脑的RGB三种颜色,每种颜色又分成了256个色阶(Gray Scale),每个灰阶其实就是对应液晶扭转量的变化,透光的多少。然而,电路就是电路,0~255个色阶,等效为驱动电压的256个等分,所以产生了下面这个透光率与偏置电压的特性曲线。

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然而模拟的世界总是那么让人琢磨不透,人眼对光线的感知是非线性的(韦伯定律)!这句话是不是很难理解,套用《知乎》上的一篇好文《色彩矫正中的gamma值》,人不是物理测量仪器,我们用感知是不可能测出某事物具体的物理量的,但是我们可以通过比较,来感知世界。以光为例,若在一小黑屋中,点亮了一支蜡烛A,这支蜡烛对屋内的贡献是显著的,在视觉上也感受到极大的明度提升。但是若是屋内已经点亮了1000支蜡烛,此时再点亮一支蜡烛B的话,从物理能量贡献上,这支新蜡烛B与蜡烛A的物理贡献是一样大的,但是在人的视觉中,B引起的“明度”变化,远远不如A。为什么呢?因为对于某事物,同样的变化量△a,总量少的时候,变化显著,容易被人感知,事物总量大了,再变化同样的△a,就不那么容易被察觉了。简单点就是突变才能被感知,温水煮青蛙到死也不明白的!摄影的单反相机,光圈开大一档,光线进光量增加一倍!地震级数增加一级,能量放大32倍!就是这个道理!

先普及一下,我们看到的任何物体的颜色都是该物体反射的光进入我们的眼睛。白色反射率100%,黑色0%。所以一份黑色一份白色掺在一起就是灰色,那应该就是50%的反射率咯!对不起,你错了!她的反射率只有17.68%,而17.68是根号下312.5!所以国际标准:人心目中看起来中灰的色块,其物理亮度值大约在白色块的20%左右。其实这也是一个20/80法则!在黑暗的情况下,稍微有点光就能让你非常刺激,可是达到20%之后,光线对你的刺激就没那么大了,所以需要加大光线量。于是就有下面这张人眼感应灰阶对自然界线性光的关系图。

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好吧,现在如何来解决我们LCD灰阶电压的问题了?再来韦伯定律,输出等于输入的指数幂函数,而这个幂就是Gamma。

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于是我们给gamma取不同的值,得出各条Curve,哪一条最接近上面那张图呢?就是Gamma等于2.2的时候。所以LCD driver的Gray Scale灰阶电压不是直接等分成256份,而是需要做Gamma等于2.2的指数幂调整才能满足人眼的感知。

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那么这个Gamma矫正怎么做的呢?她需要把原来的256等份电压和Gamma Curve叠加之后矫正成最后的电压,如下图Gamma校正模型。

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6) TFT-LCD液晶显示器的结构?

如前所述,液晶显示所用的液晶虽然都是向列型(Nematic),但是细分还有扭转向列型(TN: Twist Nematic)和超扭转向列型(STN: Super TN),两者区别就是旋转角度不一样而已。前者只能转90度,而后者可以转270度,而反应在电压控制旋光特性上,就是下图所示的TN的电压曲线比较缓慢,所以电压范围比较大,而STN的电压比较陡峭,所以电压范围比较小。所以TN型液晶因为电压范围比较大占了优势,因为灰阶可以拉的比较开。而STN就只能到4位,16个灰阶了,相比之下TN型就可以到6~8位,就是64~256个灰阶了。

还有个不同就是反应时间,转90度肯定比转270度快,所以还是TN型完胜。一般TN只需要30~50ms,但是STN就要到100ms了。

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7) TFT-LCD技术:

TFT-LCD就是AM-LCD的实现方式,她主要是有一个TFT晶体管做Gate选择开关,还有一个存储电容(Cs),当TFT的Gate Driver输入一个电压打开TFT晶体管的时候,Source Driver的电压可以通过TFT的Drain-to-Source给Cs电容充电,而当TFT的Gate关闭的时候,Cs电容存储的电压就可以继续给液晶Bias供电维持亮度。接下来我们就来讲讲这个TFT transistor和Storage Capacitor:

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a、先讲TFT-Transistor:它其实就是半导体器件里面的一个MOS开关(三端的),只是他的沟道不是单晶硅而是多晶硅。而且结构上它的Gate不像普通MOS在上面,而是在下面,所以叫做“逆叠型MOS” (Inverted Staggered)。原理类似MOS管,我就不说了。

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还有就是这个沟道的多晶硅有两种材料,Amorphous (α-Si)和LTPS(低温多晶硅)两种。其实就是跟我们FAB做的Poly Gate材料一样,我们0.25/0.35um用的就是非晶硅,而0.18um用的就是多晶硅,前者晶格没有规则大小和排列都无序,所以电子迁移率比较小,驱动电流自然就跟不上,充电速率慢,那后者多晶硅就完美的解决了这个问题了。

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b、再讲Cs(Storage Capacitor) 存储电容:一般存储电容有两种结构,因为电容位两端,High端肯定要和液晶的VSEG段一起接在TFT的Source段,而Low段自然要接地,常规的理解他可以和液晶的VCOM接在一起 (叫做“Cs on Common”)。另外,还有一种接法就是把low段和下一列的Gate线接在一起(叫做“Cs on Gate” )。那么这两者有何区别呢?

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 从图中可以看出,Cs on Common结构需要额外一根接地线,所以浪费面积啊,会影响发光面积(也就是开口率)。但是Cs on Gate也有一个缺点就是当下一行Gate被打开的瞬间,电容的电压就瞬间抵消了,但是这个时间很短只有20us(它瞬间关闭,存储电容电压就又恢复了),而显示的时间是16ms,所以那一瞬间人眼是不知道的。所以大多数存储电容都是采用Cs on Gate的方式。

值得一提的是液晶其实也是一种电容 (CLC),它的上下电极板对应的就是SEG和COM,只是这个电容太低好像只有0.1pF,无法用来存储电荷,必须要用Cs,貌似是0.5pF吧(大家再确认一下),只是它和Cs都接在相同的电压上。

 

8) TFT-LCD的驱动电路系统:

前面把每个模块都讲完了,这里把她们串起来总结一下吧。一个显示器包含两个驱动电路,Gate Driver和Source Driver,而Gate Driver相对比较简单,只要有时钟频率和高压就可以了,所以它的电路需要一个逻辑电路和高压电路,通常这个高压需要32V~40V以上,而Source Driver的电压主要取决于液晶的扭转电压,一般小屏幕是5~13.5V,而大屏幕需要18V。而对于小屏幕的手机而言,它的cost很重要,所以现在基本上Gate Driver和Source Driver合在一起了,所以反而小屏幕的驱动IC电压比较高。

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而对于一个Source Driver IC来讲,电路就比较复杂一点,它不像Gate Driver只要输出一个固定电压开关即可,它需要精准的输出256个scale灰度,还要不断的做反转等。

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9)如何从LCD过渡到LED时代?

现在的显示技术已经逐渐从LCD到LED了,难道说LCD技术就不用学了吗?不是哦,其实LCD的驱动理念完全可以继续到LED上去。我们知道的是LCD是靠Bias电压来驱动液晶分子扭转,但是LED是靠电流驱动的,正负电荷复合释放光能。那么如何把LCD驱动改装成LED驱动呢?很简单,我们LCD输出的是电压,那我们就把这个LCD输出的电压再负载一个晶体管,作为该晶体管的Gate输入,而把这个晶体管的源漏输出作为电流给LED就可以啦。

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