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LED顯示屏單元中的集成的驅(qū)動電路是主要接收后端控制的系統(tǒng)的的數(shù)字信號,驅(qū)動芯片對LED顯示屏的質(zhì)量起來決定性的關(guān)鍵作用,近幾年的發(fā)展,讓專用型芯片成為了顯示屏廠家的首選,而多位恒流則是專用型芯片常采用的技術(shù)。
LED顯示屏芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路系統(tǒng)主要包括帶隙基準(zhǔn)、恒流基準(zhǔn)、高精度電流放大器和邏輯控制等模塊。其中,帶隙基準(zhǔn)模塊產(chǎn)生高精度低失調(diào)基準(zhǔn)電壓,恒流基準(zhǔn)模塊利用基準(zhǔn)電壓和外掛電阻產(chǎn)生恒定基準(zhǔn)電流,每個通道的高精度電流放大器完成對基準(zhǔn)電流的放大,邏輯控制模塊完成串并轉(zhuǎn)換以及對每個通道的使能控制功能。
1帶隙基準(zhǔn)模塊
在帶隙基準(zhǔn)模塊中,由于實(shí)際情況下運(yùn)算放大器不完全對稱,因此存在失調(diào)電壓和低頻噪聲;同時,晶體管失配引起的隨機(jī)誤差對基準(zhǔn)源的精度影響也較大。因此,針對帶隙基準(zhǔn)模塊的溫度穩(wěn)定性、抗噪性能和精度,本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的帶隙基準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu),由啟動與偏置電路、帶隙基準(zhǔn)電壓源主體電路、振蕩器、RC低通濾波器和電流鏡等電路組成。啟動電路在模塊剛上電時,幫助電路離開零點(diǎn);偏置電路主要為振蕩器和運(yùn)算放大器提供適當(dāng)?shù)姆(wěn)定偏置。這里,采用與電源無關(guān)的偏置技術(shù)設(shè)計(jì)啟動和偏置電路,以提高電源抑制比及電壓調(diào)整率,改善帶隙基準(zhǔn)模塊的精度。帶隙基準(zhǔn)電壓源主體電路由運(yùn)算放大器、斬波調(diào)制電路和解調(diào)電路組成,需要指出,本文通過采用斬波調(diào)制技術(shù),消除了運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓,并有效地抑制了器件噪聲。振蕩器產(chǎn)生互補(bǔ)方波信號,用于斬波調(diào)制與解調(diào)電路中MOS開關(guān)管的通斷控制,這里采用由反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器,并通過反相器對方波進(jìn)行整形,保證了信號的輸出質(zhì)量,同時減少了芯片面積。運(yùn)算放大器輸出端連接RC低通濾波器,以進(jìn)一步消除噪聲影響。電流鏡為其他電路模塊提供偏置電流,采用由帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出電壓直接偏置MOS管電流源方法,提高了溫度穩(wěn)定性,并減小了傳輸偏置電壓的走線受干擾程度。
采用Hspice仿真器對上述設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)模塊從-40℃~80℃進(jìn)行溫度掃描。結(jié)果表明,當(dāng)電源電壓VDD=5.0V,在5種不同工藝角變化時,基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的最大偏移為2.2mV,溫度系數(shù)達(dá)到14.7PPM/℃。
2恒流基準(zhǔn)模塊
本設(shè)計(jì)中恒流基準(zhǔn)模塊采用外掛精確電阻和運(yùn)算放大器負(fù)反饋方式,為高精度電流放大器提供恒定電流基準(zhǔn)。考慮到高精度電流放大器工作在開關(guān)狀態(tài),因此在設(shè)計(jì)中添加了改進(jìn)型電流鏡、箝位電流鏡和跟隨器,如圖3所示。其中,運(yùn)算放大器采用兩級結(jié)構(gòu)并經(jīng)過密勒補(bǔ)償,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時通過插入電阻方法消除零點(diǎn)造成的影響;改進(jìn)型電流鏡用于減少溝道長度調(diào)制效應(yīng)引起的失配,并提高輸出阻抗和輸出驅(qū)動電流的匹配精度;箝位電流鏡可提高電流鏡速度,支持25MHz的數(shù)據(jù)移位頻率和高速電流響應(yīng);跟隨器則隔離了高精度電流放大器對恒流基準(zhǔn)模塊的干擾。
仿真結(jié)果表明,在VDD=5.0V和各種工藝角下,-40℃~80℃時恒流基準(zhǔn)模塊產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流與外掛電阻REXT成反比,大小為1.25V/REXT,偏差在0.1%范圍之內(nèi)。
3高精度電流放大器
高精度電流放大器和LED直接連接,并通過邏輯控制模塊控制其輸出驅(qū)動電流的開關(guān)。當(dāng)邏輯控制模塊輸入從有效變?yōu)闊o效時,采用上拉網(wǎng)絡(luò)和下拉網(wǎng)絡(luò)對運(yùn)放和輸出進(jìn)行關(guān)斷,達(dá)到快速關(guān)閉LED的目的,電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。此外,考慮到高壓管電容的影響,采用了放電電路以消除輸出驅(qū)動電流中的雜波。
運(yùn)放電路的AC特性采用Hspice仿真器進(jìn)行掃描,結(jié)果表明,OP的開環(huán)增益為99dB~103dB,單位增益帶寬為1.7MHz~2MHz,相位裕度為62°~70°。
4邏輯控制模塊
邏輯控制模塊用于對外部顯示數(shù)據(jù)的接收、鎖存、串并轉(zhuǎn)換以及使能控制,并結(jié)合脈沖寬度調(diào)制,輸出16位LED邏輯控制信號,實(shí)現(xiàn)對LED顯示屏的開關(guān)控制和灰度控制。在本文的邏輯控制模塊中,專門設(shè)計(jì)了SDO腳和OE腳,使外部顯示數(shù)據(jù)可通過SDO腳串行輸入,以支持高至25MHz的數(shù)據(jù)移位時鐘頻率,在彩色LED顯示屏上實(shí)現(xiàn)圖像的快速刷新;采用脈沖寬度調(diào)制方式對使能OE腳進(jìn)行控制,達(dá)到動態(tài)控制彩色LED顯示屏的灰度和亮度;在每個輸入腳加入施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形,以消除由于存在對地電容和較長傳輸線而對波形上升沿和下降沿產(chǎn)生的影響。
采用Maxplus對上述設(shè)計(jì)的邏輯控制模塊進(jìn)行邏輯功能仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,邏輯控制模塊完成了對外部數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換,并對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行了鎖存和使能控制。
5版圖設(shè)計(jì)與流片測試
隨機(jī)失配和系統(tǒng)失配將造成芯片性能的下降,因此本文在版圖設(shè)計(jì)時,采用了叉指結(jié)構(gòu)的MOS管,并在兩側(cè)加入冗余dummy,以降低上述兩種失配。同時,注意匹配的MOS管與其他晶體管之間的間距,以免引起背柵摻雜濃度變化而導(dǎo)致閾值電壓和跨導(dǎo)改變。
此外,考慮到當(dāng)輸出電路驅(qū)動兩個及兩個以上的串聯(lián)LED時,輸出的NMOS管耐壓將超過10V。因此,本文在CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝基礎(chǔ)上,通過調(diào)整個別工藝,例如采用低摻雜濃度的N阱,并利用N阱作為漂移區(qū)以提高耐壓;同時對NMOS高壓管采用Metal2覆蓋,并作為漏極的引出端,從而節(jié)省了版圖面積并降低了連線電阻。
基于以上的電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證結(jié)果,在CSMC0.5μmN阱CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝的規(guī)則下完成物理設(shè)計(jì)和版圖驗(yàn)證,得到面積為1630μm×1230μm的芯片版圖。
上述流片后的樣品經(jīng)工業(yè)和信息化部電子第五研究所中國賽寶實(shí)驗(yàn)室測試,在電壓變化范圍為4.5V~7V,溫度變化范圍為-40℃~80℃,送檢樣片工作正常;當(dāng)數(shù)據(jù)移位時鐘工作頻率為25MHz時,本文研制樣片的主要技術(shù)參數(shù)的檢測結(jié)果在表1中列出,并與業(yè)界廣泛應(yīng)用的臺灣聚積LED顯示屏16位恒流驅(qū)動芯片MBI5026進(jìn)行了比較。
本文所研制的芯片具有功耗低、電壓電流紋波系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于戶外大型彩色LED顯示屏。
上文所述芯片設(shè)計(jì)的原理符合戶外大型全彩LED顯示屏的使用要求,恒流驅(qū)動芯片是戶外顯示屏選擇的首要要求,恒流的設(shè)計(jì)對顯示屏的灰度和亮度達(dá)到有效的控制。是未來我國顯示屏品牌走向世界的重要研發(fā)方向之一。
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