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        一種低功耗高速的跟隨器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)*

        2010-08-08 00:51:42
        關(guān)鍵詞:信號(hào)設(shè)計(jì)

        張 靜

        (茂名學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院,廣東 茂名 525000)

        20世紀(jì)70年代初,世界上出現(xiàn)第1臺(tái)液晶顯示設(shè)備,被稱為扭曲線列TN-LCD液晶顯示器,80年代末90年代初,LCD工業(yè)開(kāi)始了高速發(fā)展。

        超扭曲線列STN(Super Twisted Nematic)在顯示效果上雖不如TFT等有源矩陣的LCD,但大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)LCD的顯示效果要求并不高,且STN結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、低功耗這些方面比薄膜晶體管TFT(Thin Film Transistor)有著顯著優(yōu)勢(shì)。故其在手機(jī)、計(jì)算器、mp3、mp4等便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品中占有相當(dāng)重要的市場(chǎng)。

        跟隨器是CSTN(Color Super Twisted Nematic)驅(qū)動(dòng)芯片研究的難點(diǎn)之一,其性能與改善串?dāng)_、提高顯示質(zhì)量息息相關(guān)。通用消費(fèi)類的CSTN驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)跟隨器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出的關(guān)鍵要求是:低功耗和較高的轉(zhuǎn)換速率。這兩個(gè)相互制約的要求也是跟隨器未來(lái)的研究發(fā)展方向之一。本跟隨器在滿足系統(tǒng)低功耗要求的情況下,通過(guò)采用輔助充放電模塊方案實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換速率,使其進(jìn)一步增強(qiáng)CSTN驅(qū)動(dòng)芯片的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

        1 跟隨器的設(shè)計(jì)和分析

        在CSTN-LCD驅(qū)動(dòng)芯片中,跟隨器是為屏幕上未選中行提供電壓。在顯示時(shí),屏幕相當(dāng)于一個(gè)大電容,列信號(hào)會(huì)隨著內(nèi)容不同而不斷跳變,跟隨器需保證未選中的行電壓不會(huì)隨著列信號(hào)的跳變而變化。故跟隨器充放電能力的好壞與顯示效果有著直接的影響。

        LCD默認(rèn)設(shè)置的幀頻率為75 Hz,則1行的選中時(shí)間為 82 μs。本款 CSTN-LCD芯片采用 4PWM+2FRC的混合調(diào)制方式,對(duì)應(yīng)于一級(jí)灰度的脈沖寬度為1.3 μs,故系統(tǒng)要求跟隨器的充放電的時(shí)間為15 μs(包括最差的情況),并要求充放電能力相當(dāng),上升下降波形對(duì)稱。

        1.1 主放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        跟隨器的電路圖如圖1所示。

        圖1 跟隨器的電路結(jié)構(gòu)圖

        運(yùn)算放大器采用全擺幅的折疊共源共柵輸入級(jí),即混合使用NMOS和PMOS差分對(duì)[1]。折疊共源共柵的輸入級(jí)有以下優(yōu)點(diǎn):較大的輸出電壓擺幅、輸入和輸出能直接短接、輸入共模電平更容易選取等。

        跟隨器采用AB類放大器作為輸出級(jí)。AB類放大器的效率介于A類和B類放大器之間,取決于靜態(tài)偏置電流的大小,但AB類放大器的傳輸曲線比B類放大器具有更好的線性[2]。運(yùn)算放大器中采用浮柵電流源給A-B類輸出級(jí)的管子提供偏置,使A-B類輸出管的電路結(jié)構(gòu)更緊湊,可進(jìn)一步優(yōu)化芯片面積。

        共源共柵補(bǔ)償是把補(bǔ)償電容移至共源共柵器件的源極和輸出結(jié)點(diǎn)之間。這既能有效地減少補(bǔ)償電容的大小,又能切斷補(bǔ)償電容的前饋通路,提升運(yùn)放的電源抑制能力。

        1.2 轉(zhuǎn)換速率的優(yōu)化

        當(dāng)輸入為大幅度的階躍激勵(lì)時(shí),運(yùn)算放大器典型的瞬態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示。

        圖2 運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換特性

        輸出信號(hào)包括2個(gè)階段:轉(zhuǎn)換過(guò)程和線性穩(wěn)定過(guò)程。轉(zhuǎn)換(slewing)是運(yùn)放的大信號(hào)特性,用性能參數(shù)即轉(zhuǎn)換速率(slewing rate)來(lái)評(píng)估,通常都是由對(duì)負(fù)載電容充放電的電流確定。一般而言,轉(zhuǎn)換速率不受輸出級(jí)限制,而是由第1級(jí)的源/漏電流容量決定。線性穩(wěn)定時(shí)間是運(yùn)放的小信號(hào)特性,即是輸入小信號(hào)激勵(lì)時(shí),輸出達(dá)到穩(wěn)定值(在預(yù)定的容差范圍內(nèi))所需的時(shí)間。理論上,用性能參數(shù)即建立時(shí)間定義,可以完全由小信號(hào)等效電路的極、零點(diǎn)位置確定。

        可以顯著地提高轉(zhuǎn)換速率的方法就是增加輔助模塊[3]。輔助充放電的運(yùn)放與主放大的運(yùn)放結(jié)構(gòu)相近,只是輸入差分對(duì)不對(duì)稱,且輔助充電運(yùn)放只有充電管,輔助放電運(yùn)放只有放電管[4]。這2個(gè)模塊能靈敏地檢測(cè)到2個(gè)輸入信號(hào)(即是跟隨器的輸入和輸出信號(hào))之間的差異,如果兩者相差較大,就會(huì)相應(yīng)地打開(kāi)輔助充放電運(yùn)放。調(diào)節(jié)2個(gè)輔助運(yùn)放的輸入差分對(duì),就可以調(diào)整輔助運(yùn)放的靈敏度。此外,跟隨器的輸出端外接(在芯片外部)1 μF大電容,可以起到非常好的穩(wěn)壓作用。

        2 跟隨器的仿真和實(shí)現(xiàn)

        在 基 于 GSMC±9 V的 0.18 μm CMOS高 壓 工 藝SPICE模型進(jìn)行了模擬仿真和流片驗(yàn)證,仿真和測(cè)試結(jié)果都表明,本設(shè)計(jì)可以滿足系統(tǒng)要求。

        2.1 功耗分析

        該跟隨器供電電源為2.8 V,系統(tǒng)要求跟隨器的靜態(tài)功耗不超過(guò)40 μA。在典型的轉(zhuǎn)角下,跟隨器的功耗分析如表1所示。

        表1 跟隨器的靜態(tài)功耗

        在屏幕負(fù)載電容(約20 nF)的另一端加上模擬的列信號(hào),跟隨器的充放電情況如圖3所示。

        輔助放電運(yùn)放的電流峰值為5.7 mA,主運(yùn)放的放電電流峰值為1.9 mA。輔助充電的電流峰值為3.7 mA,主運(yùn)放的充電電流峰值為1.5 mA??梢?jiàn)輔助運(yùn)放的充放電電流較大,能使充放電時(shí)間明顯改善。測(cè)試與仿真表明,采用充放電模塊后,像素電容上的充放電時(shí)間可縮短 5~6 μs。

        2.2 瞬態(tài)分析

        下面分析2種不同負(fù)載電容情況下,跟隨器的瞬態(tài)響應(yīng)情況。系統(tǒng)要求跟隨器的充放電能力相對(duì)稱,在屏幕上的充放電小于 15 μs。

        (1)外接片外1 μF大電容時(shí),屏幕電容上的瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖4所示,屏幕上的充放電時(shí)間為10 μs。由于外接電容與屏幕電容進(jìn)行電荷分享,故外接電容對(duì)屏幕電容的充放電有改善作用。

        (2)去掉片外1 μF電容時(shí),屏幕電容上的充放電時(shí)間為13 μs,瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖5所示。因此,本設(shè)計(jì)利用芯片內(nèi)有限的面積,在輸出端盡可能增加穩(wěn)壓電容。

        圖3 跟隨器充放電

        圖4 外接1 μF電容時(shí)屏幕電容的瞬態(tài)響應(yīng)波形

        圖5 沒(méi)有1 μF電容時(shí)屏幕電容的瞬態(tài)響應(yīng)波形

        由上可見(jiàn),該高速跟隨器在2種不同負(fù)載電容的情況下均能滿足系統(tǒng)要求。在實(shí)際應(yīng)用中,可考慮去掉1 μF的片外電容,從而節(jié)省芯片成本和 FPC面積。本設(shè)計(jì)中,CSTN-LCD系統(tǒng)要求跟隨器面積為 600 μm×100 μm。

        低功耗、高速跟隨器的設(shè)計(jì)一直是制約LCD驅(qū)動(dòng)芯片中的瓶頸。本文通過(guò)采用輔助充放電運(yùn)放的方案,設(shè)計(jì)出一種低功耗、高速的跟隨器,也有利于進(jìn)一步優(yōu)化芯片面積與成本,因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

        [1]畢查德.拉扎維.模擬 CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳紹貴,程軍,張瑞智,等譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,2002.

        [2]ALLEN P E.CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

        [3]蔣研飛.應(yīng)用于CSTN液晶顯示的緩沖放大器的設(shè)計(jì)與研究[D].北京:北京大學(xué),2006.

        [4]HOGERVORST R, TERO J, ESCHAUZIER R G H, et al.A compact power efficient 3V CMOS rail-to-rail input/output operational amplifier for VLSI cell libraries[J].IEEE of Solid-State Circuits, 1994,29(12):1505-1513.

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