FED矩陣掃描功率放大電路的研究

0 引 言
    場(chǎng)致發(fā)射顯示器(Field Emission Display，F(xiàn)ED)是一種新型的平板顯示器件，被認(rèn)為是最有可能與等離子體(PDP)和液晶顯示器(LCD)相競(jìng)爭(zhēng)的平板顯示器，它具有反應(yīng)速度快，重量輕，功耗小，視角大，顏色鮮艷等優(yōu)點(diǎn)，滿足消費(fèi)者對(duì)顯示品質(zhì)的要求，具有可觀的市場(chǎng)前景。FED產(chǎn)生圖像的原理與陰極射線管(CRT)相同，均為電子轟擊熒光粉發(fā)光，但采用的是矩陣尋址的方式。FED驅(qū)動(dòng)電路是FED研發(fā)的重中之重，福州大學(xué)在國(guó)家科技部和地方相關(guān)科技部門以及國(guó)內(nèi)多家大型企業(yè)的關(guān)心支持下，已研制出25英寸具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的彩色大屏幕低逸出功印刷式場(chǎng)致發(fā)射顯示器。根據(jù)FED矩陣尋址的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的矩陣掃描功率放大電路，包括分立和集成驅(qū)動(dòng)以及結(jié)合分立和集成優(yōu)點(diǎn)的混合型驅(qū)動(dòng)電路。這些電路已經(jīng)應(yīng)用在25英寸QVGA，VGA的FED中，并將在34英寸FED驅(qū)動(dòng)電路中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

1 FED矩陣掃描功率放大電路的特點(diǎn)
    如圖1所示，F(xiàn)ED和大多數(shù)平板顯示器一樣，也是采用行列矩陣選址驅(qū)動(dòng)工作方式，陽(yáng)極加固定電壓，柵極作為行電極，陰極作為列電極，每個(gè)行列電極交叉點(diǎn)就構(gòu)成了一個(gè)像素單元。陽(yáng)極電壓由熒光粉所需的工作電壓決定，行電極是逐行或者隔行加上掃描電壓的，列電極加上視頻圖像信號(hào)，行列電壓差產(chǎn)生場(chǎng)電子發(fā)射，電子在陽(yáng)極電壓的加速下轟擊熒光粉發(fā)光。行電極的功能就是尋址掃描，并在行掃描期間，匯集所有列的電流，提供系統(tǒng)所需功耗。如VGA系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是列驅(qū)動(dòng)電壓脈沖幅度為100 V，電流脈沖幅度最大為6 mA，電子發(fā)射時(shí)行收集的電流最大為3．84 A，對(duì)于更高分辨率的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)這個(gè)數(shù)值還會(huì)更高，這對(duì)柵極高壓功率放大電路提出了大電流和相對(duì)較大電壓(100～200 V)的要求。這就要求在選擇高壓驅(qū)動(dòng)晶體管或者M(jìn)OS管的時(shí)候要充分照顧到電壓和電流的要求，并且穩(wěn)定性要相當(dāng)好。對(duì)于集成電路來(lái)說(shuō)要滿足這個(gè)要求會(huì)更加的困難，因?yàn)榧呻娐返闹谱鞴に囅拗疲谑袌?chǎng)上現(xiàn)在還找不到為FED驅(qū)動(dòng)電流研制的專用芯片，借鑒PDP電路設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)了一種基于PDP專用芯片 STV7696B的行集成系統(tǒng)。

實(shí)測(cè)FED陰極的逸出功典型值約為2 eV，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的FED陰極的發(fā)射電流典型值約為3 mA／像素，最小陰極發(fā)射面積為O．4 mm×O．4 mm。表1是印刷型FED顯示器的主要性能參數(shù)。

2 分立式矩陣掃描功率放大電路
    基于分立式的矩陣掃描功率系統(tǒng)是CPLD可編程器件完成對(duì)主板提供的行信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后再經(jīng)過(guò)高壓MOS管的功率放大，完成整個(gè)系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

 高壓功率放大部分不僅要對(duì)前級(jí)的低壓掃描脈沖進(jìn)一步拉高，同時(shí)還要提供電流負(fù)荷能力，這樣才能對(duì)列功率系統(tǒng)的灰度顯示提供足夠的電流。一般的晶體管和MOS管提供電流只有數(shù)百毫安，這對(duì)于系統(tǒng)來(lái)講可能會(huì)有提供功率不足的現(xiàn)象，所以功率型MOS管是該設(shè)計(jì)的最佳選擇。
    如圖3所示，采用的是由功率型MOS管組成的推挽電路，低壓掃描脈沖進(jìn)入到高壓驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行放大。電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小，效率高。圖3中MOS管Q1，Q2的參數(shù)相同，以推挽方式存在于電路中。當(dāng)脈沖為高電平時(shí)，Q1管導(dǎo)通，Q2管截止，電路輸出低電平；當(dāng)脈沖為低電平時(shí)，Q1管截止，Q2管導(dǎo)通，電路輸出高電平。通過(guò)兩只MOS管的交互導(dǎo)通，從而減低了功耗，提高了每個(gè)管的承受能力，適合于FED驅(qū)動(dòng)大電流的要求。由電阻R2和二極管D3組成的并聯(lián)鉗位電路，目的是使MOS的導(dǎo)通速度加快。

3 集成矩陣掃描功率放大電路
3．1 STV7697B簡(jiǎn)介
    STV7697B是ST公司生產(chǎn)的一種專用于PDP的掃描驅(qū)動(dòng)芯片，擁有一個(gè)頻率高達(dá)8 MHz的64位的級(jí)聯(lián)移位寄存器，可以實(shí)現(xiàn)64路高壓大電流輸出。通過(guò)級(jí)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)任意的垂直像素。低壓部分邏輯控制采用5 V的電壓，高壓部分最大供電電壓為170 V，所有的輸入均與CMOS兼容。STV7697B同時(shí)還具有以下特點(diǎn)：
    (1)峰值輸出電流一200／750 mA；
    (2)最大源極輸出電流1 A；
    (3)消隱信號(hào)控制；
    (4)互補(bǔ)的輸出控制；
    (5)100腳的TQFP封裝。
3．2 STV7697B驅(qū)動(dòng)方案
    圖4是芯片的工作時(shí)序波形圖，工作時(shí)SIN腳接收從控制板發(fā)出的掃描信號(hào)，極性傳輸方向選擇控制端F／R選擇傳輸方向，信號(hào)在行同步時(shí)鐘CLK的上升沿變化瞬間在移位寄存器中移位前進(jìn)，在STB控制下移位寄存器的數(shù)據(jù)就放到鎖存器中，當(dāng)BLK允許輸出時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部功率放大器增益輸出相應(yīng)的高壓信號(hào)。

FED矩陣掃描集成驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用的是FPGA芯片控制產(chǎn)生行驅(qū)動(dòng)所需的控制信號(hào)，結(jié)合STV7697B芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及時(shí)序要求。STV7697B 可級(jí)聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)矩陣掃描輸出，它的實(shí)際設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。行電路工作時(shí)，每一個(gè)行周期內(nèi)，高電平有效的SIN信號(hào)先從第一片STV7697B的SIN 端輸入，從芯片的SOUT端輸出，再與后一芯片的SIN端級(jí)聯(lián)。這樣，在行掃描脈沖CLK信號(hào)的周期內(nèi)，掃描數(shù)據(jù)電平從第一個(gè)輸出端依次移位到最后一個(gè)輸出端，各信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部功率放大器增益輸出相應(yīng)行的掃描脈沖，加載到FED顯示屏行電極上。

3．3 STV7697B軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)FED系統(tǒng)的要求，如VGA系統(tǒng)，掃描一行的時(shí)間是64 μs，從主板傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)是8位地址信號(hào)和奇偶場(chǎng)鑒別信號(hào)，其8位地址信號(hào)是通過(guò)分頻得到的，周期最短的信號(hào)a[O]周期64μs，可以采用上升沿觸發(fā)的方式，在奇偶場(chǎng)信號(hào)RTSO為低的時(shí)候，當(dāng)a[0]上升沿到來(lái)時(shí)，令SIN=1，CLK=a[0]，清場(chǎng)信號(hào)CLR為低，同時(shí)計(jì)數(shù)器n開(kāi)始計(jì)數(shù)，a[0]每到來(lái)一次上升沿，n就加1，當(dāng)n>1時(shí)，SIN=0；而當(dāng)RTSO為高時(shí)，清場(chǎng)信號(hào)為高，同時(shí)另外一場(chǎng)開(kāi)始工作。其中信號(hào)／STB，POL，BLK和F／R均由FPGA設(shè)定值輸出。在一幀圖像的時(shí)間內(nèi)，掃描時(shí)鐘從第一行掃描到第480行，當(dāng)下一幀到來(lái)時(shí)，重復(fù)前面的過(guò)程。
    其中高壓輸出部分在原理上是一個(gè)64位的移位寄存器，其程序如下：

4 混合式矩陣掃描功率放大電路
    以上研究了兩種矩陣掃描功率放大電路，其中由分立元件組成的電路導(dǎo)通損耗小，效率高，電路負(fù)載能力強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度高，頻率特性好，但是它的元件數(shù)目多，難于應(yīng)用于大屏幕高分辨率的FED顯示器中。而基于集成電路STV7697B的功率放大電路由于STV7697B的最大輸出電流是750 mA，如果是小尺寸的顯示屏這個(gè)參數(shù)值尚能夠滿足要求，但對(duì)于大尺寸高分辨的顯示屏來(lái)說(shuō)它的驅(qū)動(dòng)能力就明顯感覺(jué)不足了。為了打破這個(gè)矛盾，結(jié)合兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)電路進(jìn)行了改進(jìn)。從圖2可以看出ULN2803的輸出最多只有8路，對(duì)于VGA系統(tǒng)至少需要60片2803，因此如果能用更高集成度的芯片代替，可以更加節(jié)省空間，集成芯片STV7697B剛好能夠滿足這個(gè)要求，理由如下：
    (1)STV7697B高壓大電流輸出，完全可以取代ULN2803；
    (2)STV7697B為64路輸出，而ULN2803只有8路，可以大大節(jié)省PCB板空間；
    (3)ULN2803只適合用在柵極為正電壓的情況，而STV7697B無(wú)此限制；
    (4)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。
    基于以上的分析，用STV7697B取代了分立系統(tǒng)中的ULN2803，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，很好地滿足了FED矩陣掃描功率放大電路的要求。

5 大屏幕FED顯示器顯示效果
    已經(jīng)研制成功的能顯示視頻圖像63．5 cm(25 in)的印刷式場(chǎng)致發(fā)射顯示器顯示效果如圖6所示。

該樣機(jī)的主要性能如下所示：
    顯示器尺寸：63．5 cm(25 in)；
    顏色：彩色；
    灰度等級(jí)：256級(jí)；
    對(duì)比度：1 010：1；
    顯示分辨率：640×480(VGA)；
    亮度：410 cd／m2；
    刷新率：60幀；
    顯示內(nèi)容：視頻圖像。

6 結(jié) 語(yǔ)
    研制出3種FED矩陣掃描功率放大電路，這3種電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于目前還沒(méi)有為FED驅(qū)動(dòng)電路研制的專用芯片，因此對(duì)于適合FED驅(qū)動(dòng)要求的功率放大電路的研究對(duì)未來(lái)FED的發(fā)展是有積極意義的，也為將來(lái)專用集成電路的制作提供了思路。成功實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)顯示VGA分辨率的印刷型FED視頻顯示系統(tǒng)，能顯示各種彩色視頻圖像，亮度已達(dá)410 cd／m2，對(duì)比度達(dá)1 010：1，在圖像顯示質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、樣機(jī)體積等方面獲得了大的進(jìn)展。