AM-OLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片中內(nèi)置SRAM的設(shè)計(jì)

摘要：詳細(xì)描述了一種內(nèi)置于AM-OLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片中的單端口SRAM電路的設(shè)計(jì)方法，提出了一種解決SRAM訪問時(shí)序沖突問題的仲裁算法。同時(shí)給出了基于0．18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)的一款大小為320x240x18位的SRAM電路。通過Hspice仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)功耗相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可減小22．8％。
關(guān)鍵詞：低功耗位線結(jié)構(gòu)；單端口；靜態(tài)隨機(jī)存取器；仲裁器；顯示驅(qū)動(dòng)芯片

0 引言
    近年來，OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)的低功耗、主動(dòng)發(fā)光和超薄等優(yōu)勢已具有逐步取代LCD(發(fā)光二極管)的趨勢，被認(rèn)為是未來20年成長最快的新型顯示技術(shù)。將SRAM、電源電路、源驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)序控制和接口邏輯等功能模塊集成在一塊的AM-OLED (有源驅(qū)動(dòng)有機(jī)發(fā)光二極管)顯示驅(qū)動(dòng)芯片是手機(jī)OLED屏和MCU(微控制器)之間的接口驅(qū)動(dòng)電路。而其內(nèi)置SRAM是整個(gè)芯片中一個(gè)非常重要的模塊，可用于存儲(chǔ)一幀圖像的數(shù)據(jù)。但由于它占據(jù)整個(gè)芯片大部分的硅面積，因此，它對芯片整個(gè)的面積有著決定性的影響。
    SRAM功耗在整個(gè)芯片中占據(jù)很大比重。近年來，對低功耗SRAM的研究很多，其中降低動(dòng)態(tài)功耗主要依靠降低寄生電容和限制位線電壓擺幅。事實(shí)上，在驅(qū)動(dòng)芯片對SRAM速度要求不高的情況下，以犧牲讀取速度來換取SRAM的功耗和面積是可行的。而另一方面，SRAM又存在訪問時(shí)序沖突問題，其傳統(tǒng)方法是采用雙端口SRAM結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)同時(shí)讀寫功能，但這樣會(huì)大大增加內(nèi)置SRAM的面積。為此，本文采用時(shí)分技術(shù)來使單端口SRAM具有雙端口結(jié)構(gòu)的功能，并采用仲裁電路來劃分兩種請求信號(hào)的優(yōu)先權(quán)，以將外部兩個(gè)并行操作信號(hào)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部單端口SRAM的順序執(zhí)行，從而使兩種請求信號(hào)完全處于獨(dú)立的時(shí)間操作域內(nèi)。

1 SRAM電路的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    圖1所示是傳統(tǒng)六管SRAM的電路結(jié)構(gòu)，它主要包括存儲(chǔ)單元、預(yù)充電路、寫入驅(qū)動(dòng)和輸出電路。由于是單邊輸出，因而無需靈敏放大器和平衡管。

    當(dāng)圖1電路在讀出數(shù)據(jù)時(shí)，預(yù)充信號(hào)Prech變低，以把兩邊位線電位拉到高電平，字線WL變高，其中一條位線通過存儲(chǔ)單元放電到低電平，使讀出電路導(dǎo)通，將位線信號(hào)讀出鎖存。而在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，預(yù)充電路也會(huì)先對兩條位線充電到高電平，以便讀信號(hào)Wen開啟兩個(gè)NMOS管，寫驅(qū)動(dòng)電路將其中一條位線電位拉到低電平，然后字線打開，將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)單元。由于在讀寫過程中，預(yù)充電路每次都要對兩條位線進(jìn)行預(yù)充電，故會(huì)造成功耗的浪費(fèi)。經(jīng)過對該電路的具體分析，本文研究并提出了一種低功耗的位線結(jié)構(gòu)。

2 SRAM電路的低功耗設(shè)計(jì)
    嵌入式SRAM的功耗大致分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。對應(yīng)到SRAM的具體模塊上，其功耗主要消耗在譯碼器、字線驅(qū)動(dòng)、位線預(yù)充、靈敏放大器以及靜態(tài)漏電流上。譯碼器可以用與非門邏輯來代替?zhèn)蜰MOS邏輯設(shè)計(jì)以降低功耗，由于本電路結(jié)構(gòu)沒有靈敏放大器電路，因而無需考慮其功耗。下面主要就動(dòng)態(tài)功耗進(jìn)行優(yōu)化。
    SRAM電路的動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算公式如下：

    式中，iactive為工作單元的等效電流；ileak為不工作單元的漏電流；CDE為每個(gè)譯碼器的輸出節(jié)點(diǎn)電容；VINT為內(nèi)部電源電壓；iDC為讀操作消耗的直流電流；△t為直流電流的激活時(shí)間；CPT為CMOS邏輯電路和外圍電路的總電容；IDCP為外圍電路的靜態(tài)電流。本文分別從降低位線寄生電容及其電壓擺幅來降低SRAM的整體功耗。
2．1 降低寄生電容
    降低寄生電容可采用位線劃分技術(shù)(DBL)和字線劃分技術(shù)(DWL)，即將位線和字線劃分成多級(jí)，以降低位線寄生電容和字線寄生電容，這樣即可降低讀寫功耗，也能提高數(shù)據(jù)的讀寫速度，進(jìn)一步提高SRAM的整體性能。圖2所示是一個(gè)大小為320x240x18位的SRAM存儲(chǔ)陣列的整體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將240x18列分成4塊，每塊包含60x18位數(shù)據(jù)；320行則分成左右兩級(jí)，每級(jí)含160行。這樣就把整個(gè)陣列分成了8個(gè)小模塊，每塊大小為160x60x18位，這樣就使得字線電容降到了原來的1／4。位線電容則降為原來的1／2。

2．2 降低位線電壓擺幅
    由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，整個(gè)讀寫過程的預(yù)充電路都會(huì)對兩條位線進(jìn)行預(yù)充電，故會(huì)造成功耗的浪費(fèi)。而讀電路是采用單邊輸出，位線上的電壓擺幅則必須采用全擺幅形式，因此，只能通過降低寫操作時(shí)的電壓擺幅來降低功耗。
    圖3所示是采用低功耗位線技術(shù)的改進(jìn)型SRAM的結(jié)構(gòu)圖。該電路結(jié)合單端輸出來得到SRAM的電路結(jié)構(gòu)。該電路與傳統(tǒng)電路的兩個(gè)不同之處：一是寫驅(qū)動(dòng)電路采用單邊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，且增加了一個(gè)平衡管來防止數(shù)據(jù)丟失。而在寫操作時(shí)，只需對一邊位線下拉到低電平來寫入數(shù)據(jù)，另一邊位線浮空；二是預(yù)充電路只在讀操作時(shí)充電，在寫操作時(shí)不充電。

    圖4所示是新SRAM結(jié)構(gòu)電路的工作時(shí)序圖。該電路在讀操作時(shí)，Prech變低，預(yù)充電路位線充電到高電平，字線變高，位線BLB通過存儲(chǔ)管放電到低電位，讀取電路讀BLB上電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)讀出；而在寫操作時(shí)，先平衡位線電位，以防止數(shù)據(jù)丟失。假設(shè)原來存儲(chǔ)管里存儲(chǔ)的是“0”，要向其中寫入數(shù)據(jù)“1”，則寫使能信號(hào)Wen先從低電平變到高電平，此時(shí)D為高電平，D’為低電平，MN1管導(dǎo)通，MN2截止，位線BL懸空，位線BLB被拉到低電平，字線變高，傳輸管導(dǎo)通，以便向存儲(chǔ)管里寫入數(shù)據(jù)“1”。
    在字線變高時(shí)，同字線上的其它單元的位線BL、BLB會(huì)通過存儲(chǔ)管里的上拉PMOS管和下拉NMOS管充放電到一定電位。為了防止在寫操作時(shí)位線充放電過多而導(dǎo)致浪費(fèi)，可減小字線選擇信號(hào)的脈寬，以縮短對位線的充電時(shí)間。

3 仲裁器模塊設(shè)計(jì)
    仲裁器電路分為仲裁和時(shí)序產(chǎn)生等兩部分，其中仲裁部分處理MCU送來的讀寫請求和顯示控制器送來的讀請求信號(hào)，并判斷它們的優(yōu)先級(jí)別，然后把請求信號(hào)送入時(shí)序產(chǎn)生電路。時(shí)序產(chǎn)生電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生sram模塊的控制信號(hào)。
3．1 仲裁器電路
    仲裁器模塊主要用來處理行掃描以及MCU讀寫產(chǎn)生的時(shí)序沖突問題，也就是在這兩個(gè)信號(hào)同時(shí)送過來時(shí)，先判斷它們的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)將外部兩個(gè)并行操作信號(hào)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部單端口SRAM的順序執(zhí)行，從而使兩種請求信號(hào)處于完全獨(dú)立的時(shí)間操作域內(nèi)，以減小內(nèi)置SRAM的面積。鑒于MCU讀寫速度大于顯示行掃描速度，MCU讀寫信號(hào)的優(yōu)先級(jí)別應(yīng)高于顯示讀信號(hào)。
     圖5所示是仲裁器的具體實(shí)現(xiàn)原理圖，圖中有三個(gè)請求信號(hào)，其中MCU的讀寫請求信號(hào)(mcu_wr、mcu_rd)以及顯示數(shù)據(jù)輸出信號(hào)(disp_ rd)兩類請求信號(hào)對外部是相互獨(dú)立的，但MCU讀寫請求信號(hào)在內(nèi)部不是相互獨(dú)立的，一個(gè)MCU讀寫周期只對應(yīng)一次讀或?qū)懖僮?。其?yōu)先級(jí)的判斷主要是通過圖5中的與非門來實(shí)現(xiàn)的。下面通過兩種時(shí)序沖突來說明優(yōu)先級(jí)判斷方法。

    仲裁器首先接受來自顯示控制模塊的SRAM讀操作請求，然后接收來自MCU的寫請求。這時(shí)，mcu_wr有一個(gè)上升沿，D觸發(fā)器將鎖存輸出高電平，并經(jīng)反相器反向輸送到與非門，與非門輸出低電平，使disp_r置“0”，以打斷顯示讀信號(hào)響應(yīng)，直到仲裁器處理完sram_wr信號(hào)請求，再由時(shí)序產(chǎn)生電路反饋一個(gè)完成信號(hào)sram_done，并清零sram_wr的D觸發(fā)電路。由于顯示讀的D觸發(fā)器的輸出信號(hào)disp保持高電平，使與非門的輸出變高，disp_r重新置為“1”，同時(shí)重新處理打斷的disp_rd信號(hào)。
    第二種時(shí)序沖突是仲裁器先收到外部MCU的讀請求信號(hào)，在還沒有結(jié)束處理這個(gè)請求信號(hào)時(shí)，顯示控制模塊的并行讀請求信號(hào)已送到仲裁器。這時(shí)請求信號(hào)disp_rd的一個(gè)上升沿使disp由低電平變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)mcu_rd的D觸發(fā)器輸出保持為高電平，與非門不受disp信號(hào)的影響，一直輸出高電平。由于顯示讀請求信號(hào)被延遲，直到處理完MCU讀請求信號(hào)，清零信號(hào)開啟，使mcu_rd的D觸發(fā)器輸出低電平，這時(shí)，與非門輸出高電平，disp_r重新置為“1”，時(shí)序產(chǎn)生電路響應(yīng)其請求。
3．2 時(shí)序產(chǎn)生電路
    由仲裁器電路產(chǎn)生的總請求信號(hào)sram_access送到這里后，可用以產(chǎn)生SRAM時(shí)序控制信號(hào)。該模塊采用單穩(wěn)態(tài)時(shí)序電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其功能，其難點(diǎn)主要是解決預(yù)充信號(hào)Prech和字線選擇信號(hào)WL的產(chǎn)生問題。根據(jù)SRAM的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)可知，Prech只在讀操作才對位線充電，寫操作時(shí)不充電；由于字線選擇信號(hào)WL在讀操作和寫操作時(shí)的脈寬不一樣，故需要采用不同時(shí)延模塊，并根據(jù)不同操作，通過傳輸門來選擇輸出WL信號(hào)。

4 仿真結(jié)果
    對基于0．18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫設(shè)計(jì)的大小為320x240x18位的內(nèi)置SRAM結(jié)構(gòu)使用Hspice對其子模塊(320x60x18位)進(jìn)行仿真，所得到的讀寫總電流波形如圖6所示。

    由圖6可見，改進(jìn)結(jié)構(gòu)在寫操作時(shí)沒有大電流，而在讀操作時(shí)會(huì)有部分尖峰電流，這主要是由于平衡預(yù)充位線抬高了位線初始電壓，從而降低了預(yù)充PMOS管的導(dǎo)通電阻所致。
    改進(jìn)SRAM結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)功耗為4．6mW。若用傳統(tǒng)SRAM結(jié)構(gòu)，對于相同大小的電路，其仿真得到的動(dòng)態(tài)功耗為5．96mW。因此，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)功耗減小了22．8％。

5 結(jié)束語
    本文對顯示驅(qū)動(dòng)芯片中內(nèi)置SRAM電路進(jìn)行了低功耗研究與設(shè)計(jì)。新方法采用位線劃分和字線劃分技術(shù)來設(shè)計(jì)SRAM整體結(jié)構(gòu)，從而降低了寄生電容。事實(shí)上，結(jié)合低功耗位線技術(shù)對傳統(tǒng)SRAM單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，寫操作時(shí)停止對位線預(yù)充電，可以達(dá)到降低功耗目的。而引入仲裁算法可解決SRAM訪問的時(shí)序問題。根據(jù)SRAM讀寫操作要求設(shè)計(jì)的時(shí)序產(chǎn)生電路的仿真結(jié)果顯示，其動(dòng)態(tài)功耗可以得到大幅降低。
    目前，本電路已經(jīng)應(yīng)用在一款A(yù)M_OLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片中，并已完成前期仿真。仿真結(jié)果可以達(dá)到預(yù)期指標(biāo)要求，從而證明了該電路的可行
性。