一種彩色LED顯示屏16位恒流驅(qū)動芯片設計

  目前，大型彩色 LED 顯示屏已成為高清晰大屏幕平板顯示器件的主流產(chǎn)品。這是一種由發(fā)光二極管及其顯示驅(qū)動集成電路芯片組成的顯示單元拼接而成的大尺寸平板顯示器件，顯示單元中的集成電路驅(qū)動芯片主要用于接收后端控制系統(tǒng)的數(shù)字信號，驅(qū)動前端屏體發(fā)光二極管導通，實現(xiàn)信息顯示。因此，驅(qū)動芯片的性能對LED顯示屏的顯示質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。近年來，隨著LED顯示屏顯示技術(shù)的快速發(fā)展，專用型芯片已成為大型彩色LED顯示屏的主流驅(qū)動芯片，但仍存在一些關(guān)鍵問題亟需解決，其中最為核心的是多位恒流驅(qū)動顯示技術(shù)。精確的多位恒流驅(qū)動決定了大型彩色LED顯示屏顯示的均勻性、一致性和商用價值。

　　本文基于CSMC 0.5 μm 5 V CMOS工藝，采用高精度基準電壓抗失調(diào)和驅(qū)動電流輸出匹配等技術(shù)，設計了一種適用于戶外工作環(huán)境的彩色LED顯示屏16位恒流驅(qū)動專用芯片，經(jīng)仿真測試和流片驗證，證明所研制芯片達到應用指標要求。

　　1 芯片系統(tǒng)設計

　　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、恒流基準、高精度電流放大器和邏輯控制等模塊。其中，帶隙基準模塊產(chǎn)生高精度低失調(diào)基準電壓，恒流基準模塊利用基準電壓和外掛電阻產(chǎn)生恒定基準電流，每個通道的高精度電流放大器完成對基準電流的放大，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。

圖1 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　2 電路設計與仿真

　　2.1 帶隙基準模塊

　　在帶隙基準模塊中，由于實際情況下運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誤差對基準源的精度影響也較大。因此，針對帶隙基準模塊的溫度穩(wěn)定性、抗噪性能和精度，本文設計了如圖2所示的帶隙基準模塊結(jié)構(gòu)，由啟動與偏置電路、帶隙基準電壓源主體電路、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；偏置電路主要為振蕩器和運算放大器提供適當?shù)姆€(wěn)定偏置。這里，采用與電源無關(guān)的偏置技術(shù)設計啟動和偏置電路，以提高電源抑制比及電壓調(diào)整率，改善帶隙基準模塊的精度。帶隙基準電壓源主體電路由運算放大器、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行整形，保證了信號的輸出質(zhì)量，同時減少了芯片面積。運算放大器輸出端連接RC低通濾波器，以進一步消除噪聲影響。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。

圖2 帶隙基準模塊的電路結(jié)構(gòu)圖

　　采用Hspice仿真器對上述設計的帶隙基準模塊從－40 ℃~80 ℃進行溫度掃描。結(jié)果表明，當電源電壓VDD=5.0 V，在5種不同工藝角變化時，基準電壓隨溫度變化的最大偏移為2.2 mV，溫度系數(shù)達到14.7 PPM/℃。

　　2.2 恒流基準模塊

　　本設計中恒流基準模塊采用外掛精確電阻和運算放大器負反饋方式，為高精度電流放大器提供恒定電流基準?？紤]到高精度電流放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，因此在設計中添加了改進型電流鏡、箝位電流鏡和跟隨器，如圖3所示。其中，運算放大器采用兩級結(jié)構(gòu)并經(jīng)過密勒補償，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造成的影響；改進型電流鏡用于減少溝道長度調(diào)制效應引起的失配，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25 MHz的數(shù)據(jù)移位頻率和高速電流響應；跟隨器則隔離了高精度電流放大器對恒流基準模塊的干擾。

圖3 恒流基準模塊的電路結(jié)構(gòu)圖

　　仿真結(jié)果表明，在VDD=5.0 V和各種工藝角下，－40 ℃~80 ℃時恒流基準模塊產(chǎn)生的基準電流與外掛電阻REXT成反比，大小為1.25 V/REXT，偏差在0.1%范圍之內(nèi)。

　　2.3 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)。當邏輯控制模塊輸入從有效變?yōu)闊o效時，采用上拉網(wǎng)絡和下拉網(wǎng)絡對運放和輸出進行關(guān)斷，達到快速關(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。

圖4 高精度電流放大器

　　圖4中運放電路的AC特性采用Hspice仿真器進行掃描，結(jié)果表明，OP的開環(huán)增益為99 dB～103 dB，單位增益帶寬為1.7 MHz～2 MHz，相位裕度為62 °～70 °。

　　2.4 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，專門設計了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25 MHz的數(shù)據(jù)移位時鐘頻率，在彩色LED顯示屏上實現(xiàn)圖像的快速刷新；采用脈沖寬度調(diào)制方式對使能OE腳進行控制，達到動態(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對上述設計的邏輯控制模塊進行邏輯功能仿真驗證。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)進行了鎖存和使能控制。

　　3 版圖設計與流片測試

　　隨機失配和系統(tǒng)失配將造成芯片性能的下降，因此本文在版圖設計時，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致閾值電壓和跨導改變。

　　此外，考慮到當輸出電路驅(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10 V。因此，本文在CMOS標準工藝基礎上，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Metal 2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。

　　基于以上的電路設計和仿真驗證結(jié)果，在CSMC 0.5 μm N阱CMOS標準工藝的規(guī)則下完成物理設計和版圖驗證，得到面積為1 630 μm×1 230 μm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驗室測試，在電壓變化范圍為4.5 V～7 V，溫度變化范圍為-40 ℃～80 ℃，送檢樣片工作正常；當數(shù)據(jù)移位時鐘工作頻率為25 MHz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)界廣泛應用的臺灣聚積LED顯示屏16位恒流驅(qū)動芯片MBI5026進行了比較。

表1 LED顯示屏16位恒流驅(qū)動芯片的主要技術(shù)指標

　　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，可應用于戶外大型彩色LED顯示屏。