一種彩色LED顯示屏16位恒流驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)

  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(dòng)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(dòng)芯片主要用于接收后端控制系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)，驅(qū)動(dòng)前端屏體發(fā)光二極管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)信息顯示。因此，驅(qū)動(dòng)芯片的性能對(duì)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(dòng)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(dòng)顯示技術(shù)。精確的多位恒流驅(qū)動(dòng)決定了大型彩色LED顯示屏顯示的均勻性、一致性和商用價(jià)值。

　　本文基于CSMC 0.5 μm 5 V CMOS工藝，采用高精度基準(zhǔn)電壓抗失調(diào)和驅(qū)動(dòng)電流輸出匹配等技術(shù)，設(shè)計(jì)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(dòng)專用芯片，經(jīng)仿真測試和流片驗(yàn)證，證明所研制芯片達(dá)到應(yīng)用指標(biāo)要求。

　　1 芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(gè)通道的高精度電流放大器完成對(duì)基準(zhǔn)電流的放大，邏輯控制模塊完成串并轉(zhuǎn)換以及對(duì)每個(gè)通道的使能控制功能。

圖1 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖[!--empirenews.page--]

　　2 電路設(shè)計(jì)與仿真

　　2.1 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(duì)稱，因此存在失調(diào)電壓和低頻噪聲；同時(shí)，晶體管失配引起的隨機(jī)誤差對(duì)基準(zhǔn)源的精度影響也較大。因此，針對(duì)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(dòng)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(dòng)電路在模塊剛上電時(shí)，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(dòng)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(hào)，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(duì)方波進(jìn)行整形，保證了信號(hào)的輸出質(zhì)量，同時(shí)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。

圖2 帶隙基準(zhǔn)模塊的電路結(jié)構(gòu)圖

　　采用Hspice仿真器對(duì)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=5.0 V，在5種不同工藝角變化時(shí)，基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的最大偏移為2.2 mV，溫度系數(shù)達(dá)到14.7 PPM/℃。[!--empirenews.page--]

　　2.2 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)?？紤]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(jí)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(shí)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(dòng)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(yīng)；跟隨器則隔離了高精度電流放大器對(duì)恒流基準(zhǔn)模塊的干擾。

圖3 恒流基準(zhǔn)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(shí)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1.25 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(dòng)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(shí)，采用上拉網(wǎng)絡(luò)和下拉網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(dòng)電流中的雜波。

圖4 高精度電流放大器[!--empirenews.page--]

　　圖4中運(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(duì)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(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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25 MHz的數(shù)據(jù)移位時(shí)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(duì)使能OE腳進(jìn)行控制，達(dá)到動(dòng)態(tài)控制彩色LED顯示屏的灰度和亮度；在每個(gè)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(duì)地電容和較長傳輸線而對(duì)波形上升沿和下降沿產(chǎn)生的影響。

　　采用Maxplus對(duì)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(duì)外部數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，并對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行了鎖存和使能控制。

　　3 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(shí)，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(shí)，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(dòng)兩個(gè)及兩個(gè)以上的串聯(lián)LED時(shí)，輸出的NMOS管耐壓將超過10 V。因此，本文在CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝基礎(chǔ)上，通過調(diào)整個(gè)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(shí)對(duì)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(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證結(jié)果，在CSMC 0.5 μm N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(shí)驗(yàn)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(dāng)數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘工作頻率為25 MHz時(shí)，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(tái)灣聚積LED顯示屏16位恒流驅(qū)動(dòng)芯片MBI5026進(jìn)行了比較。

表1 LED顯示屏16位恒流驅(qū)動(dòng)芯片的主要技術(shù)指標(biāo)

　　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。