《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 顯示光電 > 設(shè)計應(yīng)用 > 一種低功耗高速的跟隨器設(shè)計和實現(xiàn)
一種低功耗高速的跟隨器設(shè)計和實現(xiàn)
張 靜
(茂名學院 計算機與電子信息學院,廣東 茂名 525000)
摘要: 提出了一種應(yīng)用于CSTN-LCD系統(tǒng)中低功耗、高轉(zhuǎn)換速率的跟隨器的實現(xiàn)方案。基于GSMC±9V的0.18 μm CMOS高壓工藝SPICE模型的仿真結(jié)果表明,在典型的轉(zhuǎn)角下,打開2個輔助模塊時,靜態(tài)功耗約為35 μA;關(guān)掉輔助模塊時,主放大器的靜態(tài)功耗為24 μA。有外接1 μF的大電容時,屏幕上的充放電時間為10 μs;沒有外接1μF的大電容時,屏幕上的充放電時間為13μs。驗證表明,該跟隨器能滿足CSTN-LCD系統(tǒng)低功耗、高轉(zhuǎn)換速率性能要求。
關(guān)鍵詞: LCD CSTN-LCD 跟隨器 低功耗
Abstract:
Key words :

摘  要: 提出了一種應(yīng)用于CSTN-LCD系統(tǒng)中低功耗、高轉(zhuǎn)換速率的跟隨器的實現(xiàn)方案?;贕SMC±9V的0.18 μm CMOS高壓工藝SPICE模型的仿真結(jié)果表明,在典型的轉(zhuǎn)角下,打開2個輔助模塊時,靜態(tài)功耗約為35 μA;關(guān)掉輔助模塊時,主放大器的靜態(tài)功耗為24 μA。有外接1 μF的大電容時,屏幕上的充放電時間為10 μs;沒有外接1μF的大電容時,屏幕上的充放電時間為13μs。驗證表明,該跟隨器能滿足CSTN-LCD系統(tǒng)低功耗、高轉(zhuǎn)換速率性能要求。
關(guān)鍵詞: CSTN-LCD;跟隨器;低功耗;高速

    20世紀70年代初,世界上出現(xiàn)第1臺液晶顯示設(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)用場合對LCD的顯示效果要求并不高,且STN結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、低功耗這些方面比薄膜晶體管TFT(Thin Film Transistor)有著顯著優(yōu)勢。故其在手機、計算器、mp3、mp4等便攜式消費類電子產(chǎn)品中占有相當重要的市場。
    跟隨器是CSTN(Color Super Twisted Nematic)驅(qū)動芯片研究的難點之一,其性能與改善串擾、提高顯示質(zhì)量息息相關(guān)。通用消費類的CSTN驅(qū)動芯片對跟隨器設(shè)計和實現(xiàn)提出的關(guān)鍵要求是:低功耗和較高的轉(zhuǎn)換速率。這兩個相互制約的要求也是跟隨器未來的研究發(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,通過采用輔助充放電模塊方案實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換速率,使其進一步增強CSTN驅(qū)動芯片的市場競爭力。
1 跟隨器的設(shè)計和分析
    在CSTN-LCD驅(qū)動芯片中,跟隨器是為屏幕上未選中行提供電壓。在顯示時,屏幕相當于一個大電容,列信號會隨著內(nèi)容不同而不斷跳變,跟隨器需保證未選中的行電壓不會隨著列信號的跳變而變化。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默認設(shè)置的幀頻率為75 Hz,則1行的選中時間為82 μs。本款CSTN-LCD芯片采用4PWM+2FRC的混合調(diào)制方式,對應(yīng)于一級灰度的脈沖寬度為1.3 μs,故系統(tǒng)要求跟隨器的充放電的時間為15 μs(包括最差的情況),并要求充放電能力相當,上升下降波形對稱。
1.1 主放大器的拓撲結(jié)構(gòu)
    跟隨器的電路圖如圖1所示。

跟隨器的電路圖


    運算放大器采用全擺幅的折疊共源共柵輸入級,即混合使用NMOS和PMOS差分對[1]。折疊共源共柵的輸入級有以下優(yōu)點: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。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]。運算放大器中采用浮柵電流源給A-B類輸出級的管子提供偏置,使A-B類輸出管的電路結(jié)構(gòu)更緊湊,可進一步優(yōu)化芯片面積。
    共源共柵補償是把補償電容移至共源共柵器件的源極和輸出結(jié)點之間。這既能有效地減少補償電容的大小,又能切斷補償電容的前饋通路,提升運放的電源抑制能力。
1.2 轉(zhuǎn)換速率的優(yōu)化
    當輸入為大幅度的階躍激勵時,運算放大器典型的瞬態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示。


    輸出信號包括2個階段:轉(zhuǎn)換過程和線性穩(wěn)定過程。轉(zhuǎn)換(slewing)是運放的大信號特性,用性能參數(shù)即轉(zhuǎn)換速率(slewing rate)來評估,通常都是由對負載電容充放電的電流確定。一般而言,轉(zhuǎn)換速率不受輸出級限制,而是由第1級的源/漏電流容量決定。線性穩(wěn)定時間是運放的小信號特性,即是輸入小信號激勵時,輸出達到穩(wěn)定值(在預(yù)定的容差范圍內(nèi))所需的時間。理論上,用性能參數(shù)即建立時間定義,可以完全由小信號等效電路的極、零點位置確定。
    可以顯著地提高轉(zhuǎn)換速率的方法就是增加輔助模塊[3]。輔助充放電的運放與主放大的運放結(jié)構(gòu)相近,只是輸入差分對不對稱,且輔助充電運放只有充電管,輔助放電運放只有放電管[4]。這2個模塊能靈敏地檢測到2個輸入信號(即是跟隨器的輸入和輸出信號)之間的差異,如果兩者相差較大,就會相應(yīng)地打開輔助充放電運放。調(diào)節(jié)2個輔助運放的輸入差分對,就可以調(diào)整輔助運放的靈敏度。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 跟隨器的仿真和實現(xiàn)
    在基于GSMC±9 V的0.18 μm CMOS高壓工藝SPICE模型進行了模擬仿真和流片驗證,仿真和測試結(jié)果都表明,本設(shè)計可以滿足系統(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40 μA。在典型的轉(zhuǎn)角下,跟隨器的功耗分析如表1所示。


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

   輔助放電運放的電流峰值為5.7 mA,主運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,主運放的充電電流峰值為1.5 mA。可見輔助運放的充放電電流較大,能使充放電時間明顯改善。測試與仿真表明,采用充放電模塊后,像素電容上的充放電時間可縮短5~6 μs。
2.2 瞬態(tài)分析
    下面分析2種不同負載電容情況下,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稱,在屏幕上的充放電小于15 μs。
    (1)外接片外1 μF大電容時,屏幕電容上的瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖4所示,屏幕上的充放電時間為10 μs。由于外接電容與屏幕電容進行電荷分享,故外接電容對屏幕電容的充放電有改善作用。
    (2)去掉片外1 μF電容時,屏幕電容上的充放電時間為13 μs,瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖5所示。因此,本設(shè)計利用芯片內(nèi)有限的面積,在輸出端盡可能增加穩(wěn)壓電容。

    由上可見,該高速跟隨器在2種不同負載電容的情況下均能滿足系統(tǒng)要求。在實際應(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)計一直是制約LCD驅(qū)動芯片中的瓶頸。本文通過采用輔助充放電運放的方案,設(shè)計出一種低功耗、高速的跟隨器,也有利于進一步優(yōu)化芯片面積與成本,因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻
[1] 畢查德.拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].陳紹貴,程軍,張瑞智,等譯.西安:西安交通大學出版社,2002.
[2] ALLEN P E.CMOS模擬集成電路設(shè)計[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)計與研究[D].北京:北京大學,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.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。