摘  要： 基于CSMC 0.5 μm 5 V CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝，流片實(shí)現(xiàn)了一種彩色LED顯示屏16位恒流驅(qū)動專用芯片的設(shè)計(jì),。采用高精度的基準(zhǔn)電源抗失調(diào)和驅(qū)動電流輸出匹配等技術(shù),，保證了在-40 ℃～80 ℃工作溫度、4.5 V～7 V工作電壓和負(fù)載寬幅改變情況下,，芯片各通道最大輸出電流達(dá)到106 mA,，而相應(yīng)的位間電流輸出誤差小于2.1%，片間電流輸出誤差小于3.3%,。同時電源電壓調(diào)整率為0.3%,，輸出電壓調(diào)整率為0.09%。
關(guān)鍵詞： LED顯示屏,；恒流驅(qū)動,；專用芯片

    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(dǎo)通,，實(shí)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)[1]。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(zhǔn)電壓抗失調(diào)和驅(qū)動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,，每個通道的高精度電流放大器完成對基準(zhǔn)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,。

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(jī)誤差對基準(zhǔn)源的精度影響也較大。因此,，針對帶隙基準(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,。啟動電路在模塊剛上電時，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)[2]設(shè)計(jì)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(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)[3],，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，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(jìn)行整形，保證了信號的輸出質(zhì)量,，同時減少了芯片面積,。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,。

    采用Hspice仿真器對上述設(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，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/℃,。
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)動電流的匹配精度；箝位電流鏡可提高電流鏡速度[4],，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恒流基準(zhǔn)模塊的干擾。

    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(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,，采用上拉網(wǎng)絡(luò)和下拉網(wǎng)絡(luò)對運(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)動電流中的雜波,。

    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(shí)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(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)制方式對使能OE腳進(jìn)行控制,，達(dá)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(jìn)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(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外部數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換,，并對輸出數(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,，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(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(biāo)準(zhǔn)工藝基礎(chǔ)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[5]，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(yīng)用的臺灣聚積LED顯示屏16位恒流驅(qū)動芯片MBI5026[6]進(jìn)行了比較。
    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。
參考文獻(xiàn)
[1] 葛集彪.LED視頻顯示屏實(shí)時處理與驅(qū)動技術(shù)[D].南京： 南京大學(xué).2002(12).
[2] 菲利普·艾倫. CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2005.
[3] LIU T S,，WANG C J.CMOS amplifier using chopper stabilization and sample-and-hold techniques[C].Proceedings of  IEEE Region 10 International Conference on Microelectronics and VLSI，2007.
[4] ZHANG X G,，MASRY E S.A high-performance,，low-voltage，body-driven CMOS current mirror[C].Proceeding of  IEEE International Symposium on Circuits and Systems,，2002.
[5] LEE S K,，KIM C J，CHOI Y C,，et al.Self-aligned extended-drain with compensating ion-implantation for extended-SOA in 30V lateral MOS[C].Proceeding of the 60th Device  Research Conference,，2002.
[6] MBI5026 Datasheet[EB]．Macroblock．2007.