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(shí)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(gè)輔助模塊時(shí),，靜態(tài)功耗約為35 μA；關(guān)掉輔助模塊時(shí),，主放大器的靜態(tài)功耗為24 μA,。有外接1 μF的大電容時(shí)，屏幕上的充放電時(shí)間為10 μs,；沒有外接1μF的大電容時(shí),，屏幕上的充放電時(shí)間為13μs。驗(yàn)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(jì)70年代初,，世界上出現(xiàn)第1臺(tái)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(duì)LCD的顯示效果要求并不高,，且STN結(jié)構(gòu)簡單,、價(jià)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(jī),、計(jì)算器、mp3,、mp4等便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品中占有相當(dāng)重要的市場,。
    跟隨器是CSTN(Color Super Twisted Nematic)驅(qū)動(dòng)芯片研究的難點(diǎn)之一，其性能與改善串?dāng)_,、提高顯示質(zhì)量息息相關(guān),。通用消費(fèi)類的CSTN驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)跟隨器設(shè)計(jì)和實(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換速率,，使其進(jìn)一步增強(qiáng)CSTN驅(qū)動(dòng)芯片的市場競爭力。
1 跟隨器的設(shè)計(jì)和分析
    在CSTN-LCD驅(qū)動(dòng)芯片中,，跟隨器是為屏幕上未選中行提供電壓,。在顯示時(shí)，屏幕相當(dāng)于一個(gè)大電容,，列信號(hào)會(huì)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(huì)隨著列信號(hào)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(rèn)設(shè)置的幀頻率為75 Hz,，則1行的選中時(shí)間為82 μs。本款CSTN-LCD芯片采用4PWM+2FRC的混合調(diào)制方式,，對(duì)應(yīng)于一級(jí)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(shí)間為15 μs(包括最差的情況)，并要求充放電能力相當(dāng),，上升下降波形對(duì)稱,。
1.1 主放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    跟隨器的電路圖如圖1所示。

    運(yùn)算放大器采用全擺幅的折疊共源共柵輸入級(jí),，即混合使用NMOS和PMOS差分對(duì)[1],。折疊共源共柵的輸入級(jí)有以下優(yōu)點(diǎn)：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(jí)。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(yùn)算放大器中采用浮柵電流源給A-B類輸出級(jí)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(jìn)一步優(yōu)化芯片面積。
    共源共柵補(bǔ)償是把補(bǔ)償電容移至共源共柵器件的源極和輸出結(jié)點(diǎn)之間,。這既能有效地減少補(bǔ)償電容的大小，又能切斷補(bǔ)償電容的前饋通路,，提升運(yùn)放的電源抑制能力,。
1.2 轉(zhuǎn)換速率的優(yōu)化
    當(dāng)輸入為大幅度的階躍激勵(lì)時(shí)，運(yùn)算放大器典型的瞬態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示,。

    輸出信號(hào)包括2個(gè)階段：轉(zhuǎn)換過程和線性穩(wěn)定過程,。轉(zhuǎn)換(slewing)是運(yùn)放的大信號(hào)特性，用性能參數(shù)即轉(zhuǎn)換速率(slewing rate)來評(píng)估，通常都是由對(duì)負(fù)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(jí)限制，而是由第1級(jí)的源/漏電流容量決定,。線性穩(wěn)定時(shí)間是運(yùn)放的小信號(hào)特性,，即是輸入小信號(hào)激勵(lì)時(shí)，輸出達(dá)到穩(wěn)定值(在預(yù)定的容差范圍內(nèi))所需的時(shí)間,。理論上,，用性能參數(shù)即建立時(shí)間定義，可以完全由小信號(hào)等效電路的極,、零點(diǎn)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(yùn)放與主放大的運(yùn)放結(jié)構(gòu)相近,，只是輸入差分對(duì)不對(duì)稱,，且輔助充電運(yùn)放只有充電管，輔助放電運(yùn)放只有放電管[4],。這2個(gè)模塊能靈敏地檢測到2個(gè)輸入信號(hào)(即是跟隨器的輸入和輸出信號(hào))之間的差異,，如果兩者相差較大，就會(huì)相應(yīng)地打開輔助充放電運(yùn)放,。調(diào)節(jié)2個(gè)輔助運(yùn)放的輸入差分對(duì),，就可以調(diào)整輔助運(yùn)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(shí)現(xiàn)
    在基于GSMC±9 V的0.18 μm CMOS高壓工藝SPICE模型進(jìn)行了模擬仿真和流片驗(yàn)證,，仿真和測試結(jié)果都表明,，本設(shè)計(jì)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(fù)載電容(約20 nF)的另一端加上模擬的列信號(hào),，跟隨器的充放電情況如圖3所示。

   輔助放電運(yùn)放的電流峰值為5.7 mA,，主運(yùn)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(yùn)放的充電電流峰值為1.5 mA,?？梢娸o助運(yùn)放的充放電電流較大,，能使充放電時(shí)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(shí)間可縮短5~6 μs。
2.2 瞬態(tài)分析
    下面分析2種不同負(fù)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(duì)稱，在屏幕上的充放電小于15 μs,。
    (1)外接片外1 μF大電容時(shí),，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(shí)間為10 μs,。由于外接電容與屏幕電容進(jìn)行電荷分享,，故外接電容對(duì)屏幕電容的充放電有改善作用。
    (2)去掉片外1 μF電容時(shí),，屏幕電容上的充放電時(shí)間為13 μs,，瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖5所示。因此,，本設(shè)計(jì)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(fù)載電容的情況下均能滿足系統(tǒng)要求,。在實(shí)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(jì)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(jì)一直是制約LCD驅(qū)動(dòng)芯片中的瓶頸。本文通過采用輔助充放電運(yùn)放的方案,，設(shè)計(jì)出一種低功耗,、高速的跟隨器，也有利于進(jìn)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(xiàn)
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