《電子技術(shù)應(yīng)用》
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FED矩陣掃描功率放大電路的研究與設(shè)計(jì)
摘要: 場致發(fā)射顯示器(Field Emission Display,F(xiàn)ED)是一種新型的平板顯示器件,,被認(rèn)為是最有可能與等離子體(PDP)和液晶顯示器(LCD)相競爭的平板顯示器,它具有反應(yīng)速度快,,重量輕,,功耗小,,視角大,顏色鮮艷等優(yōu)點(diǎn),,滿足消費(fèi)者對顯示品質(zhì)的要求,,具有可觀的市場前景。FED產(chǎn)生圖像的原理與陰極射線管(CRT)相同,,均為電子轟擊熒光粉發(fā)光,,但采用的是矩陣尋址的方式。FED驅(qū)動(dòng)電路是FED研發(fā)的重中之重,,福州大學(xué)在國家科技部和地方相關(guān)科技部門以及國內(nèi)多家大型企業(yè)的關(guān)心支持下,,已研制出25英寸具有自
Abstract:
Key words :

0 引 言

場致發(fā)射顯示器(Field Emission Display,FED)是一種新型的平板顯示器件,,被認(rèn)為是最有可能與等離子體(PDP)和液晶顯示器(LCD)相競爭的平板顯示器,,它具有反應(yīng)速度快,重量輕,,功耗小,,視角大,顏色鮮艷等優(yōu)點(diǎn),,滿足消費(fèi)者對顯示品質(zhì)的要求,,具有可觀的市場前景。FED產(chǎn)生圖像的原理與陰極射線管(CRT)相同,,均為電子轟擊熒光粉發(fā)光,,但采用的是矩陣尋址的方式。FED驅(qū)動(dòng)電路是FED研發(fā)的重中之重,,福州大學(xué)在國家科技部和地方相關(guān)科技部門以及國內(nèi)多家大型企業(yè)的關(guān)心支持下,,已研制出25英寸具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的彩色大屏幕低逸出功印刷式場致發(fā)射顯示器。根據(jù)FED矩陣尋址的特點(diǎn),,設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的矩陣掃描功率放大電路,,包括分立和集成驅(qū)動(dòng)以及結(jié)合分立和集成優(yōu)點(diǎn)的混合型驅(qū)動(dòng)電路。這些電路已經(jīng)應(yīng)用在25英寸QVGA,,VGA的FED中,,并將在34英寸FED驅(qū)動(dòng)電路中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

1 FED矩陣掃描功率放大電路的特點(diǎn)

如圖1所示,,F(xiàn)ED和大多數(shù)平板顯示器一樣,,也是采用行列矩陣選址驅(qū)動(dòng)工作方式,陽極加固定電壓,,柵極作為行電極,,陰極作為列電極,,每個(gè)行列電極交叉點(diǎn)就構(gòu)成了一個(gè)像素單元。陽極電壓由熒光粉所需的工作電壓決定,,行電極是逐行或者隔行加上掃描電壓的,,列電極加上視頻圖像信號,行列電壓差產(chǎn)生場電子發(fā)射,,電子在陽極電壓的加速下轟擊熒光粉發(fā)光,。行電極的功能就是尋址掃描,并在行掃描期間,,匯集所有列的電流,,提供系統(tǒng)所需功耗。如VGA系統(tǒng),,設(shè)計(jì)的目標(biāo)是列驅(qū)動(dòng)電壓脈沖幅度為100 V,,電流脈沖幅度最大為6 mA,電子發(fā)射時(shí)行收集的電流最大為3.84 A,,對于更高分辨率的系統(tǒng)來說這個(gè)數(shù)值還會(huì)更高,,這對柵極高壓功率放大電路提出了大電流和相對較大電壓(100~200 V)的要求,。這就要求在選擇高壓驅(qū)動(dòng)晶體管或者M(jìn)OS管的時(shí)候要充分照顧到電壓和電流的要求,,并且穩(wěn)定性要相當(dāng)好。對于集成電路來說要滿足這個(gè)要求會(huì)更加的困難,,因?yàn)榧呻娐返闹谱鞴に囅拗?,在市場上現(xiàn)在還找不到為FED驅(qū)動(dòng)電流研制的專用芯片,借鑒PDP電路設(shè)計(jì)法,,設(shè)計(jì)了一種基于PDP專用芯片 STV7696B的行集成系統(tǒng),。
 

實(shí)測FED陰極的逸出功典型值約為2 eV,實(shí)驗(yàn)測試的FED陰極的發(fā)射電流典型值約為3 mA/像素,,最小陰極發(fā)射面積為O.4 mm×O.4 mm,。表1是印刷型FED顯示器的主要性能參數(shù)。
 


2 分立式矩陣掃描功率放大電路

基于分立式的矩陣掃描功率系統(tǒng)是CPLD可編程器件完成對主板提供的行信號進(jìn)行譯碼,,然后再經(jīng)過高壓MOS管的功率放大,,完成整個(gè)系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖2所示,。
 


高壓功率放大部分不僅要對前級的低壓掃描脈沖進(jìn)一步拉高,,同時(shí)還要提供電流負(fù)荷能力,這樣才能對列功率系統(tǒng)的灰度顯示提供足夠的電流,。一般的晶體管和MOS管提供電流只有數(shù)百毫安,,這對于系統(tǒng)來講可能會(huì)有提供功率不足的現(xiàn)象,所以功率型MOS管是該設(shè)計(jì)的最佳選擇,。

如圖3所示,,采用的是由功率型MOS管組成的推挽電路,,低壓掃描脈沖進(jìn)入到高壓驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行放大。電路工作時(shí),,兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通,,所以導(dǎo)通損耗小,效率高,。圖3中MOS管Q1,,Q2的參數(shù)相同,以推挽方式存在于電路中,。當(dāng)脈沖為高電平時(shí),,Q1管導(dǎo)通,Q2管截止,,電路輸出低電平,;當(dāng)脈沖為低電平時(shí),Q1管截止,,Q2管導(dǎo)通,,電路輸出高電平。通過兩只MOS管的交互導(dǎo)通,,從而減低了功耗,,提高了每個(gè)管的承受能力,適合于FED驅(qū)動(dòng)大電流的要求,。由電阻R2和二極管D3組成的并聯(lián)鉗位電路,,目的是使MOS的導(dǎo)通速度加快。
 


3 集成矩陣掃描功率放大電路

3.1 STV7697B簡介


STV7697B是ST公司生產(chǎn)的一種專用于PDP的掃描驅(qū)動(dòng)芯片,,擁有一個(gè)頻率高達(dá)8 MHz的64位的級聯(lián)移位寄存器,,可以實(shí)現(xiàn)64路高壓大電流輸出。通過級聯(lián),,可以實(shí)現(xiàn)任意的垂直像素,。低壓部分邏輯控制采用5 V的電壓,高壓部分最大供電電壓為170 V,,所有的輸入均與CMOS兼容,。STV7697B同時(shí)還具有以下特點(diǎn):

(1)峰值輸出電流一200/750 mA;

(2)最大源極輸出電流1 A,;

(3)消隱信號控制,;

(4)互補(bǔ)的輸出控制;

(5)100腳的TQFP封裝,。

3.2 STV7697B驅(qū)動(dòng)方案

圖4是芯片的工作時(shí)序波形圖,,工作時(shí)SIN腳接收從控制板發(fā)出的掃描信號,極性傳輸方向選擇控制端F/R選擇傳輸方向,,信號在行同步時(shí)鐘CLK的上升沿變化瞬間在移位寄存器中移位前進(jìn),,在STB控制下移位寄存器的數(shù)據(jù)就放到鎖存器中,,當(dāng)BLK允許輸出時(shí),信號經(jīng)過內(nèi)部功率放大器增益輸出相應(yīng)的高壓信號,。
 

FED矩陣掃描集成驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用的是FPGA芯片控制產(chǎn)生行驅(qū)動(dòng)所需的控制信號,,結(jié)合STV7697B芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及時(shí)序要求。STV7697B 可級聯(lián)使用,,實(shí)現(xiàn)矩陣掃描輸出,,它的實(shí)際設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。行電路工作時(shí),,每一個(gè)行周期內(nèi),,高電平有效的SIN信號先從第一片STV7697B的SIN 端輸入,從芯片的SOUT端輸出,,再與后一芯片的SIN端級聯(lián),。這樣,在行掃描脈沖CLK信號的周期內(nèi),,掃描數(shù)據(jù)電平從第一個(gè)輸出端依次移位到最后一個(gè)輸出端,,各信號經(jīng)過內(nèi)部功率放大器增益輸出相應(yīng)行的掃描脈沖,加載到FED顯示屏行電極上,。

 

  3.3 STV7697B軟件設(shè)計(jì)

  根據(jù)FED系統(tǒng)的要求,,如VGA系統(tǒng),掃描一行的時(shí)間是64 μs,,從主板傳輸過來的信號是8位地址信號和奇偶場鑒別信號,,其8位地址信號是通過分頻得到的,周期最短的信號a[O]周期64μs,,可以采用上升沿觸發(fā)的方式,在奇偶場信號RTSO為低的時(shí)候,,當(dāng)a[0]上升沿到來時(shí),,令SIN=1,CLK=a[0],,清場信號CLR為低,,同時(shí)計(jì)數(shù)器n開始計(jì)數(shù),a[0]每到來一次上升沿,,n就加1,,當(dāng)n>1時(shí),SIN=0,;而當(dāng)RTSO為高時(shí),,清場信號為高,同時(shí)另外一場開始工作,。其中信號/STB,,POL,,BLK和F/R均由FPGA設(shè)定值輸出。在一幀圖像的時(shí)間內(nèi),,掃描時(shí)鐘從第一行掃描到第480行,,當(dāng)下一幀到來時(shí),重復(fù)前面的過程,。

  其中高壓輸出部分在原理上是一個(gè)64位的移位寄存器,,其程序如下:

程序

  4 混合式矩陣掃描功率放大電路

  以上研究了兩種矩陣掃描功率放大電路,其中由分立元件組成的電路導(dǎo)通損耗小,,效率高,,電路負(fù)載能力強(qiáng),開關(guān)速度高,,頻率特性好,,但是它的元件數(shù)目多,難于應(yīng)用于大屏幕高分辨率的FED顯示器中,。而基于集成電路STV7697B的功率放大電路由于STV7697B的最大輸出電流是750 mA,,如果是小尺寸的顯示屏這個(gè)參數(shù)值尚能夠滿足要求,但對于大尺寸高分辨的顯示屏來說它的驅(qū)動(dòng)能力就明顯感覺不足了,。為了打破這個(gè)矛盾,,結(jié)合兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn),對電路進(jìn)行了改進(jìn),。從圖2可以看出ULN2803的輸出最多只有8路,,對于VGA系統(tǒng)至少需要60片2803,因此如果能用更高集成度的芯片代替,,可以更加節(jié)省空間,,集成芯片STV7697B剛好能夠滿足這個(gè)要求,理由如下:

  (1)STV7697B高壓大電流輸出,,完全可以取代ULN2803,;

  (2)STV7697B為64路輸出,而ULN2803只有8路,,可以大大節(jié)省PCB板空間,;

  (3)ULN2803只適合用在柵極為正電壓的情況,而STV7697B無此限制,;

  (4)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高,。

  基于以上的分析,用STV7697B取代了分立系統(tǒng)中的ULN2803,,經(jīng)過實(shí)驗(yàn),,很好地滿足了FED矩陣掃描功率放大電路的要求。

  5 大屏幕FED顯示器顯示效果

  已經(jīng)研制成功的能顯示視頻圖像63.5 cm(25 in)的印刷式場致發(fā)射顯示器顯示效果如圖6所示。

印刷式場致發(fā)射顯示器顯示效果

  該樣機(jī)的主要性能如下所示:

  •   顯示器尺寸:63.5 cm(25 in),;
  •   顏色:彩色,;
  •   灰度等級:256級;
  •   對比度:1 010:1,;
  •   顯示分辨率:640×480(VGA),;
  •   亮度:410 cd/m2;
  •   刷新率:60幀,;
  •   顯示內(nèi)容:視頻圖像,。

  6 結(jié) 語

  研制出3種FED矩陣掃描功率放大電路,這3種電路各有優(yōu)缺點(diǎn),,由于目前還沒有為FED驅(qū)動(dòng)電路研制的專用芯片,,因此對于適合FED驅(qū)動(dòng)要求的功率放大電路的研究對未來FED的發(fā)展是有積極意義的,也為將來專用集成電路的制作提供了思路,。成功實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)顯示VGA分辨率的印刷型FED視頻顯示系統(tǒng),,能顯示各種彩色視頻圖像,亮度已達(dá)410 cd/m2,,對比度達(dá)1 010:1,,在圖像顯示質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性,、樣機(jī)體積等方面獲得了大的進(jìn)展,。

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