ＦＥＤ矩陣掃描功率放大電路的研究

王海龍　林志賢　王春燕　郭太良

摘 要：采用分立、集成及它們的混合方案來實(shí)現(xiàn)場致發(fā)射顯示器矩陣掃描功率放大電路。分立式采用功率型MOS管組成的推挽功率放大電路來實(shí)現(xiàn),集成式主要是基于PDP專用驅(qū)動芯片STV7697B,詳細(xì)介紹了電路設(shè)計(jì)方案,混合式驅(qū)動方案結(jié)合了分立和集成兩種驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn),這個(gè)方案在FED的應(yīng)用尚屬首次。這些方案已經(jīng)應(yīng)用于25英寸彩色FED驅(qū)動系統(tǒng)中,能顯示各種彩色視頻圖像,亮度達(dá)410 cd/ m2,對比度達(dá)1 010∶1。其中基于STV7697B的分立、集成混合驅(qū)動方案將在34英寸的彩色FED中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：矩陣掃描；場致發(fā)射顯示器；功率放大電路；STV7697B

中圖分類號：TN27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)01-186-04

Research of FED Matrix Scan Power Amplifying Circuit

WANG Hailong,LIN Zhixian,WANG Chunyan,GUO Tailiang

(College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,350002,China)

Abstract：The discrete component,integtate circuit and the mixed of them are used in FED matrix scan power amplifying circuit.Power MOS tube is used in push-pull power amplifying circuit,STV7697B which exclusive use in PDP is used in the integtate circuit,particularly introducing the circuit designing method,the mixed method includes the strongpoint of them,it is the first time to use this method in FED.All of these methods have been applied to the 25 inch colour FED driving system which could display color images.And the mixed methods are further appllied to the 34 inch colour FED.

Keywords：matrix scan;FED;power amplifying circuit;STV7697B

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)動以及結(jié)合分立和集成優(yōu)點(diǎn)的混合型驅(qū)動電路。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,FED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0.4 mm×0.4 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-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)動電路設(shè)計(jì)采用的是FPGA芯片控制產(chǎn)生行驅(qū)動所需的控制信號,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4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［0］周期64 μs,可以采用上升沿觸發(fā)的方式,在奇偶場信號RTS0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：

module shiftreg(clk,sin,q);

input clk,sin;

output ［63:0］ q;

reg ［63:0］ q;

integer i;

always@(posedge clk)

begin

q［0］＜=sin;

for(i=1;i＜=63;i=i+1)

begin

q［i］＜=q［i-1］;

end

end

endmodule

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。

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)動電路研制的專用芯片,因此對于適合FED驅(qū)動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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作者簡介王海龍 男,1984年出生,福建泉州人,研究生。主要從事平板顯示器驅(qū)動電路的研制。

林志賢 男,1975年出生,副教授,碩士。主要研究方向?yàn)閳鲋掳l(fā)射顯示器驅(qū)動電路系統(tǒng),信息顯示技術(shù)。

郭太良 男,1963年出生,福州大學(xué)光電顯示技術(shù)研究所所長,研究員,博士生導(dǎo)師,國家863計(jì)劃“十五”平板顯示技術(shù)重大專項(xiàng)戰(zhàn)略專家組副組長,國家863計(jì)劃“十五”平板顯示技術(shù)重大專項(xiàng)總體專家組成員。主要研究方向?yàn)閳鲋掳l(fā)射顯示器,電子、離子與真空物理。