一種低功耗高速的跟隨器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)*

張 靜

(茂名學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣東 茂名 525000)

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(chēng)為扭曲線(xiàn)列TN-LCD液晶顯示器，80年代末90年代初，LCD工業(yè)開(kāi)始了高速發(fā)展。

超扭曲線(xiàn)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(chǎng)合對(duì)LCD的顯示效果要求并不高，且STN結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)。故其在手機(jī)、計(jì)算器、mp3、mp4等便攜式消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中占有相當(dāng)重要的市場(chǎng)。

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(lèi)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(lái)的研究發(fā)展方向之一。本跟隨器在滿(mǎn)足系統(tǒng)低功耗要求的情況下，通過(guò)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chēng)。

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。

圖1 跟隨器的電路結(jié)構(gòu)圖

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(lèi)放大器作為輸出級(jí)。AB類(lèi)放大器的效率介于A類(lèi)和B類(lèi)放大器之間，取決于靜態(tài)偏置電流的大小，但AB類(lèi)放大器的傳輸曲線(xiàn)比B類(lèi)放大器具有更好的線(xiàn)性[2]。運(yùn)算放大器中采用浮柵電流源給A-B類(lèi)輸出級(jí)的管子提供偏置，使A-B類(lèi)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(xiàn)如圖2所示。

圖2 運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換特性

輸出信號(hào)包括2個(gè)階段：轉(zhuǎn)換過(guò)程和線(xiàn)性穩(wěn)定過(guò)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(lái)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(xiàn)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(chēng)，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(cè)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(kāi)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(cè)試結(jié)果都表明，本設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)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(guò)40 μA。在典型的轉(zhuǎn)角下，跟隨器的功耗分析如表1所示。

表1 跟隨器的靜態(tài)功耗

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?jiàn)輔助運(yùn)放的充放電電流較大，能使充放電時(shí)間明顯改善。測(cè)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(chēng)，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。

圖3 跟隨器充放電

圖4 外接1 μF電容時(shí)屏幕電容的瞬態(tài)響應(yīng)波形

圖5 沒(méi)有1 μF電容時(shí)屏幕電容的瞬態(tài)響應(yīng)波形

由上可見(jiàn)，該高速跟隨器在2種不同負(fù)載電容的情況下均能滿(mǎn)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(guò)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。

[1]畢查德.拉扎維.模擬 CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳紹貴，程軍，張瑞智，等譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

[2]ALLEN P E.CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)[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(jì)與研究[D].北京：北京大學(xué)，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.