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)。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(jià)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。

圖1 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

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(shí)，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(shí)，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)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)，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(shí)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。

圖2 帶隙基準(zhǔn)模塊的電路結(jié)構(gòu)圖

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(shí)，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(shí)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，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。

圖3 恒流基準(zhǔn)模塊的電路結(jié)構(gòu)圖

仿真結(jié)果表明，在VDD=5.0 V和各種工藝角下，－40 ℃~80 ℃時(shí)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(shí)，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。
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