一種低功耗高速的跟隨器設計和實(shí)現
加入技術(shù)交流群
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，但大多數應用場(chǎng)合對LCD的顯示效果要求并不高，且STN結構簡(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(zhù)顯著(zhù)優(yōu)勢。故其在手機、計算器、mp3、mp4等便攜式消費類(lèi)電子產(chǎn)品中占有相當重要的市場(chǎng)。
跟隨器是CSTN(Color Super Twisted Nematic)驅動(dòng)芯片研究的難點(diǎn)之一，其性能與改善串擾、提高顯示質(zhì)量息息相關(guān)。通用消費類(lèi)的CSTN驅動(dòng)芯片對跟隨器設計和實(shí)現提出的關(guān)鍵要求是：低功耗和較高的轉換速率。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)現較高的轉換速率，使其進(jìn)一步增強CSTN驅動(dòng)芯片的市場(chǎng)競爭力。
1 跟隨器的設計和分析
在CSTN-LCD驅動(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)，屏幕相當于一個(gè)大電容，列信號會(huì )隨著(zhù)內容不同而不斷跳變，跟隨器需保證未選中的行電壓不會(huì )隨著(zhù)列信號的跳變而變化。故跟隨器充放電能力的好壞與顯示效果有著(zhù)直接的影響。
LCD默認設置的幀頻率為75 Hz，則1行的選中時(shí)間為82 μs。本款CSTN-LCD芯片采用4PWM+2FRC的混合調制方式，對應于一級灰度的脈沖寬度為1.3 μs，故系統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，上升下降波形對稱(chēng)。
1.1 主放大器的拓撲結構
跟隨器的電路圖如圖1所示。
運算放大器采用全擺幅的折疊共源共柵輸入級，即混合使用NMOS和PMOS差分對[1]。折疊共源共柵的輸入級有以下優(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。AB類(lèi)放大器的效率介于A(yíng)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]。運算放大器中采用浮柵電流源給A-B類(lèi)輸出級的管子提供偏置，使A-B類(lèi)輸出管的電路結構更緊湊，可進(jìn)一步優(yōu)化芯片面積。
共源共柵補償是把補償電容移至共源共柵器件的源極和輸出結點(diǎn)之間。這既能有效地減少補償電容的大小，又能切斷補償電容的前饋通路，提升運放的電源抑制能力。
1.2 轉換速率的優(yōu)化
當輸入為大幅度的階躍激勵時(shí)，運算放大器典型的瞬態(tài)響應曲線(xiàn)如圖2所示。
輸出信號包括2個(gè)階段：轉換過(guò)程和線(xiàn)性穩定過(guò)程。轉換(slewing)是運放的大信號特性，用性能參數即轉換速率(slewing rate)來(lái)評估，通常都是由對負載電容充放電的電流確定。一般而言，轉換速率不受輸出級限制，而是由第1級的源/漏電流容量決定。線(xiàn)性穩定時(shí)間是運放的小信號特性，即是輸入小信號激勵時(shí)，輸出達到穩定值(在預定的容差范圍內)所需的時(shí)間。理論上，用性能參數即建立時(shí)間定義，可以完全由小信號等效電路的極、零點(diǎn)位置確定。
可以顯著(zhù)地提高轉換速率的方法就是增加輔助模塊[3]。輔助充放電的運放與主放大的運放結構相近，只是輸入差分對不對稱(chēng)，且輔助充電運放只有充電管，輔助放電運放只有放電管[4]。這2個(gè)模塊能靈敏地檢測到2個(gè)輸入信號(即是跟隨器的輸入和輸出信號)之間的差異，如果兩者相差較大，就會(huì )相應地打開(kāi)輔助充放電運放。調節2個(gè)輔助運放的輸入差分對，就可以調整輔助運放的靈敏度。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壓作用。
2 跟隨器的仿真和實(shí)現
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證，仿真和測試結果都表明，本設計可以滿(mǎn)足系統要求。
評論