摘 要： 基于CSMC 0.5 μm 5 V CMOS標準工藝，流片實現了一種彩色LED顯示屏16位恒流驅動專用芯片的設計。采用高精度的基準電源抗失調和驅動電流輸出匹配等技術，保證了在-40 ℃～80 ℃工作溫度、4.5 V～7 V工作電壓和負載寬幅改變情況下，芯片各通道最大輸出電流達到106 mA，而相應的位間電流輸出誤差小于2.1%，片間電流輸出誤差小于3.3%。同時電源電壓調整率為0.3%，輸出電壓調整率為0.09%。
關鍵詞： LED顯示屏；恒流驅動；專用芯片
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品。這是一種由發光二極管及其顯示驅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動芯片主要用于接收后端控制系統的數字信號，驅動前端屏體發光二極管導通，實現信息顯示。因此，驅動芯片的性能對LED顯示屏的顯示質量起著關鍵作用。近年來，隨著LED顯示屏顯示技術的快速發展，專用型芯片已成為大型彩色LED顯示屏的主流驅動芯片，但仍存在一些關鍵問題亟需解決，其中最為核心的是多位恒流驅動顯示技術[1]。精確的多位恒流驅動決定了大型彩色LED顯示屏顯示的均勻性、一致性和商用價值。
本文基于CSMC 0.5 μm 5 V CMOS工藝，采用高精度基準電壓抗失調和驅動電流輸出匹配等技術，設計了一種適用于戶外工作環境的彩色LED顯示屏16位恒流驅動專用芯片，經仿真測試和流片驗證，證明所研制芯片達到應用指標要求。
1 芯片系統設計
芯片的系統結構如圖1所示。電路系統主要包括帶隙基準、恒流基準、高精度電流放大器和邏輯控制等模塊。其中，帶隙基準模塊產生高精度低失調基準電壓，恒流基準模塊利用基準電壓和外掛電阻產生恒定基準電流，每個通道的高精度電流放大器完成對基準電流的放大，邏輯控制模塊完成串并轉換以及對每個通道的使能控制功能。
2 電路設計與仿真
2.1 帶隙基準模塊
在帶隙基準模塊中，由于實際情況下運算放大器不完全對稱，因此存在失調電壓和低頻噪聲；同時，晶體管失配引起的隨機誤差對基準源的精度影響也較大。因此，針對帶隙基準模塊的溫度穩定性、抗噪性能和精度，本文設計了如圖2所示的帶隙基準模塊結構，由啟動與偏置電路、帶隙基準電壓源主體電路、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，幫助電路離開零點；偏置電路主要為振蕩器和運算放大器提供適當的穩定偏置。這里，采用與電源無關的偏置技術[2]設計啟動和偏置電路，以提高電源抑制比及電壓調整率，改善帶隙基準模塊的精度。帶隙基準電壓源主體電路由運算放大器、斬波調制電路和解調電路組成，需要指出，本文通過采用斬波調制技術[3]，消除了運放的輸入失調電壓，并有效地抑制了器件噪聲。振蕩器產生互補方波信號，用于斬波調制與解調電路中MOS開關管的通斷控制，這里采用由反相器構成的環形振蕩器，并通過反相器對方波進行整形，保證了信號的輸出質量，同時減少了芯片面積。運算放大器輸出端連接RC低通濾波器，以進一步消除噪聲影響。電流鏡為其他電路模塊提供偏置電流，采用由帶隙基準電壓源輸出電壓直接偏置MOS管電流源方法，提高了溫度穩定性，并減小了傳輸偏置電壓的走線受干擾程度。
采用Hspice仿真器對上述設計的帶隙基準模塊從－40 ℃~80 ℃進行溫度掃描。結果表明，當電源電壓VDD=5.0 V，在5種不同工藝角變化時，基準電壓隨溫度變化的最大偏移為2.2 mV，溫度系數達到14.7 PPM/℃。
2.2 恒流基準模塊
本設計中恒流基準模塊采用外掛精確電阻和運算放大器負反饋方式，為高精度電流放大器提供恒定電流基準?？紤]到高精度電流放大器工作在開關狀態，因此在設計中添加了改進型電流鏡、箝位電流鏡和跟隨器，如圖3所示。其中，運算放大器采用兩級結構并經過密勒補償，以保證系統的穩定性，同時通過插入電阻方法消除零點造成的影響；改進型電流鏡用于減少溝道長度調制效應引起的失配，并提高輸出阻抗和輸出驅動電流的匹配精度；箝位電流鏡可提高電流鏡速度[4]，支持25 MHz的數據移位頻率和高速電流響應；跟隨器則隔離了高精度電流放大器對恒流基準模塊的干擾。
仿真結果表明，在VDD=5.0 V和各種工藝角下，－40 ℃~80 ℃時恒流基準模塊產生的基準電流與外掛電阻REXT成反比，大小為1.25 V/REXT，偏差在0.1%范圍之內。
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動電流的開關。當邏輯控制模塊輸入從有效變為無效時，采用上拉網絡和下拉網絡對運放和輸出進行關斷，達到快速關閉LED的目的，電路結構如圖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動電流中的雜波。
圖4中運放電路的AC特性采用Hspice仿真器進行掃描，結果表明，OP的開環增益為99 dB～103 dB，單位增益帶寬為1.7 MHz～2 MHz，相位裕度為62 °～70 °。
2.4 邏輯控制模塊
邏輯控制模塊用于對外部顯示數據的接收、鎖存、串并轉換以及使能控制，并結合脈沖寬度調制，輸出16位LED邏輯控制信號，實現對LED顯示屏的開關控制和灰度控制。在本文的邏輯控制模塊中，專門設計了SDO腳和OE腳，使外部顯示數據可通過SDO腳串行輸入，以支持高至25 MHz的數據移位時鐘頻率，在彩色LED顯示屏上實現圖像的快速刷新；采用脈沖寬度調制方式對使能OE腳進行控制，達到動態控制彩色LED顯示屏的灰度和亮度；在每個輸入腳加入施密特觸發器進行整形，以消除由于存在對地電容和較長傳輸線而對波形上升沿和下降沿產生的影響。
采用Maxplus對上述設計的邏輯控制模塊進行邏輯功能仿真驗證。結果表明，邏輯控制模塊完成了對外部數據的串并轉換，并對輸出數據進行了鎖存和使能控制。
3 版圖設計與流片測試
隨機失配和系統失配將造成芯片性能的下降，因此本文在版圖設計時，采用了叉指結構的MOS管，并在兩側加入冗余dummy，以降低上述兩種失配。同時，注意匹配的MOS管與其他晶體管之間的間距，以免引起背柵摻雜濃度變化而導致閾值電壓和跨導改變。
此外，考慮到當輸出電路驅動兩個及兩個以上的串聯LED時，輸出的NMOS管耐壓將超過10 V。因此，本文在CMOS標準工藝基礎上，通過調整個別工藝，例如采用低摻雜濃度的N阱，并利用N阱作為漂移區以提高耐壓；同時對NMOS高壓管采用Metal 2覆蓋[5]，并作為漏極的引出端，從而節省了版圖面積并降低了連線電阻。
基于以上的電路設計和仿真驗證結果，在CSMC 0.5 μm N阱CMOS標準工藝的規則下完成物理設計和版圖驗證，得到面積為1 630 μm×1 230 μm的芯片版圖。
上述流片后的樣品經工業和信息化部電子第五研究所中國賽寶實驗室測試，在電壓變化范圍為4.5 V～7 V，溫度變化范圍為-40 ℃～80 ℃，送檢樣片工作正常；當數據移位時鐘工作頻率為25 MHz時，本文研制樣片的主要技術參數的檢測結果在表1中列出，并與業界廣泛應用的臺灣聚積LED顯示屏16位恒流驅動芯片MBI5026[6]進行了比較。
本文所研制的芯片具有功耗低、電壓電流紋波系數小等優點，可應用于戶外大型彩色LED顯示屏。
參考文獻
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