（微电子学与固体电子学专业论文）pdp扫描驱动芯片设计及其关键技术研究.pdf

东南大学司r 士掌位论文 摘要 彩色等离子显示嚣( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，简称p d p ) 作为新一代的显示技术具有非常 广阔的应用前景，对其专用的行扫描高压驱动芯片的研究是必要和有意义的。本论文所设计 的驱动芯片应用于主流的a c 型彩色等离子显示器的行扫描驱动电路。p d p 扫描驱动芯片设 计的核心技术有两点：一是功率器件结构和适合规模生产的高低压兼容t 艺：二是建立特殊 高压器件模型并应用到电路设计之中。 本论文首先从p d p 行扫描驱动芯片的应用背景的角度来分析p d p 系统要求，并结合相 关技术现状和趋势，论证定义了芯片的各项确实可行的设计指标。然后构建了整体方案，弗 对低压逻辑电路进行具体的电路设计。 接f 来研究p d p 行扫描驱动芯片的第一个核心技术：特殊高压器件及其工艺的设计。 从器件结构设计入手，重点研究高压偏置栅结构( 0 i t s e t g a t em o s ) 及横向双扩散结构 ( l d m o s ) 集成器件的设计理论用以确定关键参数范围，对此类结构中的各种要素逐一分 析设计、均衡评估高压集成器件各项参数的设计矛盾；在结构设计的基础上进行流片。i ：艺设 计，以实现器件结构设计参数为目标。同时充分考虑对低压标准c m o s5 1 ：艺的兼容性，最 后完成掩膜版定义及工艺流程设计，解决了实际流片实现的关键问题。 在器件和工艺设计的基础上，继续研究本论文的第二个核心技术：特殊器件建模与高压 驱动电路设计，解决如何将定制设计的特殊高压器件应用到p d ps c a ni c 的电路中的问题。 首先分析功率器件的建模理论针对定制设计的特殊高压器件h v c m o s 建立其等效电路模 型：然后以模型为基础对高低压转换驱动电路进行模拟、深入优化功耗和频率设计，并指导 后续的高压电路版图设计。论文的最后阐述了芯片的e s d 、版图等后端设计。 目前国外推出的p d p s c a n i c 大多是基于外延或s o i 材料，生产成本相对偏高；国内迫 切需要既兼容普通材料工艺又能达到相应技术性能的功率器件结构、工艺及其等效模型。本 论文设计的p d p 行扫描驱动芯片，在国内尚无相关成果或产品推出，其技术水平在国内具 有一定的领先优势。 关键词： 行扫描驱动芯片、功率器件、高压兼容工艺、功率器件模型、等离子平板显示器 东南大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t c o l o rp l a s m ad l , o p l a yp a n e l ( p d p ) h a sap r o m i s i n gf u t u r ea st h en e x tg e n e r a t i o no f d i s p l a yt e c h n o l o g y t h es t u d yo ft h es c a nd r i v e r i c o fp d pi sn e c e s s a r ya n d s i g n i f i c a n t t h es c a nd r i v e ri cd e s i g n e di nt h i st h e s i si sf o rt h ea p p l i c a t i o no fa cc o l o r p d pw h i c hi st h em a i n s t r e a mi nt h em a r k e t t h e r ea r et w ot h r u s t si nt h ed e s i g no fp d p s c a nd r i v e ri c ：t h es t r u c t u r eo f t l l ep o w e rd e v i c ea n d c o m p a t i b l ep r o c e s sw h i c hi ss u i t a b l e f o rs c a l ep r o d u c t i o n ，a n dt h em o d e l i n go ft h ep o w e rd e v i c et oa p p l yt ot h ed e s i g no ft h e e i r c u i t s i nt h i st h e s i s ，t h et r a i t so fp d ps y s t e mh a v eb e e nf i r s t l yi n t r o d u c e di nr e s p e c to ft h e b a c k g r o u n do ft h ea p p l i c a t i o no fp d ps c a nd r i v e ri c ；t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nt a r g e t s o f t h e c h i pi nr e l a t i o nt ot h eu p d a t e dt e c h n o l o g yh a sb e e na n a l y z e d ；t h eo v e r a l ls c h e m eo f s c a n i ca n dt h e1 0 只i ce i r e u i t sh a v eb e e nd e s i g n e d s e c o n d l y ，t h ef i r s t 也r u s to ft h ep d ps c a nd r i v e ri c ，t h ep o w e rd e v i c ea n dp r o c e s s ， h a v eb e e ns t u d i e d s t a r t i n gf r o mt h es t r u c t u r eo ft h ed e v i c e t h ei n t e g r a t i o nt h e o r yo f o f f s e t - g a t em o sa n dl d m o si ss t u d i e di no r d e rt os h o r t e nt h eb o u n do ft h ep i v o t a i p a r a m e t e r s t h ep a r a m e t e r ss h o u l db ea n a l y z e do n eb yo n ea n dt h e r es h o u l db et r a d e o f f s t og e tb e s tp e r f o r m a n c e b a s e do nt h ed e s i g no ft h es t r u c t u r ef o rd e v i c e ，t h ec o m p a t i b l e p r o c e s s e sh a v e b e e nd e s i g n e dt or e a l i z et h ed e s i g no ft l l es t r u c t u r e a tt h es a m et i m e t h e m a s k sa n dt h ep r o c e s s e sh a v eb e e nd e s i g n e dc o n s i d e r i n gt h ee o m p a t i b i l 时w i t ht h e s t a n d a r dc m o s t e c h n o l o g ya n dp r o b l e m sd u r i n gf a b r i c a t i o nh a v eb e e ns o l v e d t h i r d l y ，b a s e do nt h ed e s i g no ft h ed e v i c ea n di 乜p r o c e s s ，t h es e c o n dt h r u s to ft h e c h i p ，m o d e l i n go ft h ep o w e rd e v i c e sa n dt h ed e s i g no ft h el e v e ls h i f t ，h a sb e e nd i s c u s s e d p r o b l e m ss u c ha sh o wt oa p p l yt l l ep o w e rd e v i c et ot h ep d ps e a ui ch a v eb e e ns o l v e d a f t e rt h ec u s t o m i z e dh v - c m o sh a v eb e e nm o d e l e dt og e tt h ec i r c u i tm o d e l t h el e v e l s h i f t e rc i r c u i th a sb e e ns i m u l a t e da n di t sp o w e ra n df r e q u e n c yw e r eo p t i m i z e da l lt h e s e h a v eb e e ns e r v e da sg u i d e l i n e so ft h ed e s i g no ft h el a y o u to fh i g h - v o l t a g ec i r c u i t s l a s t l y e s da n dl a y o u th a v eb e e nd e m o n s t r a t e d t o d a y m o s to ft h ep d ps c a ni c sa r ef a b r i c a t e db a s e do ne p i t a x yo rs 0 1w a f e rw h i e h a r er e l a t i v e l ye x p e n s i v e t h ep o w e rd e v i c es t r u c t u r e ，p r o c e s sa n dm o d e lw h i c ha r e c o m p a t i b l ew i t hd o m e s t i cs t a n d a r dc m o sp r o c e s sa r en e e d e d t h e r ea len oj n t e r n a l p r o d u c t so rr e s e a r c hf i n d i n g so fp d ps e a l d r i v e ri c ，s ot h ep d ps c a nd r i v e ri cd e s i g n e d i nt h i st h e s i sk e e p sa h e a di nt h et e e h n i e a l l e v e l s k e y w o r d s ：s c a nd r i v e ri c ，p o w e rd e v i c e ，h i g h - v o l t a g ec o m p a t i b l ep r o c e s s p o w e rd e v i c em o d e l s ，p d p i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 越z 加 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 2 幻 绪论 一、p d p 及s c a nd r i v e ri c 课题背景介绍 彩色等离子显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，简称p d p ) 是利用气体放电产生的真空紫外 线激发三基色荧光粉发光而实现显示的新型平板显示技术。它的特点是主动发光、视角大、 响应快、有存储特性、薄型化、色彩丰富、全数字化工作模式、受磁场干扰少、易于制作大 尺寸，是高清晰数字化彩电( h d t v ) 和多媒体终端的理想显示器件f 】：此外，p d p 除可以 连结v c d d v d 、录像机、摄像机等传统视听设备外，还可以直接连到个人电脑、电子游戏 机，通过外置的机顶盒和调谐器，可以连接到有线电视、卫星电视和数字高清晰度电视等不 断扩展的多媒体信号源，成为不容易过时的，高清晰度的多媒体显示终端，作为个人电脑和 消费电子产品之间的桥梁。p d p 与其他类显示技术相比也具有很多优势，如下表1 。 表i p d p 的比较优势 ( 注：c r t | ；i i 板射线管、l c d 液晶显示器、l e d 发光二极管) c r t ，c又一x x 叉1 r x 一生璺里 l e dx x 因此它的市场前景非常广阔，产业化发展很快。 彩色等离子显示器根据其驱动方式不同而分为两种类型：d c 型彩色等离子显示器和 a c 型彩色等离子显示器。自1 9 9 2 年富士通对a c 型彩色等离子显示器技术取得突破并开始 量产之后a c 型彩色等离子显示器业已成为彩色等离子显示器的主流技术。与d c 型彩色 等离子显示器相比，a c 型彩色等离子显示器的优势是寿命大大提高、屏的结构简化、更易 做到高清晰度，目前世界彩色等离子显示器主流厂商均采用a c 型彩色等离子显示器技术， 如富士通、n e c 、l g 、先锋、日立、松下电器和三星等。根据我们调查，目前国内所引进 的彩色等离子显示器生产线均为a c 型彩色等离子显示器。 彩色p d p 中的高压驱动专用芯片是其核心部件之一，其功能是将前级送来的控制电平 转化成高压信号，并形成p d p 点火和维持发光的点火高压和维持脉冲，晟终在p d p 上显示 图像。由于p d p 高压驱动专用芯片的耐压、电流、功耗等各方面的特殊要求，其技术含量 和设计制造成本也高，又由于每台大屏幕彩色p d p 中需用4 0 至5 0 片此类芯片，所以p d p 驱动芯片成本对降低整机成本至关重要，为此彩色p d p 的高压驱动专用芯片成为国外备大 厂商竞相投入的研发重点。彩色p d p 驱动芯片分为两种：一种是数据选址驱动芯片，要求 耐压6 0 1 0 0 v ：另一种是扫描驱动芯片，其要求更高，不仅耐压要求9 0 v 1 7 0 v ，且电流达 4 0 0 m a 为前者1 0 倍。 本论文所设计的驱动芯片应用于主流的a c 型彩色等离子显示器的行扫描驱动电路。 绪论 二、相关技术的发展现状及趋势 目前，国外的一些i c 设计公司先后推出了p d p 高压驱动专用芯片，如n e c 、s t 、t i 、 s u p e r t e x 、f u j i t s u 、s a m s a n g 等。根据n e c 的市场调查和技术分析，2 0 0 3 年主流列选址 驱动芯片的最大耐压6 0 v 9 0 v ，饱和电流为4 0 m a ，频率为1 0 , - 4 0 m h z ，6 4 - 9 6 端输出：主 流行扫描驱动芯片的最大耐压i o o v 1 8 0 v ，饱和电流为4 0 0 m a ，频率为8 - 2 5 m h z ，4 0 - - 6 4 端输出。高压晶体管设计的好坏将直接影响芯片性能的优劣。国外p d p 驱动芯片所采用的 高压单管结构主要有l d m o s ( l a t e r a ld o u b l e d i f f u s e dm o s f e t ) 、v d m o s ( v e r t i c a l d o u b l e d i f i l l s e dm o s f e t ) 以及它们的派生结构。在工艺实现上，国外p d p 选址驱动芯片主 要采用外延片来制各，p d p 扫描驱动芯片主要采用s 0 1 、外延片制备，成本较高，且由于i ： 艺条件限制，目前尚无适合在国内大批量生产的p d p 行列驱动芯片的器件结构。 本论文的关键技术是适用于p d p 扫描高压驱动芯片的高压功率器件设计及其模型建 立。下面将阐述当前高压功率器件及其模型的技术进展。 世界上第一个半导体高压功率器件由r n h a l l 在1 9 5 2 年研制成功，其正向电流达3 5 a ， 反向阻断电压达2 0 0 v 。l l m u l l 等人在四年后又发明了可控硅整流器( s c r ) ，当时的器件 水平是 ：作电流为2 5 a ，阻断电压为3 0 0 v 。随着器件在设计和制造方面不断有所改进，使 它们的功率控制容量不断增大，工作频率不断提高，又推出了不对称晶闸管、快速逆阻晶闸 管、可关断晶闸管和双向晶闸管以及i g b t ( i n s u l a t e d - g a t e b i p o l a r - t r a n s i s t o r ) 、 g t o ( g a t e - t r t m - o f f - t h y r i s t o r ) ，其中后两者的工作电压可以到几千伏甚至上万伏口j 【3 】。 虽然g t o 型和i g b t 型器件可以用于耐压较高( 6 0 0 伏以上) 的电路，但是与c m o s 制备工艺的兼容性较差，所以难以集成到现在的大规模集成电路中去；相反双极性、m o s 型功率器件较容易和c m o s 制备工艺兼容，所以在1 0 v - - 6 0 0 v 的应_ = i 】范围内烈极性、m o s 型功率器件，尤其是m o s 型高压功率器件工作频率高、功耗小、负温度系数、可以兼容标 准低压c m o s 工艺，从而能集成到大规模集成电路中。在m o s 型功率器件的研究中l d m o s 研究较多。1 9 7 1 年y t a r u i 等人提出了l d m o s ( l a t e r a ld o u b l em o s ) 的新结构。l d m o s 与早期传统结构主要有两个不同点：在沟道与漏之间增加了一个较民的低浓度的n 一漂移 区。由于该区的杂质浓度比p 型沟道区的杂质浓度低。当漏电压增加时，耗尽区主要向低浓 度的漂移区延伸，所以只要适当选取漂移区的长度以及p 型沟道区和漂移区的杂质浓度就可 以使l d m o s 承受较高电压而不会产生击穿或穿通。沟道区的长度主要是由两次扩散时的 结深来控制，故沟道长度可以做得很小并且不受光刻精度的限制，这样器件可实现大电流。 随着l d m o s 的不断发展，出现了一系列派生结构”q ，同时在改善l d m o s 性能上也做 了大量的研究，例如提高s o a “】【“1 ( s a f e o p e r a t i n g a r e a ) 、提高击穿电压、降低导通电阻口q 等等。l d m o s 的缺点是为了达到所需的工作电流必须占用较大的芯片面积，为此 v d m o s ( v e r t i c a ld o u b l em o s ) 出现了，它的特点是沟道在纵向，大大节省了芯片面积。同样 v d m o s 也出现了一系列派生结构及改善性能的研究【l “- 【”j 。最近的功率半导体器件研究发 展中出现了以s o l 口【”1 ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 、s i c 2 3 - 2 5 ( s i l i c o nc a r b i d e ) 等为衬底材料的高 压功率器件，这些嚣彳牛具有更高的工作频率( 1 0 h z 以上) ，更高的击穿电压，更大的工作 电流，更小的芯片面积。当然，目前这些材料的成本比较高、制各工艺尚不成熟，因而这种 高压集成器件还处于研究阶段，还没有达到产业化的程度。 作为本课题的核心内容之一，适用于p d p 扫描高压驱动芯片的高压功率器件的设计需 要综合考虑上述发展趋势，寻找恰当的功率器件类型和合理的技术路线。 半导体功率器件模型的研究历史已有近2 0 年的时间，在最近的十年发展中其受重视程 2 度已经开始超过了普通标准低压m o s f e t 模型的研究究在p o w e r m o s f e t 模型研究中，半 导体功率器件主要有3 种建模方法：物理解析模型、数值分析模型和等效电路模型口“。第 一种物理解析模型是完全基于原始的物理意义的分析模型，基本上所有的几何结构参数都包 含在模型方程中，能够较精确地描述器件的静态和动态工作特性。其优点就是物理原理清晰， 能够对类似器件的特性具有一定的预见性。数值分析模型是采用数学上数值分析的方法米拟 合、逼近器件的特性。主要是通过迭代和离散的方法来求解半导体器件的基本物理方程。该 模型可以解得器件中的电势、载流子密度、电场强度和电流分布，其主要用于分析模拟器什 中的一些参数。第三种等效电路模型是由现有的普通元件搭建而成的电路来描述器件的主要 工作特性，所利用的普通元件在相应的电路模拟软件中都有较成熟的模型，其中的很多物理 意义将被抛弃，但此类模型对大多数的p o w e ri c 设计者是够用的1 2 “。 在功率器件模型中栅源屯容是描述瞬态特性豹要素之一，它明显影响了器件的v g - q g 和开关行为，最早的非线性的栅源电容模型是由s i m a s 等人”“建立：x u 口”和c o r d o t m i e r f ”j 设计了早期的通用栅源电容模型；s c o t ta n d f r a n z l 3 0 首先以子电路的形式建立了器件工作态 的三电极电容及其连接方式的模型，但是其c v 曲线不连续。除了上述非线性电容方法，还 有部分一些模型采用了开关电容 3 t - 1 3 4 或者高次多项式电容9 ”来进行建模。随着模拟软件技 术的发展，开始允许在电路模拟软件中植入复杂的数学方程，可以做行为级模拟。在这些软 件中c g d 采用电流源来近似，该电流源可用自定义的数学方程式描述其特性表现。随着集 成功率器件技术的发展，在实际设计中需要利用已广泛运用s p i c e 内置的器件模型来近似 c g d ，c o r d o n n i e ，“1 运用了s p i c e 中的固定电容和p n 结耗尽电容建立了c g d 的等效模型。 此后的许多功率器件模型都引入了以常规s p i c e 模型为基础的无源及有源器件。 本论文的主要内容之一是建立适用于p d p 扫描高压驱动芯片的高压功率器件的模型， 其要求与当前p o w e rm o s f e t 建模的发展趋势较为一致，都需要能运用到s p i c e 的电路模 拟之中，从而使高低电路可以整合在一起进行模拟，确保设计的兼容连贯性。 三、课题目的、主要内容及其意义 如前所述，p d p 作为新一代的显示技术具有非常广阔的应用前景，对其专_ i = l j 的扫描高 压驱动芯片的研究是必要和有意义的。p d p 扫描驱动芯片设计的核心技术有两点：一是功 率器件结构和适合规模生产的高低压兼容工艺；二是建立特殊高压器件模型并应用到电路设 计之中。目前国外s c a n i c 大多是基于s o t 材料，生产成本较高。国内迫切需要既兼容普通 材料工艺又能达到相应技术性能的功率器件结构、工艺叶嘲及其等效模型。 本课题的任务就是彩色p d p 扫描驱动芯片设计及其关键技术研究，也是国家8 6 3 计划 的研究课题“高压驱动集成技术研究”( 项目编号2 0 0 2 a a l z l 5 5 0 ) 的子课题。 本课题的研究内容：1 ) 提出p d p 扫描驱动芯片的可行设计方案；2 ) 重点是研究开发 该驱动芯片的关键技术高压器件结构及高低压兼容的集成电路j 二艺：3 ) 针对定制设计 的特殊高压功率器件建立适合s p i c e 的等效器件模型，进而运用模型设计p d p 扫描驱动芯 片的高低压转换驱动电路。 本课题采用的技术路线及手段如下：第一，设计满足指标要求的器件和：r 艺，并通过 t s u p r e m 4 、m e d i c i 等专业软件对其结构、工艺流程及其器件电路应用性能进行模拟，优化各 种参数，得出最佳的器件设计方案；第二，以a u r o r a 模型参数提取软件为辅助，针对新器 件结构建立等效模型，再运用到h s p i c e 中完成高低压转换驱动电路模拟优化设计。第三。 3 绪论 最后采用c a d e n c e 等软件工具完成芯片电路原理图及版图的设计和绘制。同时基于有较好合 作基础的无锡上华等f o u n d r y 的工艺流水线对设计出的新器件结构、新的兼容工艺进行流片 实验。 本课题的工作量比较火，需完成从特殊器件、制备工艺、高低压电路及其版幽等整个流 程的仿真设计和一些验证工作。 4 东南大掌呗掌位论支 第一章p d p 系统分析和芯片指标论证 概要：本章主要从p d p 行扫描驱动芯片应用背景的角度，对p d p 系统的相关方面进行 了针对性分析。先阐述了彩色p d p 屏的发光、驱动机理，然后分析了p d p 电路系统框架以 明确扫描芯片的应用环境和应用目的。最后结合系统要求及相关技术的现状和趋势，论证定 义了p d p 行扫描驱动芯片各项确实可行的设计指标。 1 1p d p 显示屏的工作原理 1 1 1 显示原理 p d p 是利用惰性气体在一定电压 下产生气体放电( 形成等离子体) 而 直接发射可见光或发射真空v u v ( 波 长为1 4 7 n m 的紫外线) ，从而激发光 致荧光粉而间接发射可见光的一种发 光型( 主动型) 平板显示技术。显示 屏由许多微小放电单元( 如图1 1 所 示) 矩阵式排列组成通过选址让放电 单元产生放电。 根据等离子体平板显示屏结构和 工作方式的不同，可分为电极与气体 直接接触的直流型等离子体显示 图i 1 彩色p d p 发光单元结构 藩t 藕抖擞 鑫黪( 删 躺蠢墙 蔫光体 髯囊旗村长 ( d c p d p ) 和电极上覆盖介质层和保护层的交流型等离子体显示( a c - p d p ) 两大类。 现阶段 a c p d p 已成为市场上流通的主流，这里仅介绍a c p d p 的结构【3 6 】。 如图1 2 所示，彩色a c p d p 屏结构由两块平行的玻璃薄板构成。在显示面的玻璃基板 囊面放电式 c _ - p o p 图1 - 2 表面放电式a c p d p 显示屏结构 5 第一章p d p 系统分析和芯片，目标沦证 用维持电极( x 电极) 和扫描电极( y 电极) 形成透明放电电极。在透明电极上加一层电介 质。再蒸镀氧化镁( m g o ) 作为保护膜，以抵挡离子的冲击。在背面玻璃基板形成寻址电极( a 电极) 。两寻址电极之间设置条状的分隔壁，壁上分别涂上r ( 红) o ( 绿) b ( 蓝) 荧光粉。后玻璃 扳内侧形成寻址电极与x y 电极呈正交分布，障壁可隔断相邻像素2 间的影响，防l l 光线 串扰。除了维持电极和m g o 膜外全部用厚膜印刷技术加工。m g o 膜与荧光粉的间隔0 i m m ， 在这放电空间封装有氖( n e ) 氛( x e ) 等混合隋性气体p ”。 1 1 2 驱动机理 a c p d p 共有两类电极：寻址电极( a 电极) 和两个平行放置的维持、扫描电极( x 电 极和y 电极) ，寻址电极和两个放电电极正交处即为一个像素“。所有x 电极在引线处相连， 因此对外电路来说，x 电极只有一根。在x 电极和a 电极之间加一寻址脉冲电压，脉冲电压 值超过气体的着火电压时，便产生气体放电。产生的放电离子和电子瞬间向阴极莉l 阳极移动， 并在x 电极、y 电极和a 电极的介质表面上形成壁电荷，壁电荷形成的壁电压与外加点火电 压脉冲极性相反，因而着火后放电腔两端的净电压逐渐下降，当壁电荷积累到一定程度，壁 电压与外加点火电压抵消后的电压值低于气体的维持放电电压时，气体放电过程结束。这个 过程是一个在极短的时间内建立介质层上壁电荷的过程，放电十分微弱用眼睛几乎看不出 来所以属于暗放电，这个过程称为写入。壁电荷建立后。只要在x 电极和y 电极上加一交 变的维持电压，维持电压与写入时形成的壁电压之和大于着火电压时，放电即可在x 电极和 y 电极之间维持，这一过程称为维持放电。此时，若加在x 电极和y 电极之间的电压是具有 一定频率和幅度的脉冲信号，则放电就可以一直维持下去，产生稳定的辉光。而且频率会影 响放电的次数，放电频率越高则累计放电时间就越长，放电光强也就越大。若不需要某一单 元放电，就不在该单元的奔质上形成壁电压。当在x 电极和y 电极间加一适当幅度和脉宽的 电压，该电压与壁电压之和小于着火电压，则不仅可使放电熄灭，而且可中和掉原来在介质 层上建立的壁电荷，这就是擦除过程。因此，p d p 单元放电可分为三部分：点火、维持放 电和擦除1 3 9 1 。 准备期 一寻址用一一维持搠一 ； r v i ，毒蛙胃崩y 。 肫* i 厂 ： 一一：厂 ik j 二：二：d ：广一 x 电擞 y 屯谥 图i 3 彩色p d p 的a d s 方式驱动波形 表面放电式彩色a c p d p 的驱动电路都是基于寻址与显示相分离( a d s ) 的驱动原理， 在a 、x 、y 三个电极按照一定的顺序施加特定的电压脉冲才能使之正常的显示图像。如图 i - 3 所示波形，其整个工作周期分为三个阶段：准各期、寻址期和维持期，具体过程如一f i ”】： 6 东南大学硕士学位论文 步骤一，全屏初始化( 准各期) ：它的作用是擦除上一个子场所形成的壁电荷。不管上 一子场中单元放电与否，这个子场均将所有单元的壁电荷全部清除，并形成新的有利丁寻址 放电的肇电荷。( 1 ) 在x 电极上加一约3 5 0 v 的止脉冲( 该电压远人丁着火电乐) ，进行全屏强 放电，从而在m 目0 和荧光粉上形成全屏一致的壁电荷。( 2 ) x 、y 、a 三电极均不加电压( 外 加电压为零) ，由于在( 1 ) 中强放电形成的壁电荷的电压大于着火电压，在x 、y 电极间发 生自放电，中和掉大部分壁电荷。( 3 ) 在y 电极先后加正脉冲、负脉冲、指数上升宽脉冲( 该 电压等于维持电压而小于着火电压) ，以擦除多余的壁电荷。建立起对下一步寻址写入有利 的壁电荷分布，此时a 电极表面为正电荷，y 电极表面为负电荷。 步骤二，数据写入( 寻址期) ：这时由于准备期已建立了有利于数据写入的壁电荷分布， 寻址某行时在该行y 电极加一负脉冲，对应该行的图像数据，有数据( 下一过程需点亮的点) 的寻址电极a 输出一正脉冲，与该y 电极发生寻址放电，使y 、a 电极表面的壁电荷极性反 转；无数据( 不需点亮的点) 的寻址电极a 输出电压为零，与该y 电极不发生寻址放电，无 表面壁电荷的极性反转。寻址电极的数据写入以逐行顺序扫描的方式进行，由于每行需完成 一次放电过程，数据的读出亦需要一定的时间。故寻址期占用总时间较多，且每一子场寻址 期时间长度不变。 步骤三，稳定发光( 维持期) ：由于y 电极在寻址期建立起与图像对应的正极性壁电荷， 此时只要在x 电极和y 电极上加上较低的交变电压( 维持电压、低于着火电压、y 电极先加 正电压) 该电压与壁电压之和大于着火电压，该单元就会持续放电，直至维持放电结束为 止。对没有数据写入的放电单元，其壁电荷极性相反，x 电极和y 电极上所加的电压达不到 着火电压，所以就不能发生放电。维持期a 电极加适当正电压用于防止荧光粉受离子轰击。 维持期的长度与放电的脉冲数成正比，它是由该子场代表的灰度等级决定的。 7 第一章p d p 系统分析和芯片指标沦证 1 2p d p 系统结构分析 图1 - 4 彩色p d p 电路系统框图 彩色p d p 的电路系统( 如图l - 4 ) 由接口电路、逻辑控制电路、高压驱动电路以及电源 等几部分组成。接口电路是将计算机等的视频信号转化成后级需要的数字信号，同时为后级 提供行、场同步等控制信号。逻辑控制电路主要是将接口a d 变换后的数据进行必要的处 理，包括控制图像灰度和亮度等功能，它是驱动电路的核心。高压驱动电路则是将前级送来 的1 t l 电平转化成高压信号，并形成p d p 点火和维持发光的点火高压和维持脉冲，最终在 p d p 上显示图像。本论文设计的行扫描驱动芯片是应用于该系统的y 扫描电极，提供点火 高压脉冲。 1 2 1 接口电路 接口电路是p d p 显示屏与有关输入信号的衔接部件。它将微机的v g a 等信号转换成 p d p 可利用的信号。v g a 等的图像信号( 红、绿、蓝) 是模拟信号，且仅有行、场同步信 号。接口是将v g a 等的图像信号转换成数字信号，并为后级主板输出各种控制信号，即p d p 接口电路输入r 、g 、b 三路v g a 等图像信号的各8 位( 共2 4 位) 数字信号，输出行、场同 步信号，以及数字化时的采样时钟和数据等有效信号。这几种信号是p d p 正常工作中不可 缺少的图像信号和控制信号。在数字化过程中还需要使采样时钟与行同步信号同步，以使图 像的每行采样点的采样时刻相一致，避免在p d p 上显示的图像扭动。因此对接口板的采样 时钟需采用锁相技术。 1 2 2 逻辑控制电路 逻辑控制电路是p d p 进行数据处理的核心，它将接口部分送来的数字图像信号进行必要 8 东南大掌硕士掌位论文 的处理。由于p d p 发光单元只存在熄灭和发光两种状态，这给p d p 在实现灰度显示时带来麻 烦。子场技术是解决p d p 显示灰度的种方法。前面已提到，p d p 发光是由维持电压脉冲交 替变化而形成光脉冲的，这些光脉冲由于人眼的效应在人脑中反映成一个连续发光的影像。 控制单位时闭内光脉冲的个数会使观察者感到不同的光强。子场技术就是基于这一原理建立 的，具体办法是将一帧的图像时间分成若干个子场在一个子场中完成一次数据写入( 寻址 期) 和显示( 维持期) ，不同子场的寻址期时间相同而维持显示时间不同，它逐次与二进制 权数成正比，分别以i ：2 ：4 ：8 加权，这样使得不同子场的点亮光脉冲的个数不同。如对某一 像素，若它在某帧的数字化信号的第1 位是1 ，则该像素在第一子场点亮；若为0 ，则不点 亮。因此该像素的数字化信号的第n 位控制着该像素在第n 子场是亮还是不亮。当像素的数 字信号不同时，它们在一帧中点亮的时间就不同，在人眼中形成的光强感觉也不同。由于 p d p 使用子场技术来实现灰度，这使得在一帧内要对屏写入8 次( 对于8 个子场) 数据，缩 短了维持点亮的时间，从而降低了亮度。因此加快数据的写入是信号存贮与控制电路需要完 成的重要工作之一。子场技术使得每个子场中某放电单元所需数据为该放电单元图像数字信 号中的某一位( 如第1 子场需要所有数字图像二进制数据中的第一位，第n 子场需要第n 位) ，这就要求将数据进行位处理以达到每个子场中提供必要的数据要求。另外，该部分还 需对各子场x 、y 电极波形的形成进行控制，以配合a 电极写入图像数据点亮显示屏。 1 2 3 高压驱动电路 彩色p o p 之中的高压驱动专用芯片是其核心部件，它的功能是将前级送来的低压控制信 号转化成高压信号，并形成p d p 点火和维持发光的点火高压和维持脉冲最终在p d p 上显示 图像。从p o p 的发光原理可知，高压驱动电路要按顺序给x 、y 和a 电极提供各种电压信号， 由于每个像素单元里有红、绿、蓝3 个子像素，所以对分辨率为1 0 2 4 7 6 8 的p d p 目f 出a 电极1 0 2 4 x 3 = 3 0 7 2 根，需要列驱动芯片3 0 7 2 9 6 = 3 2 块 y 电极7 6 8 根，需要行驱动芯片 7 6 8 6 4 = 1 2 块。右侧为x 电极，整个电路板与屏的尺寸相同。以便在板的外沿将信号州柔 性p c b 引向p d p 显示屏。本论文设计的行扫描驱动芯片就在该部分电路之中应用，芯片的 高压输出端连接到p d p 屏的y 扫描电极上。 1 3p d p 行扫描驱动芯片的设计指标论证 1 3 1 p d p 系统负载对s c a nd r i v e ri c 的性能要求 驱动集成电路的高压驱动部分要使p d p 进行气体放电必须具有提供高压的性能。驱 动芯片的输出电流一般取决于所采用的显示屏尺寸，输出耐压能力是最重要且最基本的性 能完全由彩色p d p 本身的结构和特性所决定。经过半导体厂家和p d p 生产厂家多年的共 同研究，目前p d p 行扫描驱动芯片的典型数据是：逻辑电源为5 v ，扫描驱动芯片的输出耐 压为9 0 1 7 0 v ，同时必须输出2 0 0 4 0 0 r r a 电流来驱动高容抗值的p d p 显示屏1 4 ”，单个芯 片输出通道一般为4 0 、6 4 或9 6 个。此外，还需要有足够快的开关速度以达到较高的扫描频 率，这就要求芯片高压驱动部分自身的功耗尽可能低。 9 第一章p d p 系统分析和芯片指标论证 由于p d p 是容性器件，它的放电也是在波形的边沿发生的，因此，对高压输出端有特 殊要求。图1 - 5 是模拟p d p 显示屏扫描电极电容的测试电路，把一根扫描电极看作是一个 5 0p f 的电容，驱动电路及电极引线的内阻为5 欧姆，用一个电压幅度为1 0 0v 的方波发生 器来进行驱动，使用示波器测得电容两端的电压以及电阻两端的压降如图所示，用电阻两端 的压降除以电阻值，就得到了电容充放电的电流。从图中可以看到，在驱动波形的上升下 降沿时电流比较大，而需要的平均总功耗却并不大，这就要求驱动i c 可以在瞬间提供较大 的输出电流。 嗯广上一图卜5p d p 显示屏扫描电极电容的模拟测试 在驱动芯片的电源设计方面，虽然一般要求先加低压电源、再加高压电源，但由于高、 低压电源同时存在，还存在着复杂的高压开关动作，必须采取措施避免加电时芯片误动作， 否则可能会进入闭锁而烧坏芯片。 此外，由于驱动芯片是低压控制高压的芯片，在同一个芯片上既有低压器件又有高压器 件，就要求必须做到在工艺上高、低压兼容，以降低成本。 1 3 2p d p 系统浮地对s c a nd r i v e ri c 的结构要求 对于高压部分的逻辑结构方面。必须考虑到驱动电路能量恢复的需求，由于施加驱动波 形时，p d p 的寄生电容带来了无用功耗，必须通过谐振的方法回收再利用。这种能量恢复 靠驱动芯片内部是无法完成的，只能在外部驱动电路中采取措施来完成，冈此要求驱动芯片 内置供能量恢复用的通路。为了提高能量恢复 的效率，还要求芯片自身的寄生电阻、电容要 小。 另一方面，根据扫描驱动系统电路的设 计，一般扫描驱动i c 工作在浮地方式，也就 是说，扫描驱动i c 的地引脚不是接在系统地 电位，而是接在系统中另一个电路的输出，它 相对于系统地是变化的电位，这也对扫描驱动 芯片的输出端提出了要求。 根据上面对扫描驱动芯片输出端必须满 足能量恢复、浮地工作的要求，扫描驱动芯片 高压输出端的应用结构如图1 - 6 所示。扫描驱 动i c 的高压地接在维持驱动电路的输出端 图i _ 6 扫描驱动i c 高压输出端的应用结构 东南大掌硕士掌位论文 上，故该地电位会随着x 电极输出电位变化而变化。如y 电极从高压降到零电位则是通过 每个高压输出端的高压n 管进行的，从零电位到负压也是通过高压n 管来施加的，但从负压 归零则通过d n 进行。即维持正脉冲是通过与n 管并联的二极管d 岫施加到每一个高压输出 端y 电极上的。在其它的驱动方法中，y 电极施加高压以及由负压归零是通过与高压n 管 并联的二极管d n 来完成的，而y 电极由正压归零以及施加负压则是通过与高压p 管并联的 二极管d d 来实现的。 对于大尺寸的彩色p d p 来说，由丁f 在维持放电时，瞬间维持电流可以达到i o o a 左右， 而扫描电极共有4 8 0 根，所以在维持时每一根扫描电极的瞬间电流最人可达3 0 0 m a 以上， 要求输出高压m o s 管并联的二极管可以通过4 0 0 m a 电流，该二极管可以是高压m o s 管的 寄生衬底二极管，也可以专门制作。 而对于寻址驱动芯片来说，随着p d p 尺寸的增大带来了寻址驱动电路功耗增大，寻址 驱动电路也需要采取能量恢复措施也需要寻址驱动芯片的高压输出端具有并联的二极管， 供能最恢复电路使用。 1 3 3 目前技术现状和趋势的调研 目前，n e c 、s t 、t i 、s u p e r t e x 、m s ! 、s a m s a n g 先后推出了臼己f i 勺p d p 高乐驱动 专用芯片。 表l 1 主流的p d p 行扫描高压驱动芯片一览表( 数据来源：相关芯片数据手册! 躺网网圈瞬匮二薹f “l 嗣 攀鞭鳓鬟；鬻粪翳溪囊i 笺鍪熬鹫囊蘩；i 戮麟i 黧鞴瀚遴鼍鲻薤潦麟囊鳞ll $ 6 p 2 0 0 116 48 m 1 0 0 v- 1 0 0 8 5 0 m a 1 0 0 t q f p 2 0 0 3 瓣黼麓i 黧荔鬻羹蓊棼器澜徽戮囊藩瓣醚藩蓠攀萋黼麓攀瓣鬻誊麴秘 u p d l 6 3 0 5 14 02 5 1 5 m2 0 0 v4 0 0 m a 8 0 q f p 1 9 9 3 i 懒秘震鬻熬溯海蘩蓊粼麟臻鬻蘩骥麟戮黪j 黎壤蜷甍鬻套 如上表l 一1 所示是主流的扫描驱动芯片参数，目前世界上的行扫描驱动芯片相对而言种 类很少，以s t 的产品线技术最先进、应用最广泛，n e c 次之。根据我们的市场调查上述芯 片中以s t v 7 6 1 7 应用厂商虽多。 1