（微电子学与固体电子学专业论文）pdp显示驱动芯片中高低压转换电路的设计.pdf

摘要 摘要 近年来等离子显示器( p d p ) 己成为高清晰度电视( 耶t v ) 及壁挂式彩电的主流产品之一。 然而过高的成本成为p d p 普及的主要障碍，其中昂贵的驱动芯片是p d p 高成本的一个重要方面， 因此，迫切需要研制山具有自主知识产权的低成本的p d p 驱动芯片。本课题任务就是针对基丁体硅 工艺的p d p 高压驱动芯片的开发，研制出高性能的高低压转换电路，以满足低成本p d p 驱动芯片 的市场需求。 本论文综述了p d p 的特点、应用以及国内外p d p 行列高压驱动芯片的研究和发展现状。对p d p 驱动芯片中高低压转换电路的研究和发展现状做了简略的介绍，分析了这类电路的特点和改进方向。 以此为基础提出了一系列用于指导该类电路开发的设计原则和一套科学可行的设计方案。随后在这 些原则的指导下，应用该方案基于无锡上华1 5 u m 标准c m o st 艺线设计了p d p 数据选址芯片 s e d 9 0 0 6 s 7 中的高低压转换电路。该设计方案分低压延时驱动电路设计和信号电平提升电路设计两 部分，低压延时驱动部分又分为延时级电路设计和驱动级电路设计。在研究了多种延时级电路的基 础上提出了一种易丁调整延迟时间的新结构的延时级电路。在信号电平提升电路的设计优化方案中。 针对最常用的c m o s 人管结构的高压电路通过h s p i c e 软件仿真确定了各设计参数对最终设计目标 的影响。该设计方案分为二个步骤，逐步缩小了优化范闱，最终通过高低压电路的整体联调确定了 应用在p d p 的数据选址芯片s e d 9 0 0 6 s 7 中的高低压转换电路的各器件尺寸参数。在对版图进行了 工艺兼容性设计和工艺可靠性设计之后在无锡上华流片。对流片后的测试结果进行了分析和比较， 验证了该设计的正确性和可行性。在论文最后的展望中提出了该课题的后续研究方向。 s e d 9 0 0 6 s 7 芯片的实测结果显示该芯片的电压、电流、功耗和频率等技术指标均符合实片j 要求， 且优丁国外同类芯片，而加r t 成本也人人低于国外同类产品。该设计方案的提出，向研制具有自主 知识产权的低成本的p d p 驱动芯片的目标又迈出了坚实的一步。 本论文在低压电路结构上有所创新，提山了一种易于调节低压驱动信号延时大小的低压延时电 路。同时对常用的实h j 型的信号电平提升电路的设计方法进行了摸索和总结，归纳出一套完整可行 的设计验证方案。目前国内对p d p 驱动芯片中的高低压转换的电路的研究还比较薄弱，在这个方面 的文献和资料都比较少，本论文的研究具有一定的开拓性，希望可以抛砖引玉，为后续的研究t 作 提供一个有价值的参考和启发。 关键词：p d p 驱动芯片高低压转换电路低压延时驱动电路信号电平提升电路 东南人学硕上学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) w a sm g a r da so n eo ft h ef i r s tc h o i c e so fh d t v ( h i g h f i d e l i t yt v ) a n dt h eo n - w a l l - t i nt h ea u t h o r i t y sp r e d i c t i o nr e p o r t ，p d pt e c h n o l o g yw i l lr e m a i nt h em a i n s t r e a mp o s i t i o no ft h em a r k e ti nf u t u r e10y e a r s b u tt h em u c hh i g hp r i c em a k e si th a r dt ob ea f f o r d e db y c h i n e s ec o n s u m e r s t ol o w e rt h eh i g hp r i c eo fp d p , w em u s tl o w e rt h ep r i c eo fp d pd r i v e rc h i p s s ow e h a v et om a k ep d pd r i v e ri c s d e s i g nm o r ee a s i l ym o r er e l i a b l ya n dm o r ec h e a p l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，aw h o l es c h e m ew a sp r e s e n t e dt od e s i g nt h el v - t o h vi n t e r f a c ec i r c u i tt h a tp l a y s ak e yp a r to fp d pd r i v e ri c s t h i ss c h e m ew i l lg u i d ea n dh e l pd e s i g n e r st od e s i g np d pd r i v e ri c sm o l e c o n v e n i e n t l y a tt h eb e g i n n i n go ft h ed i s s e r t a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed e v e l o p m e n to fp d pd r i v e r i c sa r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h es a m et ot h el v ( 1 0 wv o l t a g e ) - t o h v ( h i g hv o l t a g e ) i n t e r f a c ec i r c u i ti s d o n e a c c o r d i n gt ot h ei n t r o d u c t i o n s e v e r a ld e s i g np r i n c i p l e sa r ec o n c l u d e d w i t ht h eh e l po ft h e s e p r i n c i p l e s as c i e n t i f i ca n de x e c u t a b l es c h e m et od e s i g nt h el v - t o - h vi n t e r f a c ec i r c u i t si sp r o p o n e d f o r e a s i e rt ou n d e r s t a n dh o wt h i ss c h e m ew o r k s ap d pd a t aa d d r e s s i n gi c s e d 9 0 0 6 s 7 - i st a k e na sa n i n s t a n c et oi l l u s t r a t et h ed e s i g nf l o w t h ed e s i g ns c h e m ei n c l u d e sl v ( 1 0 wv o l t a g e ) p a r ta n dh v ( h i g h v o l t a g e ) p a r t i nt h el vp a r tan o v e ls t r u c t u r ef o rl vt i m ed e l a yc i r c u i ti sp r o p o s e db e s i d et h ed e s i g n m e t h o dd i s c u s s e df o rt i m ed e l a yc i r c u i ta n dd r i v ec a p a b i l i t yc i r c u i t a n di nt h eh vp a r ta3 - s t e pd e s i g n a p p r o a c hi sp r o p o s e dt om a k el v - t o - h vl e v e ls h i f t e rw o r km o r er e l i a b l ya n dc o s tl e s sp o w e r a f t e rt h e l a y o u td e s i g nw a sc o m p l e t e dt h ec h i pw a st a p eo u t t h er e a lt e s tr e s u l to ft h ei cd e s i g n e db yt h i st h e m ei n d i c a t e dt h a ta l lh vp a r a m e t e r sw e r em e tt h e n e e do fp r a c t i c a l i t ya n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sw e r eb e t t e rt h a nt h es a m et y p ep d pd r i v e ri cd e s i g n e db y f o r e i g nc o m p a n i e s a l lt h i sp r o v e dt h ev a l i d i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft h ed e s i g ns c h e m ep r o p o s ei nt h i s d i s s e r t a t i o n a tl a s t ，ad u r a t i v er e s e a r c hd i r e c t i o nw a sb r o u g h tf o r w a r di ns u m m a r y k e y w o r d ：p d pd r i v e ri c ；l v - t o h vi n t e r f a c ec i r c u i t ；l vt i m ed e l a ya n dd r i v i n gc i r c u i t ；l v - t o h vl e v e l s h i f t e r 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。 研究生签名：噬妲e l期： 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。 研究生签名：焦缈p导师签名： 绪论 绪论 一、课题背景介绍 随着人民生活水平的提高所带来的巨大消费需求，在政府加快信息化进程的推进和电信运营业 的发展的今天，又有国家将全面推进数字电视普及化进程的消息传米，在这良好的外部氛围下，显 示领域、显示技术必将得到进一步的拓宽与发展。目前主要的显示器件有：c r t ( 阴极射线管显示 器) p d p ( 等离子体平板显示器) 、l c d ( 液品显示器) 、l e d ( 发光二极管显示器) 、o l e d ( 有机 电致发光显示器) 、f e d ( 场致发射阵列平板显示器) 、e l d ( 电致发光显示器) 、v f d ( 真空荧光管 显示器) 、e c d ( 电化学显示器) 、e p i d ( 电泳成像显示器) 、s p d ( 悬浮颗粒显示器) 及t b d ( 旋 转球显示器) 【i j 。 彩色等离子体显示技术( c o l o rp l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 。是利用气体放电产生的紫外线激光荧光粉 发光的一种发光型平板显示技术。1 9 6 4 年美国伊利诺斯人学的b i t z e r 和s l o t t o w 首先发明了p d 只并 在7 0 年代初实现了单色p d p 批量生产。p d p 的优点如轻、薄、平、响应快，使它比c r t ( c a t h o d er a y t u b e ) 更适用于大屏幕显示，同时它还具有较宽的视角，不易受电磁干扰，且属于主动发光型器件， 与c r t 一样色彩丰富，使之在显示效果方面义人人优于液晶显示( l c d ) 口j 。近年来p d p 已被显示界 公认为高清晰度电视( h d t v ) 及罐挂式彩电的首选产品之一。可以预言，在不久的将来，p d p 必将 在大屏幕显示领域成为主流产品i 川。 p d p 作为新一代平板显示器件与l c d 及c r t 相比存在以下特点【l 】： 易于实现人屏幕显示。 主动发光型器件，且具有存储功能。 全色显示、对比度高。 响应速度快( 微秒级) ，可以实现即时显示和大型显示，易于满足计算机要求、圆扫描及螺 旋扫描的要求。 与c r t 相比具有工作电压低、轻量化及薄型化等特点。 使用寿命长。 不受磁场的影响，无辐射。 与l c d 相比其丁艺制备简单。 正因为p d p 显示器具有以上这些特点，p d p 显示器除了可以连接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，它的具体应用领域十分广泛眦习： 交通设施：旅游汽车用彩电：站台监视显示器，船舶系统用监视器及车站时刻表等。 娱乐及市政服务：各类游戏机及情报信息、新闻显示器等。 医疗：医疗情报显示器及患者序号显示器等。 金融：股票价格显示器等快速显示板。 产业设备：机器设备用显示器等。 家用：彩电及计算机显示器等。 有关p d p 的世界市场需求，预计在未来数年内将会递增5 0 1 0 0 。在中试生产和小规模生产线 上，显示屏和电路系统的成本各占5 0 ；在规模生产线上，显示屏成本可降至3 0 ，而驱动系统部 东南大学硕j 二学位论文 分和驱动芯片的成本也各占3 5 。因此开发出性能卓越、价格合理的p d p 高压驱动芯片具有广阔的 市场前景6 i 1 7 i i 8 1 。 正因为p d p 具有以上优点和应用领域，它必将成为最具竞争力的新一代人屏幕平板显示器。但 是它的发光显示离不开高压驱动芯片，驱动芯片给p d p 显示屏施加了定时的、周期性的脉冲电压和 电流，使p d p 显示屏单元内的气体发生反应，释放出紫外线，紫外线再激发显示屏上的荧光体发光， 从而实现p d p 显示器的发光显示 9 1 。 彩色p d p 中的高压驱动专用芯片是其重要组成部分，其功能是将前级送来的控制电平转化为高 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。由于p d p 高压驱动芯片的耐压、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 的高压驱动芯片成为岗位各大厂商竟相投入的研发重点。 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 v 一1 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 一1 7 0 v ，而且电路达到4 0 0 m a 为前者1 0 倍。要完成如 此高压大电流的驱动功能，驱动芯片中必需有一个经过精心设计高低压转换电路，以便将复杂的低 压( 5 v ) 数字信号转换为可以驱动显示屏的高压脉冲信号。本论文要研究的就是这种用于p d p 驱动 芯片高低压转换电路。 二、驱动芯片及转换电路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 4 年主流列选址驱动芯片的最大耐压 为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人耐 压为1 0 0 v 一1 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：影响这种芯片性能的冈素 主要包括采用的加t 制造的r t 艺水平、高压器件的性能的优劣、以及芯片中高低压转换电路的选取 和设计的好坏。目前p d p 驱动芯片的发展趋势是向着多高压输出端、低功耗、高速、低电压、模块 化的方向发展的。 本论文的核心部分是对高低压转换电路的设计，在涉及具体研究之前，我想先介绍一下已有的 研究发展情况。 一开始用于驱动p d p 显示屏的电路是用分立元器什搭建的电路系统，这些系统功耗巨人而且占 用很大空间，最重要的还是在于调试难度高而且成本很高，冈此仅用于在实验室中进行调试，还不 能走向市场化的应用【1 0 1 。集成的驱动芯片的出现加速p d p 市场化的进程。最早从事满足市场实用需 求的p d p 驱动芯片开发的是一些日本厂商，如n e c 、f u j i t s u 等，其中又以n e c 为领军人物，该公 司开发出了以l x p d l 6 3 0 5 ( 行) 、l x p d l 6 3 2 7 ( 列) 等为代表的一系列较为成熟的驱动芯片广泛的应用 于各火日本彩电厂商生产的p d p 显示器中。在p d p 市场趋于成熟和p d p 显示器占有家用电视市场 份额越来越大的今天，欧洲的半导体厂商s t 也开始进军p d p 驱动芯片领域，他们推出了s t v 7 6 1 0 ( 列) 、s t v 7 6 1 7 ( 行) 、s t v 7 6 9 7 ( 行) 等一系列性能卓越价格合理的p d p 驱动芯片，这些芯片大 量被中日韩等国的彩电厂商所采用。现在s t 是占据p d p 驱动芯片市场占有量第一位的公司。这两 家公司芯片中所采用的都是将要在本论文中重点研究的实用6 管型的高压c m o s 高低压转换电路。 但在出现这种比较成熟的高低压转换电路之前，高低压转换电路也经过了一个长期的改进创新和发 展的过程。从早期的以三极管为输出级的结构，到以电阻和m o s 管组成的电平提升级的电路结构， 一直到h u s s e i nb a l l a n 和m i c h e ld e c l e r c q 等人提出的电压镜全高压c m o s 互补结构的电平提升级i l 。 实用6 管型全高压c m o s 的电路结构就是在这种电路的原型上直接改进而来的。后来也出现了一些 其他改进的电路结构，比如d o u t r e l o i g n e 的低功耗的动态控制电路的结构【l2 】【l 剐和s c t a n 和x w s u n 2 绪论 的采用电容作为低压信号耦合级的电路的结构【1 4 】等。同时国外也有很多对于用于p d p 驱动芯片的高 低压转换电路的专利，他们也对电路的结构进行了各种具有创造性的改进和革新。伴随着p d p 显示 系统对p d p 驱动芯片的要求的发展，p d p 驱动芯片的高低压转换电路也在向着更低的功耗、更小的 面积、更快的速度、更宽的应用电压范围和更高的应用可靠性的方向发展。 三、课题目的、主要内容及其意义 从前面的介绍中，可以看出对于具有广阔的应用前景和诱人的市场同报的p d p 显示领域，开发 出性能卓越、价格合理、具有自主的知识产权、能满足实用要求的p d p 显示驱动芯片是一个重要而 紧迫的研究课题。对于p d p 显示驱动芯片中的核心技术一一高低压转换电路的设计同样也需要进行 进一步的深入研究，以指导未来的驱动芯片的设计- l 作。 本课题的任务就是对p d p 显示驱动芯片中的高低压转换电路的开发设计和改进进行理论上的总 结和实践上的探索，以求提炼摸索出一套可以用于实用的p d p 显示驱动芯片中的高低压转换电路的 设计方法，并提出一系列指导设计工作的设计原则。该课题也是国家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。 本课题的研究内容及技术路线： 1 ) 在参考前人研究成果的基础上结合自身参与开发的经验和体会，总结归纳出一系列指导高低 压转换电路设计的原贝0 ； 2 ) 针对高低压转换电路中的低压延时驱动电路进行设计，提山一套完整科学的设计方案，并提 出创新结构的低压延时驱动电路；对高低压转换电路中的电平提升电路提出了一套完整可行的设计 方案。采用s y n o p s y s 公司的h s p i c e 电路仿真软件，结合无锡上华提供的1 5 m 低压：i ：艺模型库和 本组李海松硕士开发的针对上华体硅上艺的高压宏模型上艺模型库对设计思路和设计方案进行仿真 验证。 3 ) 对包含采用本方案进行设计的p d p 数据选址芯片s e d 9 0 0 6 s 7 在无锡上华进行流水，并测试 了其高低压功能和性能，对设计方案进行实践验证。 本课题希望通过这些 t 作能够对提高p d p 驱动芯片设计水平提供帮助，为加快国产p d p 产业化 贡献自己的一份力量。 3 东南人学硕i j 学位论义 参考文献： 【l 】孙伟锋p d p 选址驱动芯片设计【d 】： 硕士学位论文 南京：东南人学电子工程系。2 0 0 3 【2 】潘睿敏，李晓华浅谈彩色p d p 的现状与发展【j 】电子器件，2 0 0 0 ，2 3 ( 2 ) ：1 6 2 1 6 8 【3 】陈畅，孙智林，孙伟锋，等p d p 显示驱动芯片的高速高低压接1 2 1 电路的设计【j 】，液晶与显示 2 0 0 4 ，1 9 ( 3 ) ：2 0 7 2 1 2 【4 】严国荣人型彩色p d p 的技术发展 j j 显示技术，2 0 0 0 ( 9 ) ：8 1 9 5 【5 】田民波电子显示【m 】北京：清华人学出版社，2 0 0 1 ：1 7 1 1 7 7 【6 】u c h i i k e ，h ，h i r a k a w a ，t c o l o rp l a s m ad i s p l a y s j p r o c e e d i n g so ft h ei e e e ，2 0 0 2 ，9 0 ( 4 ) ：5 3 3 - 5 3 9 【7 】p a r k e r , d w ，k n a p p ，a g ，b a i l e r , t s t h et vo nt h ew a l l ：h a si t st i m ec o m e ? 【j 】e l e c t r o n i c s & c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n gj o u r n a l ，19 9 9 ，l l ( 5 ) ：210 - 216 【8 】j o s e p h a c a s t e l l a n o m a r k e tt r e n d sf o r d i s p l a y s i nc o n s u m e r t e l e v i s i o n c s i d 0 0 d i g e s t ：4 0 7 - 4 0 8 【9 】干保平等离子体现实技术发展近况【c 】2 0 0 2 年中国平板显示学术会议，2 0 0 2 ：3 0 - 3 3 【lo s h i n o d a ，t k a r i y a ，l ( w a k i t a n i ，m ，e ta 1 d e v e l o p m e n to fl a r g ec o l o ra cp l a s m ad i s p l a yp a n e l s c i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o n s u m e re l e c t r o n i c s ，d i g e s to ft e c h n i c a lp a p e r s 19 9 6 ：2 5 4 - 2 5 7 【1 l 】h u s s e i nb a l l a na n dm i c h e ld e c l e r c q h i g hv o l t a g ed e v i c e sa n dc i r c u i t si ns t a n d a r dc m o s t e c h n o l o g i e s m k l u w e ra c a d e m i cp u b l i s h e r s19 9 9 ：l8 0 - 2 0 7 【12 d o u t r e l o i g n e ，j ，d es m e t ，h ，v a nc a l s t e r , a av e r s a t i l em i c r o p o w e rh i g h v o l t a g ef l a t - p a n e ld i s p l a y d r i v e ri na1 0 0 一v0 7 - s p im u mc m o s i n t e l l i g e n ti n t e r f a c et e c h n o l o g y j i e e ej o u r n a lo fs o l i d s t a t e c i r c u i t s ，2 0 01 ，3 6 ( i2 ) ：2 0 3 9 - 2 0 4 8 【13 】d o u t r e l o i g n e ，j ，d es m e t ，h ，v a nc a l s t e r , a av e r s a t i l em i c r o - p o w e rh i g h v o l t a g ef l a t - p a n e ld i s p l a y d r i v e r c i s s c c ，2 0 0 1 ：2 5 4 - 2 5 5 ，4 5 3 【1 4 t a n ，s c ，s u n ，x w l o wp o w e rc m o sl e v e ls h i f t e r sb yb o o t s t r a p p i n gt e c h n i q u e c e l e c t r o n i c s l e t t e r s ，2 0 0 2 ，3 8 ( 16 ) ：8 7 6 8 7 8 4 第一章p d p 驱动芯片中的高低压接u 电路 第一章p d p 驱动芯片中的高低压转换电路 本章对高低压转换电路特别是应用于p d p 驱动芯片的高低压转换电路的发展和演变做了一个概 述性的介绍，其中将包括这种类型的电路的提出的背景，每一阶段的发展，以及目前的研究设计水 平。并结合应用条件的要求和目前t 艺制备水平的现状总结山若干条指导应用tp d p 驱动芯片的高 低压转换电路的设计原则。 1 1 高低压转换电路的演变与发展 高低压转换电路由低压延时驱动电路和信号电平提升电路两部分组成，对于低压延时驱动电路 我们将在第二章中详加论述，本章我们主要来讨论一下高低压信号电平转换电路的演变与发展。 我们首先从高低压转换电路的产生的背景开始引入高低压转换电路的概念，并按其发展的顺序 介绍高低压转换电路的应用范围的扩展及高低压转换电路自身电路结构和上艺的发展。 1 1 1 高低压信号电平转换电路的产生背景 数字设备通常都是采用电平敏感的二进制逻辑的。在二进制逻辑设备中，一种逻辑电平表示“o ” 或是“低9 9 1 p 另一种逻辑电平表示“l ”或是“高”。通常在正逻辑中，刚较低的电平( 比如地电位) 来表示逻辑“0 ”，而较高的电平( 比如3 3 伏) 来表示逻辑“l ”。在负逻辑中，情况则完全相反。 这样一来在一个电子系统中应用的数字设备就会遇到一个问题，那就是可能不同的数字设备应 用在不同的上作电压之卜( 即不同的逻辑电平值都代表其相应的逻辑“1 ”) 。制造j l 艺水平的发展使 得数字设备可以采用不断降低的工作电压，因此也经常改变逻辑“l ”信号的实际电平值。相应的， 当多种数字设备组合在一起以构建成一个电子系统的时候，有可能一个设备是使用5 v 电源电压来 表示逻辑“l ”的，而另外一个设备则是使片j3 3 v 或是2 0 v 电源电压米表示逻辑“l ”的。这些电 源电压的著别就会导致数字设备之间的信号传递的问题，因为系统中一个数字设备的逻辑“1 ”信号 输出可能会冈为实际电平值太低而不能被另一数字设备理解为逻辑“l ”。 这样我们就需要一种可以连接使用不同电源电压的数字设备的电路，高低压信号电平转换电路 就是这样一种电路。它将一种数字设备的逻辑“1 ”的电平电压值转换为另一种数字设备的逻辑“l ” 的电平电压值。一个数字设备中的信号电平转换电路通常要和一个输出驱动电路协同上作，通过这 个输出驱动电路，可以将内部的t 作电源电压信号转换为能够驱动外部设备的上作电压信号。 工作在两种或者两种以上工作电压之下的集成电路芯片也需要一个可以在不同电压之间进行数 据信号电平转换的接口电路。如果让两种不同的工作电压的信号直接通信，那么将山现的结果是： 如果较低的工作电压的信号直接输入到需要较高的工作电压的电路部分去的话，具有较高t 作电压 的电路就不能识别输入的数据信号，并且会导致输入级的p m o s 管和n m o s 管同时导通，电路既不 能正常工作而且还会出现较人的功耗；如果较高的t 作电压的信号直接输入到需要较低的工作电压 的电路部分去的话，那么情况会更糟糕，低压电路不能承受这么高的电压，就可能会导致可控硅闩 锁效应产生，进而还可能会导致芯片的过热烧毁【2 】。这些芯片中的多种工作电压可以是从外部提供 的，比如一些显示驱动芯片，在某些芯片中也可以是从芯片内部由一个电压源产生的，比如非易失 性存储器芯片、电子表芯片以及微处理器芯片等。 从另一方面而言，在电子通讯工业领域内对低功耗和高速工作频率的需求不断提高。例如微处 5 东南人学硕l j 学位论文 理器的设计一直追求在更小的面积上实现更强大的功能和更低的功耗。a s i c 设计同样也追求更小的 面积和更低功耗。采用低压控制电路就可以满足业界对低功耗、高速一l 作的需求，这些数字电子芯 片都被用来控制其他多种不同类硝的电子设各，而这些电子设备需要一种接口电路米和这些复杂的 控制芯片进行通信。举例来说明，强人的机器人工具需要精确的电子接口去控制它们的移动和- l 作； 计算机控制的阴极射线管( c r t ) 也需要通过一个精确的电子接口米控制磁场和电子束的工作f 3 】。对 于纯数字t 作状态的等离子显示器( p d p ) 就更需要有一套完善精确的数字接口电路去驱动显示屏 的正常显示。 高低压信号电平转换电路主要应用在存储器控制芯片，数控机床和马达，控制芯片与外部系统 之间接1 3 电路以及数字显示系统驱动芯片等领域中1 。冈为对功耗和工作频率的要求，绝大多数应 用场合中用到都是低压信号变为高压信号的电平提升电路( 1 e v e l u p ) 只在一些需要双向通信 ：j 的场 合( 比如c p u 与外围设备的接口芯片) 会用到电平降低电路( 1 e v e l - d o w n ) 。p d p 驱动芯片中用到的 就是电平提升电路。 1 1 2p d p 驱动芯片中的高低压转换电路的演变与发展 绝大多数平板显示器驱动芯片都是通过低压逻辑控制实现高压输出，从而驱动平板显示器发光， 例如p d p 驱动芯片、v f d 驱动芯片及e l d 驱动芯片等等，这些驱动芯片一般侧重于高压、大电流 方面考虑，它们的驱动电压一般比较高、驱动电流比较大。根据使用要求及制备工艺的不同，其高 低电压转移的电路形式也有多种，各有臼己的优缺点。 用于p d p 驱动芯片中的高低压转换电路经过发展，从f t 艺水平低的采用复杂、占用芯片面积大、 精确度低、功耗大、工作速度慢的结构演变到今天的采用先进的高压器件制备t 艺、结构简单、占 用芯片面积小、精度高、功耗小、t 作速度快的电路。中间经历了3 0 多年的发展，下面将以儿种有 代表性的电路结构为例，来简单地介绍一些p d p 驱动芯片用的高低压转换电路( 主要是信号电平提 升电路) 的发展历程，需要指出的是在很多情况下用于p d p 驱动的高低压转换电路也可以用于其他 种类平板显示器，例如l c d 、v f d 、f e d 、l e d 等【4 】【5 】【6 】。 图1 1 一图1 5 中，v c c 为高电压电平，v d d 为逻辑高电平( 5 v ) ，低压m o s 管p l 和n 1 组 成倒向器。 图1 1b i c m o s 型信号电平提升电路图1 2m o s 和电阻型信号电平提升电路 图1 1 为b i c m o s 型信号电平提升电路7 】【8 】，它主要采片jb i c m o s 工艺实现电路。为逻辑控 制信号，当i n = v d d 时，h v n 2 、h v q l 及n v q 2 导通，o u t 得到高电压，o u t = v c c ：当i n = o 时，h v n l 导通，o u t 通过h v d 和h v n l 放电，o u r r0 v 。由于此电路存在高压三极管，因此它 的缺点在于功耗较大；少数载流子的存储效应而导致转换速度慢、频率低；输出波形的上升时间和 下降时间不对称等。 6 第一章p d p 驱动芯片中的i 筒低k 接u 电路 图1 - 2 所示的电路 9 1 与图1 1 电路的工作方式相似，但采用c m o s ：i ：艺制备，它比图1 1 电路的 转换速度高的多，但是功耗依然很大，因为在o u t 为高电压输出时，r 和h v n 2 构成电流通路而且 输出波形的上升时间和下降时间不对称的问题依然存在。 _ 图1 3c m o s 电压镜型信号电平提升电路 静态功耗，因此功耗依然较大。 在这个电路的基础上人们又进行了改进和简 化，从而得到了如图l _ 4 所示的简化了的由高压 c m o s 器件构成的互补型信号电平提升级的高低 压转换电路。 图1 4 所示的电路与图1 3 一样都是采用标准 c m o s 制各工艺。当i n = v d d 时：h v n 3 导通， h v n l 、h v n 2 截l i 二，导致h v p i 、h v p 2 导通， h v p 3 截止，所以高电压将通过h v p l 在o u t 端 输出( 约为v c c ) ：当i n = 0 时：h v n i 、h v n 2 导 图1 3 所示的电路【1 0 1 是一种改进的结构，它采 用了互补的c m o s 高压管电压镜的电路结构，它 由图1 2 的电路改进而来，它将图l 一2 中的电阻r 替代为有源负载m p i 和m p 2 ，为了产生对称的输 出波形的上升时间和。卜降时间，又加入了一个相同 的电压镜，并将高压p 管的控制级交互连接以提高 工作速度。这种结构的电路的特点是工作速度提高 了，而且该电路采用全c m o s 工艺制造，简化了 制造工艺，但是因为有源负载的存在还是有一定的 图l - 4c m o s 型信号电平提升电路 通，h v n 3 截止，导致h v p 3 导通，h v p i 、h v p 2 截i 七，输出端o u t 通过h v n l 放电至低电平( 约 为零) 。此电路克服了图l 一2 电路和图1 3 电路的大功耗问题，因为它采用了高压c m o s 结构，静态 功耗很小，同时它的转换速度是图1 1 电路的孓_ 1 0 倍。但是它没有克服逻辑高电平v d d 的浮动而 图1 5 带电流源的c m o s 型高低压转移电路 带来的o u t 输出电压的摆动。在一般情况下，v d d 会有1 0 的上下浮动，这样会导致s h 信号有2 0 左右的上下摆动，从而o u l 输出也将上下摆动。 在对精度要求不高的应用中( 如p d p 驱动芯片) 多采用此类结构，在第三章中也将就这种结构作进 一步探讨。 在继续改进的基础上设计出带有电流源的 c m o s 型信号电平提升电路【7 j ，如图1 5 所示。p 2 、 n 2 和n 3 为低压m o s 管，构成了电流源，其他结 构与图1 4 电路相同，电流源提供了稳定的放电回 路。该电路具有图l _ 4 电路的优点，能与标准c m o s 工艺兼容，功耗低，频率高。根据简单的公式推导 就可以得到图1 5 所示电路s h 信号非常稳定，故 o u t 输出也将十分稳定。当然它也使电路变得更为复杂，电流源带来一定的微功耗。 图1 1 一图1 5 电路中所用高压管的设计是非常关键的，应该根据实际的工艺制备条件设计出符 合要求的高压管。比如针对p d p 显示驱动芯片来说，需要设计出可以耐8 0 v 以上高压的c m o s 器 7 东南人学捌十学位论立 什，返其中义u t 以分为两类高压c m o s 器什一类是栅社 【币i 粕源都可以耐8 0 v 以上高压的厚棚氧结 构的h v - p l d m o s 器件，这类器件的阈值l u 压通常在1 0 v 以 ：所以需要高压( 高丁( v d d h 一 0 v ) ) 控制其栅极才能黄闭这类器件，兄类是只有漏源可以耐8 0 v 以上高压的薄栅氧结构的 h v - n l d m o s 器什，这类器件的栅开启电压通常在i6 v 以上故只需5 v 的低压信号就可以控制其开 启和l 关闭。这两类高压器件的结构将在113 节中详细说明。 一 圈1 - 6 双嗣极高压p m o s 高低压转移电路圈1 - 7 职渭极高压p m o s 剖视图 嘲li酗l ，5 电路中所h j 的高压m o $ 管的设计是比较凼雉的，特别是高压p m o s 的厚栅氧的 制蔷与刻蚀，它将影响到芯片的成品率和可靠性。为此，哲人提出了如酗i 币所示的般漏极高压p m o s 结构的信号电平提升电路j 它和传统c m o s 结构高低压转移的原理一样但是它的高乐p m o s 是采h j 取淄极结构，这样与高压p m o s 的栅相连的涮极为其第二漏极它的l u 爪变化范围为 ( v d d h v d d h 5 v ) 这样不但高压p m o s 可以止常1 作( 其开崩电压j , j 15 v ) 同时高压p m o s 的栅渊2 间的相对电压义不人于5 v 故其栅氧化层只需采用标准低压c m o s 的栅氧化层减少丁 生k 和刻蚀传统高1 i ：p m o s 的j 早栅氧化层运两步工艺，降低了生产j j 芟奉提高了产品的成品率。图 】一7 为般赫极高压p m o s 的纵向剖视图，t l 为第一湘，t 2 为第一漏极，接高压p m o s 的栅。这种 电路的缺点是电流比较小因为其v g s 的相对压差仅为5 v 而且在实际制备中筇一漏极( t 2 ) 不 太好控制! 田此它不适台频率要求较高的平扳显示器驱动芯片。 另外还有两类专门为降低电路功耗而设计的信号电平提升电路。幽1 - 8 和l 图1 - 9 显示了这两种电 圈1 - 8 动态结构的高低压转移电路 充电至高电平，当v p a s s 变为0 时，由于t 7 和t 8 都截 止，从而v g ，p 保持低电平，t 2 开启， o u t 维持高电平； 当v i a 为0 时，v p a s s 米l 时则”开启，t 5 截i h 这 样v g ，p 为高电平t 2 截止同时传输门开启，v g ，n 得 到高电平，t l 开启v o u t 放电至0 v ，当 p a s s 变为0 时，”截j p ，v g p 保持高电平不变传输门截止从 而v g ，n 保持高屯平丁1 继续开启，v o u t 维持为0v 。 这个电路的特点是功耗根低但缺点是电路的结构比较 复杂会i 用较多版图面积，而且因为是用栅电彝的维 路。 创1 - 8 中显示的是一种动态控 制弛的高低压转换电路 t2 1 1 ” v p a s s 为动态拄制信号，当v i a 为i 时v p a s s 来l 时则t 5 开启t 1 3 截止这样v g ，p 为低电平v o u t 鼹 图1 - 9 电容型高低压转移电路 第一章p d p 驱动心1 1 - 门! 中的高低胝接u 电路 持电荷米动态保持工作状态，因此在一定频率之上才能工作，这也限制了它的应用范围。 图1 9 显示了另一种低功耗的信号电平提升电路的结构【l4 1 。这个电路的特点是用两个电容代替 了图1 _ 4 电路中的高压n m o s 管，而高压p m o s 管则是薄栅氧结构，开启电压是2 v 。电路的t 作 原理是利川电容两端电压的瞬时不变性，通过电容将输入信号i n 耦合到高压p m o s 管的栅极。这样 的改进就完全杜绝了电平提升级从高压电源到地之间的直流通路，从而降低了电路的整体功耗。当 然它的缺点就是对制造工艺要求比较高，需要能够做出满足应用要求的电容和低开启电压的高压 p m o s 管，同时这种电路占用的版图面积也比图l _ 4 电路要略大一些。 1 1 3 高压