（微电子学与固体电子学专业论文）tft+lcd驱动芯片的研究与设计.pdf

摘要 文章针对8 0 0 6 0 0 象素的1 r i 呵l c d ，介绍了l c d 显示原理、1 r i 玎元件特性、 弧下l c d 的结构及驱动原理，重点进行了耶t l c d 周边驱动电路设计，包括栅 ( 行) 驱动电路和源( 列) 驱动电路。栅驱动芯片，内部主要包括逻辑控制电路、 双向移位寄存器、电平位移电路和4 一l e v e l 输出电路。本文设计了一种多模式工 作的栅驱动电路，其中控制电路包含左右移位控制、输入输出控制、分段清零、 工作模式选择，且相互之间必须进行互相配合。可根据应用场合的不同，而选择 不同的工作模式。列驱动芯片，首先分析其工作原理，并对内部两个关键电路进 行设计：并行输入串行输出电路和用于实现九校正的d a 变换电路。并采用两种 方式实现了d a 转换，一种是利用高低电压组合；另一种是采用高低位译码电路 来实现。在此基础上，为了能够降低列驱动芯片的功耗，对列驱动芯片的结构进 行了改进，并对改进后的缓冲电路进行了设计。采用h s p i c e 对芯片内部的模块电 路进行仿真，仿真结果表明，所设计的驱动芯片基本能够满足所需的要求，并对 栅驱动电路进行版图设计。 关键词：t f l l c d电平位移 栅驱动列驱动 a b s t r a c t n 圮t h c s i sa i m sa tt h e8 0 0 6 0 0t f tl c d ，i m m d u c c s 也ee l e m e n t so f t h el c d ，t h e c h a r a c t e r i s t i co f m et f t ，m es t n l c t l l r co fm et f tl c da n dt h ed r i v i n gt h e o f yo fm e n 呵l c d ，l e nd e s i g n s gg a t e 蹦v ea 芏1 ds o u r c e d r i v e t h e g a t e 越v e c i r c u “i s m a d e u p o f b i d h c t i o n a ls h i f tr e g i s t e r ，t l l el o g i cc o n t r o lc i r c u i t ，l e v e ls h i f ta i l do u t p u tc i r c u i t f 0 f t 1 1 eg a t ed r i v ec 沁u “，t l l ei o g i cc o n t r o lc o m p r i s e sl e f t & 啦蛳s h i n ，t 1 1 es e l e c t i o no fi ，o p o r t ，s u b s e c t i o nc l e 盯粕dc h o o s ct l l ew o r k i n gm o d e m o r e o v e r ，e v e r yf n n c t i o nm u s t w o r kc o o p e r a t ew i t l le a c ho t h e lt h eg a t ed r i v i n gc i r c u “d e s i g n e di nt h et h e s i sc 锄b e u s e di nd i 虢r e n to c c 船i o nf o rd i 仃e 崩1 tw o r k i n gm o d e f o rt h es o u r c e 蹦v i n gc i r c u “， f i r s tia n a l y z ei t sw o r k j n g 毛l e m e n t ni n c i u d e st 、v op i v o t a lc i f c u i t s ：s e r i a li n p u ta n d s i d e _ b y s i d eo u t p m ，t h cd a cf o r 九e m e n d a t i o n t h ed a cc a nb ec a r r i c do u ti nt w o w a y s ，o n et l s e st h ea d d e ra n de n c o d e r ，t l l eo t h e r 、v a y su s e dt l l eh i g h 卸d1 0 wb i t e n c o d e r f o rd e p r e s s i n gt l l ep o w e ro f t l l es o u r c cd r i v i n gc i r c u i t ，ii m p r o v ei t ，a i l du s t h en e wf k q u e n c yc o m p e l l s a t i o nf o rt l l eo u t p mb u 丘打t og e tg o o ds t a b i l i t ya n dt h c s l e wr a t ee 列1 a n c ec i r c l l i tt oa d v a n c et l l es l e wr a t e t h e niu s e dt h eh s p i c et os i m u l a t c t h er e s u l ti sw e l l i nt h el 嬲ts e c t i o no ft h em e s i s ，id e s 咖m el a y o u to ft h eg a t ed r i v e c i r c u nt h e 盯c ao f t h ec h i pi s1 3 x 6 ( m m 2 ) k e y w o r d ： t f tl c dl e v e is h i f tg a t ed r i v e rs o u r c ed r i v e r 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他入已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料着有不实之处。本人承担一切相关责任。 本人签名： j l 乞 尢 寸 日期：2 1 堡垒i 旦多。l a矽矿参釜j 邑zo l a i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后应遵守此规定) 本学位论文属 本人签名： 导师签名： 密后适用于本授权书。 日期：之竺i 红! 基至! 宣 日期：羔! 鱼! l ! 兰 第一章绪论 第一章绪论 科学技术的发展日新月异，显示技术也在发生一场革命，随着显示技术的突 破及市场需求的急剧增长，使得以液晶显示( l c d ) 为代表的平扳显示( f p d ) 技术迅速崛起。目前竞争最激烈的平板显示器有四个品种：场致发射平板显示器 ( f e d ) ，等离予体平板显示器( p d p ) 、薄膜晶体管液晶平板显示器( n 呵 l c d ) 和有机电致发光显示器( o l e d ) 。而由于可一l c d 在亮度、对比度、功 耗、寿命、体积和重量等方面的优势，从而得到广泛的关注和应用。 1 1 液晶显示器显示原理 液晶于1 8 8 8 年由奥地利植物学者r e i n i t z e r 发现，是一种介于固体与液体之 间且具有规则性分子排列的有机化合物，具有液体的流动性和晶体的双折射性， 并且在电场的作用下会改变其分子排列。般液晶有三种形态：类似粘土的层列 ( s m e c t 沁) 液晶、类似细火柴棒的丝状( n e m a t i c ) 液晶和类似胆固醇状的 ( c h o l e s t i c ) 液晶。l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 一般使用的是丝状液晶。 液晶显示屏通常包括玻璃基板( 上、下玻璃基板上分别包含制造好的彩膜和 t f t ) 、i t o ( i n d i 啪t i no x i d e ) 膜( 对应上、下玻璃基板分别为公共电极和象素电 极) 、配向膜、偏光板等制成的夹板，上下共有两层，另外还有背光源和液晶。图 1 1 为t n l c d 液晶屏显示原理图。将偏光板( 偏光板只允许通过某一方向振动的 光) 粘贴在己注入液晶的两张上下玻璃基板上，并且上下偏光板光轴正交。从上面 照射的光通过上偏光板时，只有一个方向振动豹光能通过。当玻璃基板没有加入 电场时，注入到l c d 屏的液晶分子会沿着上下两张玻璃基板上的配向膜的沟槽 排列。由于上、下两块玻璃基板的配向膜沟槽偏离9 0 度，所以上下夹层中放置 的液晶分子排列为9 0 度螺旋形的扭转排列，光线跟着液晶做9 0 度扭转，与下偏 光板轴方向平行通过，液晶面板显示白色( 如图1 1 左) 。当玻璃基板加入电场 时，液晶分子受电场的作用变为垂直排列，光偏振态没有变化直接到达下偏光 板，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收而无法透出，液晶面板显示黑色( 如图1 1 右 。液晶显示器便是根据此电压有无和大小，使面板达到显示效果。 2t f tl c d 驱动芯片的研究与设计 图1 1 液晶屏显示原理 如上所述，在l c d 屏上外加电压，液晶分子排列会改变，l c d 将根据电压 的有无和大小，控制液晶分子排列方向，使面板达到显示效果。若上、下偏光板 吸收轴方向成9 0 0 ，唯一一个方向振动的光能否通过l c d 屏，取决于是否外加电 压，而光通过与否则决定了“白”和“黑”，这样在l c d 上可显示出图像。当 然，白和黑的中间色是由外加电压的中间电位决定的，电压不同透光率不同，显 示的明暗程度就不同。若加上彩色滤光膜( c f ) ，则可显示彩色影像。 1 2t f t l c d 的发展 在众多平板显示器的激烈竞争中，肝l c d 能够脱颖而出，成为新一代的 主流显示器决不是偶然，是人类科技发展和思维模式发展的必然。液晶先后避开 了困难的发光问题，利用液晶作为光阀的优良特性把发光显示器件分解成两部 分，即光源和对光源的控制。作为光源，无论从发光效率、全彩色，还是寿命， 都已取得了辉煌的成果，而且还在不断深化之中。自l c d 发明以来，背光源在 不断地进步，由单色到彩色，由厚到薄，由侧置荧光灯式到平板荧光灯式。在发 光光源方面取得的最新成果都会为l c d 提供新的背光源。随着光源科技的进 步，会有更新更好的光源出现并为l c d 所应用。余下的就是对光源的控制，把 半导体大规模集成电路的技术和工艺移植过来，研制成功了薄膜晶体管( t f d 生 产工艺，实现了对液晶光阀的矩阵寻址控制，解决了液晶显示器的光阀和控制器 的配合，从而使波晶显示的优势得以实现。 液晶显示器包括无源矩阵液晶显示器口m - l c d ) 与有源矩阵液晶显示器( a m l c d ) 。s t n 与t n 液晶显示器均同属于无源矩阵液晶显示器。9 0 年代，有源矩阵 液晶显示器技术获得了飞速发展，特别是薄膜晶体管液晶显示器( t f t l c d ) 。它 作为s t n 的换代产品具有响应速度快、不闪烁等优点，广泛应用到便携式计算机 及工作站、电视、摄录像机和手持式视频游戏机等产品中。a m - l c d 与p m l c d 第一章绪论 3 的差别在于前者每象素加有开关器件，可克服交叉干扰，得到高对比度和高分辨 率显示。当前a m l c d 采用的是非晶硅( a - s i ) 呵开关器件和存储电容方案，可 得到高灰度级，实现真彩色显示。然而，高密度摄像机和投影应用对高分辨率和 小象素的需求推动了p s i ( 多晶硅) 1 1 玎显示器的发展。多晶硅的迁移率约为非晶 硅的l o o 倍，面板象素反应时间比非晶硅快l o 倍，同时因多晶硅技术可以将周边 驱动i c 与象素集成一体，一起集成到玻璃基板上。集成驱动电路意味着可以使 组件的数量降低4 0 左右，用于l c d 模块系统的连接器件数量降低至9 5 ，可 缩小面板厚度1 0 2 0 。也就使它功耗更低、“身体”更薄、亮度更高、更加耐 用，在提高了反应时间的同时，还降低了制造成本。并且p s it f t 的尺寸小，更 适用于高密度高分辨率显示。 由于无源矩阵l c d 所能达到的可寻址线数n 受到很大的限制，尽管在提高 液晶材料非线性方面已取得了很大进展，但无源矩阵l c d 仍不能满足其高清晰 应用的要求。而有源矩阵是在每个象素上都接一个1 r i 叮( t h i n f i l m 仃a l l s i s t o r 薄膜 晶体管) 开关，即n 可l c d ，从而使l c d 实现了质的飞跃：一 ( 1 ) 它意味着可将寻址与写入功能分离，既能做到以视频速率快速寻址， 又能做到图像信息的保存。纵使n 加大，寻址速率加快，一旦在寻址象素上写入 数据或t v 信息，由于t f t 的隔离作用，该象素上的信息就不致于丢失，满意地 解决了大n 与对比度不可兼得的困难。 ( 2 ) 它意味着可将l c d 由恢复型显示器变成存储型。无源矩阵l c d 无存 储作用，其占空比随n 的增加而减小，导致对比度降低和视角变窄。然而在每个 象素上接一个n 呵，就弥补或克服了无源矩阵的l c d 的缺点。象素电容上存储 的电荷只能通过l c 材料电阻缓慢泄放。这就是说，短暂的寻址与写入时间过去 之后，在选址象素上写入的信息量可继续保持，好比大大“延长”了写入时间， 从而实现了近似于l o o 占空比寻址。 1 3 本文的内容和意义 综上所述，我们可以看到1 r i 玎l c d 面板所具有的庞大市场，同时由于每块 t f t - l c d 面板都必须有驱动芯片来驱动，所以我们也可以看到t f t l c d 面板驱 动芯片有着巨大市场。但据报道国内研制t f t l c d 面板驱动芯片的公司却寥寥 无几，国内制造n 叩l c d 面板制品所用的驱动芯片主要依靠进口。权威认为如 果想在t f t l c d 面板驱动芯片巨大的市场上占有一席之地，就必须马上奋起直 追。本文借助于h s p i c e 软件，对栅驱动和源驱动电路进行设计。本文所做的工作 包括： 4 1 i f tl c d 驱动芯片的研究与设计 1 俞绍了液晶显示器的显示原理、t f t 元件特性、t - l c d 的结构和驱动 原理。 2 完成了t f l l c d 栅驱动电路和源驱动电路设计。其中，栅驱动电路由双 向移位寄存器、逻辑控制电路、电平移动电路和输出缓冲电路组成。本 文设计了一种多模式工作的栅驱动电路，可根据使用场合的不同而选择 不同的工作模式；源驱动电路由双向动态移位寄存器、锁存电路、用于九 校正的d a 变换电路及输出缓冲电路组成。并对源驱动电路进行了改进。 3 栅驱动和源驱动芯片的内部电路进行仿真。 4 文章的最后一部分进行了栅驱动电路的版图进行设计，包括各个模块电 路的版图设计和整体电路的版图布局与设计。 第二章1 1 叮l c d 的结构和驱动原理 第二章t f tl c d 的结构和驱动原理 自人类进入信息时代以来，信息显示技术在人们社会活动和日常生活中的作 用日益明显。l c d 显示技术具有低电压、微功耗、平板化等特点，并与半导体集 成电路技术紧密结合，己成为信息时代显示技术的主流。l c d 显示模式早在上世 纪6 0 年代就己出现，并于上世纪7 0 年代形成扭曲向列型t n ，l c d 产业，主要应 用于电子手表、计算器当中。到上世纪8 0 年代中期开发的超扭曲向列型s 佩 l c d 产品，在显示品质上相比n 4 l c d 有了很大的进步。随着应用领域的不断扩 大，1 n 和s t n 显示模式由于其固有的不足，己无法适应显示技术的发展，其缺 陷主要表现在交叉效应严重、显示容量小、响应速度慢等。t f t l c d 显示技术彻 底克服了上述两种显示方式的不足，以其大容量、高清晰度和全彩色视频显示成 为l c d 显示的主导技术。 2 1t f t 的器件介绍 t f t 是“t h i nf i l m1 r a n s i s t o r ”的简称，即薄膜晶体管。图2 1 为p s i1 r i 呵 剖面图和等效模型，其中c g s o 和c g d o 为t f t 的寄生电容，c g s 和c 酣是沟道电 容。t f t 的静态特性主要是指漏极电流随栅一源电压变化的输出特性和漏极电流 随漏一源电压变化的输出特性。 图2 1p s i t f t 的剖面图和等效模型 当1 1 丌工作在线性区时，漏电流为 = 署【( 一巧) 一丢2 】 当1 r i 丌工作在饱和区时，漏极电流为 = 丢q 警( 一巧) 2 关断状态的漏电流方程为 k ：俐吃孚 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 6 n 叮l c d 驱动芯片的研究与设计 式中c o x 、q 、n 、l l 、w 、l 和d s 分别为栅氧化层电容、电子电荷量、电子 密度、载流子迁移率、沟道宽度、沟道长度和有源区沟道厚度。i o n 的大小反映了 沟道导电能力的强弱，如果i o n 太小，将影响m o s 管的增益和输出动态范围， 但是如果l o n 太大，会引起直流功耗过大。 2 2t f t l c d 的象素结构 l c d 显示一般采用行、列电极交叉构成的点阵显示方式。n 个行电极和m 个 列电极交叉构成n m 个象素，以n + 3 m 个电极控制n 3 m 个像元得到任意文 字、图形和图像。按照其结构的不同可分为无源矩阵l c d 和有源矩阵l c d 。 t f t l c d 的每个象素点都是由集成在自身上的t f t 来控制的，图2 2 所示为 一个t f t l c d 象素点的结构及其等效电路，它们是有源象素点。每一个象素包 含三个像元。分别用来显示r g b ( 红、绿、蓝) 三色，通过不同的组合可显示不 同色彩。将一行n 叮的栅极线引出称为扫描线；t f t 的漏端接收前一级的数据信 号，称为数据线；液晶的一段分别接t f t 的源和公共电极。利用两端的电压差， 而使液晶发光。 图2 2 耵呵l c d 的象素结构和等效电路 1 1 叮l c d 象素有存贮特性，存贮时间长短取决于n 叮的关态电阻和液晶象 素电容、存贮电容的r c 常数。因此，n 玎l c d 驱动方式不同于t n 和s t n 。 n 叮l c d 象素结构和等效电路如图2 2 所示。当n 呵开启，数据线在短时间内对 象素电容和存储电容充电，要求t f t 开态电阻r 。要小，但放电时问需较长，至 少保持一帧时间。对8 0 0 ( r g b ) 6 0 0 的l c d 显示屏，扫描行数为6 0 0 线，行 寻址频率为6 0 0 6 0 = 3 6 k h z ，时间( 脉宽t 、v ) 为2 8 雌，行回扫时间为行周期的1 6 。在1 r i 叮关态时间内，要求存贮信号泄漏不超过起初的5 ，这说明要求t f t 的开关电阻比值在1 0 6 以上。然而，t f t 性能受温度影响，在实际应用中，开关 比应达到l o 以上。为了保证液晶材料寿命，用交流电压脉冲驱动液晶屏应每帧 反转电压极性。其驱动电压波形如图2 3 所示。 第二章1 1 丌l c d 的结构和驱动原理 7 图2 3t f tl c d 象素的驱动电压波形 2 3t f t l c d 的驱动原理 象素单元构成的t f t l c d 的有源矩阵如图2 4 所示，除了象素单元以外，在 矩阵的左侧和上方分别有行驱动器和列驱动器。 列驱动器 d l d 2 ) 3 g l矗正l饨督 越4 行“净c l 上 号一! 驱 u 动 g 2 上上上 器j u n j u nj v u - j g 3 _ lj j u t lj u nj _ u n t 素l 謇 4 节 u q 璇鸯墁数据蟪x 2 教冕鳗x 3 图2 4 n 叮l c d 有源矩阵结构 在驱动m n 矩阵的t f t l c d 时，将扫描电路的寻址信号( 或顺序扫描信号) 提供给栅线( 行线) y l ，y 2 ，y 3 ，q 。另外，将数据电路的数据信号( 显示数据信号 或模拟输入信号) 供给数据线( 列线) x l ，x 2 ，x 3 x m 。n 呵l c d 的1 下t 放在 1 r i 呵基板上的栅线和数据线的交点上，用栅极总线选通1 行象素，从数据线上输 入模拟信号。t f t _ l c d 的驱动采用“逐行扫描”，按照驱动芯片的工作要求，可 任意选通某一个栅极总线y 的象素，如果依次选择栅极y n 的象素，从y 1 起按 顺序选到y n ，当每一行的n 叮的栅极选通时，将这一行的数据信号通过数据线 加到液晶上，整个阵列依次选通完后构成一个画面，称为l 帧。将l 帧的时间进 行分割，每个栅极分给一定的时间( 选通时间) t l 、t 2 、t 3 ，如图1 3 所示t f t 和象素的等效电路。图2 5 为有源矩阵的工作电压波形。在t l 期间，给栅线y ，施 8 n 玎l c d 驱动芯片的研究与设计 加寻址信号，接通y i 上所有的t f t ，成为导通状态。然后，数据线x l ，x 2 ，) ( 3 x n 的数据信号，通过t f t 加在象素电容c y 和存贮电容c c 上，并由各自的数据 信号电压充电。在t 2 期间，关断栅极总线y i 上所有的t f t 和由y l 所选择的象 素，从数据线上断电。所以，在t l 期间充电的数据信号，由象素电容器c y i 和存 贮电容器c c l 来保持。而且可储存一帧的时间。一方面，接通y 2 栅线上所有的 t f t ，数据线上的数据信号通过t f t 来供给y 2 选择的象素来形成图像，对c ，。 和c 、充电到数据信号电压，即象索电压。然后，重复进行同样的动作，完成1 帧的驱动。 这样将供给的数据信号，由寻址信号通过控制开关的t f t ，写入到象素电容 器c y 和存储电容器c s ，就成为象素电压。以此象索电压和对面公共电极上的电 压之差，使之显示图像。并且，被写- 入的数据信号，可保持到下一个寻址信号来 时为止，即下一个寻址信号把数据再写入为止，一直保持前一个数据信号，直到 再写入数据信号更新画面。所以，从液晶角度，因保持着数据信号施加的电压， 实质上液晶在一帧时间内做静态动作。图2 5 为整体的驱动波形。 张一i l l y 。爿l羽 耶立n；i 几 - ： 一一* ： 。 加 第一帧! 第二帧 奄撰写0t 数据保持 i 数搪信号 图2 5 弧叮l c d 驱动电压波形 第三章1 r i 叮l c d 驱动电路设计 9 第三章t f tl c d 驱动电路设计 栅极驱动电路也称扫描驱动电路、行控制器，它的功能是产生扫描信号，使 每一行t f r 依次接通。它主要由逻辑控制电路( 1 0 9 i cc o n 仃o l l e r ) 、移位寄存器 ( s l l i rr e g i s t e r ) 、电平移位电路( l e v e ls 1 1 i f i e r ) 和输出缓冲电路( o u t p u tb u f f e r ) 组成。 根据信号控制电路输出的时钟信号，移位寄存器进行转换工作，如果移位寄存器 内部数据为高电平，将输出电路转换成t f t 的开启( o n ) 电压；如果寄存器内部数 据是低电平，将输出电路切转换成t f t 的截止电压( o f f ) ，将o n 和0 f f 电压顺 次加到叮l c d 的栅线上。所设计的驱动芯片可以用在手机显示、n o t e b o o k 等 显示屏，还可根据象素数的不同而选择不同的工作模式，节约芯片的功耗。 3 1 多模式的栅驱动电路设计 图3 1 为一种栅驱动芯片的整体结构和时序图，内部包括：逻辑控制电路、 双向移位寄存器、电平位移电路和缓冲电路。在时钟c k v 的控制下，移位寄存 器依次产生高电平，电平位移将高电平转换成n 叮的驱动电压，经过输出缓冲加 到t f t 的栅极，逻辑控制电路根据外部的输入产生控制信号，控制整个芯片。 mg n sm s l 一1 0 1 厂nnn ， ! n 1 j 卜1 h hi 札： 7 i ； ：旧! 图3 1 耵吓一l c d 栅驱动芯片的原理图和工作时序 l o 1 1 叮l c d 驱动芯片的研究与设计 各引脚功能如下： v d d 、v e e 、v s s 、v l s 分别提供逻辑部分和驱动部分的正负电压： g n d 为地线；c k v 为行扫描( 垂直) 的时钟信号。s v i o 、s v o i 为寄存器的输 入、输出端口，当信号右移时，s v i o 是输入端口，s v o i 是输出端口；当信号左 移时，s v i o 是输出端口，s v o i 为输入端口。r 几为左右移选择信号：当刚l 为 h ，驱动输出从o g l o g l o l ；当r 几输入l ，驱动输出从o g l 0 1 o g l ；o e 为清 零端，当o e 为h 时输出都为o 。s e l 为工作模式选择信号。x a 0 为置l 信号， 当x a o 输入为l ，在第3 个时钟信号上升沿所有输出被置于h 。正常工作时， x a o 为h 。o g1t o1 0 l 为驱动电路的输出。另外，多个芯片可串联使用。 3 1 1 双向移位寄存器 移位寄存器的作用是依次产生高电平，实现栅极线依次选通。移位寄存器分 为静态移位寄存器和动态移位寄存器。如图3 2 所示，静态移位寄存器是将电平 存储在存储单元里，是一个稳定的状态；动态移位寄存器是把电荷存储在电极节 点上。静态移位寄存器由4 个反向器和4 个传输门组成；动态移位寄存器由2 个 反向器和2 个传输门组成。通常，水平扫描线频率相对低一些，用静态移位寄存 器：而数据线驱动工作频率较高，需采用动态移位寄存器。 巾1r r 厂 几厂 2 一r 几r n 厂 q 。广 厂 一。 ， 图3 2 移位寄存器电路及输出波形 图3 3 为所设计芯片中的寄存器电路，在该电路设计中没有采用传输门和反 相器构成的d 触发器来组成寄存器，而是采用交叉时钟控制的方法来实现。c l k 为时钟控制信号，s e l 为左右移控制信号进行，v i n l 为前输入信号，v i l l 2 位后 一级的输出信号。寄存器的功能和d 触发器构成的寄存器功能相似。 第三章1 1 吓l c d 驱动电路设计 图3 3 栅驱动芯片中的寄存器单元 图3 3 中v i n n 、v o u t n 和v o u t n + l 为第n 为的输入、输出和第n + 1 位的 输出。 3 1 2 逻辑控制电路 本文所设计的栅驱动芯片，是一款可多模式工作的驱动芯片，可应用到不同 屏幕，根据不同象素而选择不同的工作模式。其中逻辑控制电路是实现多模式工 作的重要核心，需要完成输出左，右移控制、输入输出端口选择、不同输出模式选 择和分段清零等功能。该设计仅仅采用v s e l i ，v s e l 2 ，v o e ，r l 四个外部信号之 间相互配合使用，即可完成上述的全部功能。 1 左右移位控制 左右移位控制电路图3 4 所示，v i n n 一1 和v i n n + 2 分别为寄存器第n 一1 位和n + 2 的输入，v o u t n l 和v o u t n + 2 分别为第n 一1 为和n + 2 位的输出。 通过s 1 一s 6 的通断实现左右移。当s 1 、s 2 和s 3 闭合，其余断开时，信号自左 向右移；当s 4 、s 5 和s 6 闭合，其余断开，则为信号自右向左移。在每位寄存器 的输出端，都接有一个信号选择电路，从而实现左右移控制。 、碱 图3 4 双向移位结构图 _ 亡 - 嚆 眭 1 2t f tl c d 驱动芯片的研究与设计 产生 im p 3 i m p 4 i r o u t n t 呈p qh 童 y i n n ii 一量” l 一言 m “2 l l 一 l 百皿 m n 4 im n 3v s s 图3 5 双向移位控制电路 图3 5 为信号选择电路，通过肌信号进行左右移位控制。当i 况为 “o ”，m p 3 、m n 3 开启，m p 4 和m n 2 关断，v o u t n 一1 经过一次反相进入 v i l l n ，输出右移；肌为“1 ”时，m p 4 和m n 2 开启，m p 3 和m n 3 关断， v o u 悄+ 1 经过一次反相进入v i d n ，输出左移。 图3 6 为2 位的双向移位寄存器的晶体管电路。输出接到下一级的电平位移 上。p a d l 3 为左右移位输入引脚，即r l 端；p a d l 5 为清零控制引脚。该部分 电路在低电压下工作。 图3 6 栅驱动芯片中的双向移位寄存器电路 2 输入输出端口控制 输入输出端的选择应配合左右移位控制。该驱动芯片有两个i o 端口，当多 个芯片串连使用时，前一颗驱动芯片的输出脉冲可作为下一个芯片的起始脉冲。 两个i ，o 端口可随着左右移位的不同而互换角色。控制电路图3 7 所示。当r l 第三章耵叩l c d 驱动电路设计1 3 为“o ”，m p 6 和m n 6 的栅分别为“1 ”和“o ”，s i o 的左端输出为高阻，s i o 作为输入点，进入到v i i l l ：v o m l 0 1 经过输入输出接口电路从s o i 输出，v i n l 0 1 端输出“1 ”，且不受s o i 的影响，还可作为其余电路的控制信号。当肌为 “1 ”时，s i o 作为输出端，s o i 为起始脉冲信号输入端。输出从v o u t l 0 1 一 v o u t l 。 y d d r ，l 3 输出模式选择 y s e l l v 3 e 1 2 图3 7 输入输出端口选择电路 图3 8 控制信号产生电路 根据外部所提供信号v s e l l 和v s e l 2 的不同组合，该芯片有四种不同的工作 模式，每种模式对应不同的输出端口。图3 8 所示，v s e l l 和v s e l 2 通过组合变 换，产生q o 、q 1 、q 2 、q 3 、q 4 和q 5 六个信号，用于输出模式选择控制。 图3 9 为自左一右输出，即s i o 为输入、s o i 为输出时，具有不同模式的整 体结构。通过各路的信号选择电路，实现不同的输出模式。从图3 9 看出有l 一 1 4 n 叮l c d 驱动芯片的研究与设计 1 0 l ，2 1 0 1 ，1 2 1 0 l 和2 9 0 四个不同模式。由v s e l l 和v s e l 2 产生的q o 、 q 1 、q 2 、q 3 、q 4 和q 5 六个信号进行控制。具体的真值表对应关系为： v s e l l o o 1 v s e l 2q oq lq 2q 3q 4q 5 模式选择 ool1 o0ll l o l 1ol 011o2 9 0 olo o lo 1 1 2 1 0 1 1101ol0l 2 1 0 1 1 1 0 l 即表示从寄存器从第l 。位到第1 0 l 位均正常工作。通过v s e l l 。和 v s e l 2 的不同组合可以进行四种不同模式的转换。 图3 9 多模式工作的栅驱动芯片的结构图 图3 1 0 所示为自左一右移位时的模式选择控制电路，图中的v i n n 和v o u t n 分别表示第n 位的输入和输出。q 0 一q 5 为图5 中的控制信号，s o i 和s 1 0 分别 表示输入输出端，当r l _ “o ”时，对应不同的v s e l l 和v s e l 2 ，具体的模式选择 为： 当v s e l l = “o ”，v 辩1 2 = “o ” s o i v i n l v o u t l v i i l 2 v o u t ll v i n l 2v o u t 9 0 v i n 9 1 v 0 u t l 0 1 s 1 0 当v s e l l = “o ”，v s e l 2 = “l ” s o i 呻v i i l 2 _ v o u t ll v i n l 2 - v o u t 9 0 _ s i o 当v s e l l = “l ”，v s e l 2 = “o ” s o i v i n l 2 _ + v o u t 9 0 _ v i n 9 l v o u t l o l - s i o 当v s e l l = “1 ，v s e l 2 = “1 s o i v i i l 2 v o u t l l v i n l 2 v o u t 9 0 v i n 9 l v o u t l o l 十s i o 当r l = “1 ”时，输出自右一左，其选择方式和上述类似。 第三章n 可l c d 驱动电路设计 1 5 图3 1 0 多模式工作控制电路 4 分段清零 大多数电路中的清零采用整体清零，在该驱动电路中，为了在不同模式工作 时，消除不必要的功耗，采用分段清零与整体清零相结合。并且清零的区域对应 于模式的选择，例如当模式选中1 2 一1 0 输出模式，则1 1 1 位被清零。其效果 是将不用的位置清零，其余的输出跳过，正常工作。分段清零功能由外部的v o e 和q o q 5 信号来进行控制。清零控制信号产生电路图7 所示： 嚣二 二护d e 3 叫。一 嚣二d 一哪 o e 3 一。 v o t 侈叶 一e s 卷二 ) 伊州o b 3 t 图3 1 1 清零信号产生电路 图3 1 1 的分段清零控制电路中，输出自左一右，0 e 1 为第1 位的清零控制； o e 2 为2 一l l 的清零控制：o e 3 为1 2 9 0 的清零控制；o e 4 为9 1 1 0 1 的清零 控制。当o e n 为“1 ”时，其控制的区域被置为“o ”。o e 3 控制对0 e 1 、0 e 2 和0 e 3 都有控制作用，为整体芯片的清零控制，类似于芯片的使能端。 清零电路设置在移位寄存器的输出端，且每个清零信号作用于不同模式时的 对应位，采用或门实现。 清零控制应该配合模式的选择，对应关系为； 1 6t f tl c d 驱动芯片的研究与设计 v s e l l v s e l 2模式选择0 e 10 e 2o e 3 0 e 4 oo1 1 0 l0ooo ol2 9 01oo1 l01 2 一l o l ll o 0 ll2 1 0 1l0oo 当o e 3 = “1 ”时，整个芯片清零。 控制电路整体结构和时序 图3 1 2 为控制电路的整体结构和工作时序，该控制电路包含了左右移位控制 和不同模式工作的控制电路，图3 中o e l 、o e 2 和o e 3 分别为第1 、2 1 l 、9 1 一1 0 1 位的清零控制端，s v i o 和s v 0 1 分别为左，右移动的脉冲输入输出端。v i n n 和v 。蚋分别为第n 位的输入和输出，图2 中有多个反相器级连使用，可替代延 时电容，起到缓冲和延时的双重作用。 现以剐l - “o ”，v a 和v b 均为“o ”，即1 一1 0 1 右移模式的工作过程： 由图3 1 1 有，0 e l 、0 e 2 和o e 3 均输出为“0 ”，各段均正常工作。起始信 号由s v i o 输入至v j n l ，v o u t l 经过信号选择电路进入v i l l 2 ，v o u c i l 经过选择电路进 入v 2 ，从第1 2 位到第1 0 1 位，寄存器依次输出为“1 ”，并且在v 。t 9 0 和 v 。1 0 l 进行一次选择，由于是1 1 0 1 模式，这里选择v 。u l l o i ，最终v o u i l o l 通过输 出接口电路从s v 0 i 输出。当r l = “1 ”时，原理相似。图3 1 3 为整体时序图，可 看出在不同模式下的输出情况。图3 1 4 为控制电路的整体晶体管电路。 图3 1 2 控制电路的整体结构 第三章t f tl c d 驱动电路设计 m 厂 厂一 v s e l 2 二一 ： ： r ，l 兰一卜0 一 恤 ； ：一_ j 巴 o “一： ： 嗽厂1：i o e 3 0 e 4 几 ：r 11 n ； i v o 几 ： 几厂： ： 五。 几 i 几 ! 几 ： ! m z 几一一i 一0 j l 二_ n 一 v 。b o 几 i 几几 ； 几 ： 1 i r o | 埘 几；r ： ! i 几； 网3 1 3 方模式工作的栅驱动芯片的整体工作时序 图3 1 4 多模式工作的栅驱动芯片的控制电路 1 8 n 叮l c d 驱动芯片的研究与设计 3 1 3 电平位移电路 前级移位寄存器的输出数据，在时序上可以实现依次导通t f t l c d 屏上相 应行。但是双向移位寄存器和输出使能控制电路都是在逻辑电压下工作的，也就 是说输出使能控制电路输出的移位数据的高、低电平分别为v d d 和v s s ，不满 足驱动t f t 栅驱动动所需的电平v g h 和v g l 。因此，我们就要在输出使能控制 电路后再加入电平移动电路，将电平v d d = 5 v 转变为v g h = 4 0 v ( 设计中 v s s = v g l = o ，不需要变化) 。之所以在双向移位寄存器和输出使能控制电路中 没有以电平v g h 和v h l 作为工作电压，是为了减小电路的功耗，另外高工作电 压对电路中器件的要求也很高，会增加制作工艺的难度。 电平位移电路的设计主要与电平转换级和高压驱动级的设计有关，其结构包 括前级低压驱动级、高低压电平转换级和高压输出级逐级驱动，最终达到低压电 路信号控制高压输出的功能。其结构框图如图3 ，1 5 所示。 图3 1 5 电平位移电路原理图 1 级联电压产生逻辑( c v s l ，c a s c o d ev o l t a g es 、i t c hl o g i c ) 电平移动电路中使用的c v s l 。图3 1 6 中给出了c v s l 的基本形式，它由执 行逻辑操作的共源差分对开关模块( n m o s 晶体管组成) 和一对交叉耦合的 p m o s 负载管组成。 图3 1 6c v s l 的基本形式 骂 一 冈剖一 些 n 倒 第三章n 叮l c d 驱动电路设计 1 9 c v s l 是差分型逻辑，要求由原变量和反变量的输入信号送到门的不同栅极 上，通过两个p m o s 管栅源之间的交叉耦合作用，将整个电路置成闩锁器，即输 出节点q 和q 之间的电位互补，并可以保持输出信号。加到p m o s 管的正反馈 导致了门的开关动作：当输入信号变化时，节点q 和q 中的一个上升到高电平， 另一个下降到低电平，输出高电平一侧的p m o s 线性导通，输出低电平一侧的 p m o s 截止。这样，由电源到地串联的p m o s 和n m o s 逻辑块中总有一个处于 关断状态，因此稳定状态时整个电路中没有直流通路，仅仅有m o s 晶体管的漏 电流流过，所以电路没有静态功耗，可以达到最大的逻辑摆幅，保持了传统静态 c m o s 电路的优点。c v s l 是以两个p m o s 管作为电路负载，省去了传统的 c m o s 电路中堆叠的互补p m o s 块，从而极大的减小了输入电容，还有利于提高 电路的速度。由级联电压产生逻辑实现的电平位移电路如图3 1 7 所示： 图3 1 7 电平转换级电路 2 高压输出级 根据输出管的形式不同，高低压驱动级有双高压n 管驱动级、p 管n 管互补 输出级，本文采用互补输出，其结构如图3 1 8 所示，当i n l 为“l ”时，h 1 2 为 “1 ”，此时p 管截至，n 管导通，输出为“o ”；当i i l l 为“o ”时，1 1 1 2 为 “0 ”，此时p 管导通，n 管截至，输出为“l ”。 l v d d h 趟当 m 打 l j 监j 吝 m 3 0 r ：坠， 图3 ，1 8 互补输出级电路 2 0 n 叮u c d 驱动芯片的研究与设计 图3 1 9 为整体的电平转移电路，输入信号经过前级的低压驱动，成为满足驱 动能力、时序和相位要求的高压驱动信号。h v p l 和h v n l 构成了高压互补输出 级，h v p 2 、h v p 3 、h v n 2 、 i v n 3 构成高低电平接口电路。v c c h = 4 0 v ，当v i n 为h 时，h v n 3 导通，h v n lh v n 2 截止，导致h v p l 、h v p 2 导通，m ，p 3 截 止，所以高电压将通过h v p l 在v o u t 端输出( 约为v c c h ) 。当v i n 为l 时， h v n l ，h v n 2 导通，h v n 3 截止；致使h v p 3 导通，h v p l 、h v p 2 截止，输出 端v o u t 通过h v n l 放电至低电平( 约为o ) 。 v d d h 图3 ，1 9 电平位移电路 图3 2 0 为该芯片中的电平位移电路，v i i l l 和v i