（微电子学与固体电子学专业论文）等离子显示器（pdp）扫描驱动芯片的设计.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文 摘要 功率集成电路是当今国际上迅速发展起来的一种新颖的集成电路产品， 它是 电力电子技术与微电子技术相结合的产物。作为功率集成电路的一个重要分支， 高压集成电 路( h v i c ) 是将高 压器件和低压控制电 路集成在同 一芯片上的集成电 路，高压集成电路是在高压器件、高压i c工艺以及设计技术的基础上发展起来 的。 它被广泛应用于包括智能开关电 源、 整流电 路、 马达控制、 显示驱动等多个 领域。 本项目 从等离子体显示器扫描电极电 路的工作原理出发， 在剖析s t公司的 扫描驱动芯片s t v 7 6 9 7 a的 基础上， 设计p d p 显示器所需的扫描高压驱动芯片。 本文对 p d p的工作原理和系统结构作了详细的 介绍和分析，反向 提取了扫 描驱动芯片 s t v 7 6 9 7 a的线路图， 对扫描芯片中的电路结构和工作原理作了分 析并在计算机上对数字部分的电路进行了模拟仿真。 仿真的结果验证了电路的功 能。 随后根据制定的设计规则完成了 数字部分的全定制版图设计， 并对版图进行 了d r c , l v s 以 及后仿真验证。 数字部分 在上 海i c c 进行了 流片， 流片后的芯 片经测试功能达到了芯片的设计和使用要求。 在电路的设计中， 使用的是c a d e n c e 中的一系列的c a d工具。文中还分析了 高压器件的结构，并在考虑到高、低压 器件在工艺上兼容性的基础上设计了工艺流程， 定量计算了为实现高压驱动所需 的工艺参数值。 本设计数字部分目 前采用的 是无锡华晶 上华半导体有限 公司的 。 .6 i m 双阱 ( t w i n w e l l ) 、 双多晶 硅( d o u b l e p o l y ) 、 双 金属 ( d o u b l e m e t 哟的 5 伏 标准 c m o s 工艺。 接下来的工作是， 在高压工艺成熟后把高压部分与控制部分进行集成并进行第二 次流片。 浙江大学硕士研究生毕业论文 ab s t r a c t p o w e r i c , w h i c h i s a c o m p o s i t e r e s u l t o f p o w e r e l e c t r o n i c s a n d m i c r o e l e c t r o n i c s , i s d e v e l o p i n g r a p i d l y i n g l o b a l r a n g e . a s a n i m p o r t a n t p a r t o f p o w e r i c , h i g h - v o lt a g e ( h v ) i c i n t e g r a t s h v c o m p o n e n t s a n d l o w v o l t a g e c o n t r o l c i r c u i t s o n o n e c h i p . a n d i t i s b a s e d o n t h e t e c h n o l o g y o f h i g h v o l t a g e c o m p o n e n t s , h i g h v o l t a g e s e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r e p r o c e s s , a n d c o r r e s p o n d in g d e s i g n m e t h o d s . t h e a p p l i c a t i o n i s e x c l u s i v e , i n c lu d in g s m a r t s w it c h p o w e r , r e g u l a t i o n c i r c u i t s , m o t o r - c o n t r o l c i r c u i t s , d i s p l a y - d r i v in g a n d s o o n . t h i s p r o j e c t i s t o d e s i g n a p d p h i g h v o l t a g e d r i v i n g c h i p , r e f e r r i n g t o i c s t v 7 6 9 7 8 a w h i c h i s a p r o d u c t o f s t c o m p a n y . t h i s d i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e s t h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e a n d s y s t e m o r g a n i z a t i o n o f p d p , e x t r a c t s t h e s c a n n in g d r i v e r s c i r c u i t s a n d a n a ly s e s t h e c ir c u it t o p o l o g y a n d f u n c t i o n . a ft e r c o m p l e t i n g t h e d i g it a l p a r t , m a n y o t h e r a s p e c t s w as a l s o s h o w n , in c l u d i n g t h e s t r u c t u r e s o f h v c o m p o n e n t s , t h e p r o c e s s t h a t c a n c o m p a c t h i g h - v o l t a g e a n d l o w - v o l t a g e d e v i c e s o n o n e c h i p . d u r i n g t h e d e s i g n , c a d e n c e c a d t o o l s a r e u s e d t h r o u g h o u t t h e p r o j e c t . t h e t a p e o u t o f d i g i t a l c o n t r o l m o d u l e o f t h e c h i p i s v e ry s u c c e s s f u l , b y 0 .6 u m t w i n - w e l l , d o u b l e - p o ly , d o u b l e - m e t a l , 5 v s t a n d a r d c mo s p r o c e s s . t h r o u g h t e s t , a l l t h e f u n c t i o n s w o r k w e l l . w e a r e t o t a p e o u t t h e w h o l e c h i p a s l o n g a s h v p r o c e s s i s r e a d y . 浙江大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 . 1等离子平板显示器 ( p d p )简介 等离子体平板显示屏 ( p l a s m a d i s p l a y p a n e l简称 p d p )是继阴极射线管 ( c r t ) 和液晶屏 ( l c d ) 之后的一种新颖直视式图像显示器件。 等离子体显示器 以出众的图像效果、 独特的数字信号直接驱动方式而成为优秀的视频显示设各和 高清晰的电 脑显示器，它将是高清晰度数字电 视的最佳显示屏幕。 等离子平板显示器作为显示器中的新贵， 与其它的显示器相比， 具有更高的 技术优势。主要表现在以下几个方面: 1 ) 与直视型显像管彩电相比，p d p 显示器的体积更小、重量更轻，而且无x 射线辐射。 另外， 由于p d p 各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现显像管 常见的图像几何畸变。 p d p 屏幕亮度非常均匀没有亮区和暗区， 不像显像管 的亮度屏幕中心比四周亮度要高一些， 而且，p d p 不会受磁场的影响，具有 更好的环境适应能力。 p d p 屏幕也不存在聚焦的问题，因 此， 完全消除了 显像管 某些区域聚焦不良或年月己久开始散焦的顽症;不会产生显象管的色彩漂移现 象， 而表面平直也使大屏幕边角处的失真和色纯度变化得到彻底改善。 同时， 其 高亮度、 大视角、 全彩色和高对比 度， 意味着p d p 图像更加清晰， 色彩更加鲜艳， 感受更加舒适，效果更加理想，令传统电视叹为观止。 2 ) 与l c d 液晶 显示屏相比，p d p 显示有亮度高、 色彩还原性好、 灰度丰富、 对迅速变化的画面响应速度快等优点。由于屏幕亮度高达 1 5 0 l u x ，因此可以 在 明亮的环境下，让人心情愉快地欣赏大画面的视讯节目。另外，p d p 视野开阔， 能提供格外亮丽、 均匀平滑的画面和前所未有更大观赏角度。 p d p 的视角高达1 6 0 度，普通电视机在大于 1 6 0度的地方观看时画面己 严重失真，液晶显示屏只有 4 0度的视角，必须通过广视角技术来达到视角的达到电视视角的要求。此外， p d p 平而薄的外型使其优势更加明 显， 特别适合公共信息显示、 壁挂式大屏幕电 视和自 动监视系统。 3 ) 由 于p d p 显示器很容易与大规模集成电 路联合 “ 行动”、匹配 “ 作战”， 所以它能以轻装上阵。 体内零部件任凭拆卸， 工艺方便易行， 结构更加简单， 很 适合现代化大批量生产。 同时也因此能够大幅度减少机子的体积和重量， 效果十 分理想。 浙江大学硕士研究生毕业论文 当 然， 尽管等离子与其它显示器相比， 具有以上的优点， 但是，由于等离子 显示器设计上的独特性，这也使得它不可避免具有一些缺点: 价格较高:在早期，p d p 显示器价格相对昂贵，所以首先将用于商业场合， 诸如金融、 股票及证券市场的信息显示、 飞机场、 火车站、 展会现场、 广告宣传 屏幕、 公共场所的安全监视系统、 高档大型会议室、 酒店大堂、 美术馆以及博物 馆等场合， 以及道路监视系统、汽车安装、大型商场展示，房地产公司、证券公 司、 空管局等。 然后，待大批量生产降低价格后， 才能逐步进入家庭。 屏幕较脆弱: 由 于等离子显示为大屏幕平面设计， 面且显示屏上的玻璃较薄， 所以它的表面不能承受意外的重压。 耗电 量较大: p d p 显示屏的每一颗像素都是独立地自 行发光，相比于显象管 电视机使用一支电子枪而言， 耗电量要高一些。 一般等离子显示器的耗电量高于 3 0 0瓦。 由上所述，与传统显示器相比，p d p在性能上的优势是毋庸置疑的，在 4 0 英寸以 上尺寸范围内可以 说具有很大的 优势， 但目 前面临的最大问题是整机价格 居高 不下， 所以 必须尽快降 低生 产成本，为 进入家庭扫清道路。 d i s p l a y s e a r c h 公司预测2 0 0 1 年到2 0 0 5 年每年降低2 6 % 成本，与此相适应， 每年的销量将以 一倍的速度增长。 1 . 2 p d p 等离子显示器的发展历程及现状 1 9 6 4 年美国 伊利诺斯大学教授d . l . b i t z e r 和h . g . s l o t t o w 发明单色交流等 离子体显示板 ( p d p ) 。由 于显示效果不好， 1 9 6 8 年p h i l i p s 又发明了d c p d p ， 由 于显示效果不好，一直未能用于商业化。 1 9 9 3 年， 日 本富士通公司研制的2 1 英寸p d p 显示器正式上市，1 9 9 4 年美国 纽约证券交易所使用了1 2 0 0 台富士通p d p 监视器，这件事被看成是p d p 商品化 道路上的里程碑。 近年来，彩色p d p ( c - p d p ) 技术不断取得进步，采用c - p d p 的大型壁挂式电视、h d t v 和适用于多媒体显示的大型显示设备都已接近完成。 1 9 9 5 年以 来世界各大厂商相继建线投产各种类型的c - p d p 。 这些成绩的 取得， 不 仅仅归功于c - p d p 显示屏本身的开发成功及生产技术的建立， 更重要的应当归功 于驱动集成电路技术的发展。 对于一个性能良 好的p d p 彩色电 视来说， 其高压集 成电 路有着至关重要的作用。因此， p d p 生产厂家在不断提高显示器性能的同时 浙江大学硕士研究生毕业论文 也在不断的改进高压驱动电 路的驱动方式和驱动性能。 这使得彩色p d p 的亮度越 来 越高， 寿命 越来 越长，同 时 价格也 变得 越来 越 低。图1 . 1 w 反映了p d p 技术 发 展的历程。 l ! . ! i 】 - 卫. 洛 的 日 曰 卜 比 l i f e a 组 1 _ _ _1 一日v几月日j .口月. 户州 . . . - ) 幽形尸 】 ， .- 1 11 . 川 - lu mi n o u s u fl c i . -. 山 一1 1!门 l口! 均 日l . 。 1n a n c ，州 尸才一 陈奋孤娜卜 -归， . . . 自 口 润 ， . 目 .j，- vi夕 .州卜ii 一 一 t r ro s n fi_ s u r fa c e - d ps c lw r “!一 介已 n 吕 功如 日 拓nr 创抽 c 目 e n 妞姗 xe肠 s + 而 图1 . 1 p d p 的技术发展曲线图 1 . 2 . 1彩色p d p 的国内 外发展现状 在国外，日 美公司在p d p 技术方面的研究处于世界领先水平。1 9 9 6 年1 0 月 起，富士通、 n e c 、 松下、 先锋等厂家的4 2 英寸及其更大尺寸的c - p d p 显示器相 继投放市场，清晰度和亮度逐步提高，而价格逐步降低。 2 0 0 2 年，日 本的p d p 生产厂家己 经开发出了用于6 1 英寸显示器的高压驱动集成电路并实 现了提高亮 度、降 低功耗的 功能。 但是近年来韩国 大有赶超的 趋势， 2 0 0 4 年1 月6 日 ， 三 星s d i 宣布开发出世界最大画面8 0 英寸f u l l h d 级p d p . 2 0 0 3 年6 月三星s d i 开发7 0 英寸p d p 产品， 7 月， l g 电 子发表了当时全球尺寸最大的7 1 英寸等离子 电视，1 0 月，l g 电子公司展出像素数为1 9 2 0 * 1 0 8 0 ，完全支持高清晰度标准， 尺寸为7 6 英寸高清等离子电 视机。 等离子的尺寸纪录不断被刷新。 最近， 三星s d i 成功地开发出了8 0 英寸的彩色p d p 显示器。此款8 0 英寸 的p d p 厚度仅为8 9 m m ， 并且具备全球最高 1 9 2 0 x 1 0 8 0 f u l l h d 级解析度、 1 0 0 0 c d / m ， 的高 亮度和2 0 0 0 : 1 的对比 度， 具体尺寸为1 7 6 6 * 1 1 2 8 毫米。 应用的技术有超 浙江大学硕士研究生毕业论文 大型光罩( s c r e e n m a s k ) 、o n e - s t e p . r e s t o r e p u l s e 技术、超高速a d d r e s s i n g 技术、 r a ( r e p e a t e d a u t o - q u e n c h i n g ) 驱动技术等p d p 技术。该产品的成功开发 也证实了 三星s d i 不仅在量产能力， 而且在产品开发能力方面也具有最高水平。 表 1 . 1 是各公司主流产品的研发成果。 表 1 . 1各公司上市的主流产品对比( 显示比例 1 6 : 9 ) 公司 尺寸 ( i n c h ) 解析度象素间( m m ) 亮度 c dl m2 对比度灰度 n e c6 11 3 6 5 * 7 6 8 0 . 9 9 * 0 . 9 91 5 0 0 : 12 5 6 p a n a s o n i c5 01 3 6 6 * 7 6 80 . 8 1 * 0 . 8 15 0 03 0 0 0 : 1 2 5 6 l g6 01 3 6 6 * 7 6 81 0 0 0 1 0 0 0 : 12 5 6 s o n y 5 01 3 6 5 * 7 6 8 0 . 9 0 * 0 5 1标准标准2 5 6 s a m s u n g 5 01 3 6 6 * 7 6 80 . 8 1 * 0 . 8 1 8 0 09 0 0: 1 2 5 6 p i o n e e r5 01 2 8 0 * 7 6 80 . 8 5 8 * 0 . 8 0 8 1 0 0 01 1 0 0: 1 2 5 6 n e o d i g m 8 41 7 0 6 * 9 6 0 0 . 3 6 * 1 . 0 86 0 02 5 0 0 : 1 2 5 6 hi t achi5 5 1 3 6 6 * 7 6 80 . 9 0 * 0 . 9 01 0 0 09 0 0 : 1 2 5 6 在国内， 西安电子科大完成了2 1 英寸彩色p d p 显示器存储控制电路和高压 驱动电路的研制， 这一成果为更大屏幕显示器用集成电路的开发打下了基础。 现 在，西电，东南大学等高校正在从事4 2 英寸c - p d p 驱动电路的研究开发。 面对大屏幕彩色p d p 的巨大潜在市场， 国内一些大型企业如上广电集团、 真 空电子、 彩虹集团、 深圳塞格集团、 深圳科技工业团总公司、 春兰集团等都正在 计划进入c - p d p 显示器产业的发展行列并计划使其核心技术国产化。 但目 前国内 大屏幕彩色等离子显示器( 包括显示器及配套的控制和高压驱动集成电路) 作为 整个部件都依赖进口。 1 . 3本课题的研究对象及意义 目前， 虽然部分等离子彩电的价格大幅度下跌， 吸引了众多的消费者。 但据 经销商反应， 实际上销售量没有明显增加。 这说明目 前市场上的高端电视机的价 格还不为普通消费者所接受， 很大一部分消费者持币观望。 由于p d p 彩电产品的 生产规模和核心技术大部分被跨国公司，如松下、三星、东芝、l g 等日 韩厂商 所掌握，我国企业没有核心技术而导致生产规模受到限制，无法降低生产成本。 4 浙江大学硕士研究生毕业论文 所以p d p 产品要扩大市场份额， 重点在于其产品的价格是否能向消费者所能接受 的价格水平靠拢， 是争取市场的主要因素。 研制p d p 扫描电极驱动芯片， 主要是 基于以下几个方面来考虑的: 1 作为p d p 中的主要组成部分，显示屏和驱动电路的成本基本上各占三分 之一， 对显示屏而言， 可以通过提高制作工艺来降低成本， 对驱动电路则需要通 过减小电路体积和复杂度来降低成本 由于p d p 的显示驱动方式与传统显示器的 方式完全不同， 再加之其屏幕尺寸的增加和分辨率的提高， 屏幕像素数量急剧增 加， 驱动和控制电路的规模和复杂度急剧增加， 使得电路的集成化成为必由 之路。 2 . p d p 驱动芯片需要实 现将低压的 逻辑控制电 平转换为高 压的驱动电 平。 因此该芯片涉及到功率集成技术和高压集成技术， 对工艺的要求和电 路的设计水 平具有很高的要求。在高压部分，电路工作的电压高达1 8 0 v .随着p d p 尺寸的 增大和分辩率的不断提高，电路的规模也越来越大，也越来越复杂。 3 .目 前，国外商品化p d p 显示器电路系统中的高压驱动电路都是各公司自 主开发的专用集成电路， 在今后相当一段时间内 对我国禁运， 即使部分器件可以 通过某种渠道购得， 价格也相当昂贵， 这抑制了国产p d p 价格的下降， 从而为我 国p p d 的国 产化带来了极大的障碍。 为此， 研制具有我国自 主知识产权的p d p 扫描驱动集成电路十分必要， 该芯 片除了数模混合高集成度的特点外， 更涉及到兼容耐高压的技术难题， 因此也是 研究的热点之一。 1 . 4高压集成电路的设计 p d p 扫描驱动芯片是一块耐高压的驱动芯片， 属于高压集成电路的范畴。高 压集成电 路( h v 工 c ) 和智能功率集成电 路( s m a r t p 工 c ) 是功率集成电路( p o w e r 工 c ) 的重要分支。 高压集成电路是将高压器件和低压控制电路集成在同一芯片上的集 成电路。高压集成电路的出现， 使功率电路得到简化， 在重量、 价格、体积等方 面都大大减小。 它的应用范围很广， 可以应用到宇航、 工业和日 用消费品各个领 域，如电信、遥控、显示驱动、以及汽车等等。而高压集成电路的研究与发展， 归功于高压器件、高压集成电 路工艺以 及设计技术的发展。 1 . 4 . 1 功率集成技术的介绍 近些来集成电路的技术进步日 新月异， 一方面，自2 0 世纪7 0 年代以来， 它 浙江大学硕士研究生毕业论文 一直遵循摩尔定律，即每两年集成度增加4 倍， 成本降低一半， 集成电路的特征 尺寸将继续遵循摩尔定律进一步缩小。另一方面，随功率集成技术的迅速发展， 集成电路己出现了一个新的分支: 功率集成电路( p o w e r i c ) 。 它使芯片的输出成 为直接接到负载的 “ 功率接口”( p o w e r工 n t e r f a c e ) 。所谓功率集成技术包括隔 离技术、 结终端技术、 工艺兼容技术、 逻辑电路和驱动电路技术， 这些技术是各 种集成电路或功率器件的基础技术。当前， p o w e r i c不仅作为接口，还可以直 接用于许多方面，如电源、汽车电子等，因而有广泛的产品市场。 目 前， 功率集成技术主要应用于功率管理类集成电路， 其结构一般包括三个 单元。 第一个单元为驱动单元， 分为功率器件和驱动电路两部分， 功率器件多采 用m o s f e t 高输入阻抗功率器件。第二单元为传感器与保护电路，分为检测电 路 和模拟电路两部分， 模拟电路能对异常情况( 如过热、 过流、 过压和欠压) 作出迅 速反应。 由于短路时的d i l d t 非常高， 这种电路一般由响应速度快的双极型晶体 管构成。 第三个单元称为控制接口单元， 由 逻辑电路编码和译码对中央微处理器 的指令作出反应，并将功率集成电路及其负载信息反馈给控制器。 功率集成电路按其制作工艺及应用范围的不同可分为二种: 一种称为智能功 率集成电路( s m a r t p o w e r i c ) 简称s p i c ， 另一种称为高压功率集成电路称h v i c , 通常s p 工 c 是指一个 或几个共漏或共集电 路)具有纵型结构的功率器件与控制 和保护电路的集成，电流容量大， 常用于电 压调节器、 开关电源、电机驱动等制 品。而h v i c由 多个高压器件与低压模拟或逻辑电路集成在单片上，其功率器件 是横向的，处理电流能力较低。h v i c常用于平板显示、电话交换机用户电路等 需要电压较高的地方。 对于高压集成电路芯片， 要使其产品质量可靠、 性能优异。 关键是如何实现 兼容工艺 高压 b c d ( b i p o l a r - c m o s - d m o s ) 工艺集成技术，其重点就在于如何 将耐高压的功率m o s 器件与低压的b i c m o s电 路的工艺很好地兼容起来，在材料 的选择、 杂质浓度的调整、 结深的控制、 杂质分布的确定等方面如何互相兼顾和 优化，以 及对高压功率器件的结构如何进行相应的调整等等。 当然功率器件的设 计也是在功率集成技术中不容忽视的: 必须采用器件电 极都在表面的结构， 还必 须通过各种结终端技术或 r e s u r f 技术加以减轻电场集中效应。而且设计高压集 成电路除了要考虑需耐压数百甚至上千伏功率器件的特殊性之外， 另一方面还要 浙江大学硕士研究生毕业论文 考虑高电 压的功率器件和低电 压的 集成电路器件之间的隔离问 题。 要使用适宜的 隔离方法保证与集成电路工艺的兼容，才能使得功率集成电路成本下降。 1 . 4 . 2 高压 i c 设计的考虑 与低压 i c设计相比， 高压 i c在设计时应仔细考虑版图寄生参数、 瞬态、 大 电 流、 热 梯 度 和噪 声 等因 素 2 1 寄生参数当两条信号线交叉时， 通常会出 现杂散的漏电流。 这种漏电流产 生的原因是由于交叉引起信号线和衬底之间的寄生电容。 尽管这一电 容很小， 但 当高频信号通过芯片时漏电流会变大。对于高压 i c ，如果存在比较大的电 压摆 动，这些寄生电容会大大降低i c的工作频率。 终端结构当耐压大于1 0 0 伏时， 就必须考虑加终端结构， 以降低电场的分 布不均， 减弱表面电场， 最终使击电压提高到所需的数值。 终端结构与元胞应具 有良 好的对称性，防止局部电场集中而使击穿电 压降低。 瞬态设计高压i c时， 应充分考虑高压脉冲信号和长时间加电 这两种情况。 对大电流， 必须特别注意其通路的布线。 尽管铝一硅合金的电阻率很低， 但当电 流密度很大时， 在大电流布线上产生的压降同样很大。 在敏感元件的输入通道中， 这一电压降往往会引起不希望的失调电压。 加宽大电流引线， 大电流效应可以得 到减弱， 但不能完全消除， 尤其是如果键合电阻很大时，更不能忽略。当然大电 流引线也不能太宽， 这是因为大面积的铝金属引线反射面积大， 会给光刻带来误 差; 而且大面积的金属容易剥落， 一般采用的防止方法是: 在大面积金属上刻上 一些开孔。 以上是通过优化版图设计来减小失调电压， 当然还可以通过线路上的 设计来减少引线寄生电阻上产生的失调电压， 其具体方法就是尽量使用电流模式 在电路各部分间传递信号和偏置。 热梯度 发热会引 起v y 。 的 变化， 破坏电 流 镜或带隙 基准源的 平衡。 通常将 所有功耗较大的元件放在芯片的 一 边， 而将热敏 元件( 例如差分对， 带隙基准源) 放在芯片的另一边。 设计时， 匹配的晶体管对离开热源的距离应该相等， 或者放 在平衡了热梯度的方向 上。 有时， 在热敏元件的设计上有必要采用一些补偿技术。 发热元件的设计也要考虑热对称性和热均匀性。 噪声在设计数字和模拟电路的接口时， 应避免从高压线或传输线注入噪 声。 当设计的版图不仅含有高压器件还含有低压模拟和数字控制电路时， 输出和 未反向的放大器输入端不应放在靠近键合点的位置，以减少正反馈。同时， 低噪 浙江大学硕士研究生毕业论文 声、 高增益的输入端也应该远离键合点，以减少噪声注入。 地和电源键合点应该 分得开一些。 隔离技术与工艺的考虑采用结隔离技术制作 h v i c ，将会占 用较大的芯 片面积， 而且会影响低压控制电 路的性能。 若采用介质隔离技术制作h v i c ，则 可节省芯片面积，提高耐压，但工艺复杂，成本较高。还有一种准介质隔离 ( q u a s i - d i e l e c t r i c i s o l a t i o n ) 工艺， 简称q d i z艺。 该i艺综合了 结 隔离 和介 质 隔离工艺的优点， 可以在控制电路和功率器件区块方便地采用不同厚度和电阻率 的外延层，使芯片具有较高的集成度。 1 . 4 . 3 高压集成电路设计手段 随着a s i c技术的发展， 半定制高压集成电路成为可能。己出现多种高压单 元 库 或 阵 列( 表1 .2 ) ,i 用 这 些 单 元 或 阵 列 可以 完 成 多 种功 能 的 高 压 集 成电 路 。 表1 .2高压单元库和阵列 公司 名称 产品 ( 工艺 )单元 n p n 管 f t ( mh z ) n m o s(h, ) 1 / o p a d 数目 最小 b v c a o ( v ) 温 度 范围 ( . c ) 齐 瑞 半 导 体 ge n e s i s 8 0 0 0 ( 双 极)可编程带隙基准 / 2 3 5 0 / 数 据 线性 s p i 1 0 4系列 宏单元( 双极， 介质隔离) 带隙基准 2 m a ) ， 运放 ( 3 0 mi -i z 7 2 d b , 5 ma ; 8 0 mh 2 , 1 1 0 d b , 2 0 m a ) , 比较器 ( 2 5 n , 0 .4 m a )/ / 2 43 5 -55-+ 125 集 成 电 路 系统 3 - u m d l硅栅 c mos 运放， r - 2 r网络入 d d / a ，比较器，带隙基 准， 平衡调制器， 功率 驱动器， 开关，电 流源 / / 3 5 -5 5-+ 125 麦 克 瑞尔 mp d 8 0 2 0 ( c mos / d mo s / 双极) 1 6 个 1 0 0 v的2 0 0 m a d mo s ; 1 2 个t t l / c mo s u o 缓冲器 1 6 个逻辑预驱 动器 3 个增益单元 单元增益缓冲器 带隙基准源 高 厂 低压电流镜 / / 7 8t o o 民 用 标准j 军 用 标准 多 数功率集成电 路( 包括高 压集成电 路) 都要求专门 设计， 并且要求设计误差 浙江大学硕士研究生毕业论文 尽可能小。良 好的h v i c设计工具除了具 备系统级模拟、 模块级模拟、 单元级模 拟和晶体管级模拟等功能以外， 还应包括标准单元库和高压器件的自 动按比 例缩 小功能， 并能进行布局布线。 菲利浦公司的一个专用功率集成电路的设计工具如 图1 .2 所 示 z 1 版图验证 ( d r a c u l a) 图1 .2一个专用功率i c设计工具 浙江大学硕士研究生毕业论文 第二章 p d p 的工作原理 等离子体显示器技术是利用氦、 氖、 氨等混合气体在密闭空间加压放电产生 等离子体生成紫外线使荧光屏成像的技术。 以 两块玻璃作基板， 相隔一定间距 四周经气密性封接形成放电空间。 放电空间内充入氦、 氖、 氛混合气体作工作介 质。 在两块玻璃基板的内侧面上置有金属氧化物导电薄膜作激励电极。 当电 极上 加上电 压， 放电空间内的工作媒质一氦、氖、氦混合气体便发生等离子体放电现 象。气体等离子体放电产生紫外线， 紫外线激发荧光屏， 荧光屏发射出可见光， 显 现出图像。当使用涂有三原色 ( 也称三基色)荧光粉的荧光屏时， 紫外线激发荧 光屏， 荧光屏发出的光则呈红、 绿、 蓝三原色， 实现彩色显示。 一套p d p 系统由 两 部分组成:等离子体显示屏和电路系统，它们是紧密不可分割的一个整体。 本章以三电极表面放电型a c - p d p 为例， 介绍a c - p d p 的结构和基本工作原理 以及在a d s( 寻址扫描分离) 驱动方式下的灰度显示原理等。在此基础上并简单 介绍彩色a c - p d p 的显示电路系统的总体结构及工作过程。 2 . 1彩色p d p 的分类 彩 色p d p 根据其结构和工作方式的 不同， 主要可分为电 极覆盖有介质的 交流 型( a c - p d p ) 和电极暴露于放电空间的直流型 d c - p d p ) 两大类， 如图2 . 1 所示i ， 使p m o s 管t 3 截 止， n m o s 管t 6 导通， t 6 管工作于源极输出状态， 于是 t 5 管的 源极电 位为玲 5 二 屹 。 一 珠 ， 味 是n m o s 的开 启电 压。 2 ) 当 输入电 压v i 逐渐升高 到v i 珠 后， t 4管导通，但 由于此时 t 5管的源极电位 v s i v d d - v tn ， 所以 ， 即 使v i 升 高 到.l2 v ,) ， 但由 于 广燕烈一。一、 图4 . 7 c mo s施密特触发器 此时 t 5管的栅源电 压仍小于它的开启电 压， 故仍处于截止状态。若输入的电 压 v i 继续升高， 使p mo s 管t 1 和t 2 的栅源电压减少， 而使t 1 , t 2 管趋向截止， t 1 , t 2 管 的内 阻 就 急 剧 增 大， 致 使v 。 和v s 5 开 始下降 ， 当u 一 k 。 喻时， t 5 管就转向导通，并发生如下的正反馈反应过程: 酥 娜吃 娜与仁际( 珊导 通 电 阻 ) 上 使t 5 迅速的导通，并进入可变电阻区。与此同时，随着v o 的下降，t 3 开始转 向导通，促使t 1 和t 2 管截止， v o 就变为低电平。由上述分析可知，在电源电 压 v d d v t n + iv 训的条件下，输入电 压 v i 上升时，电路的上限闹值电平 v t (+ ) 1 / 2 v d d .而 且v t (+ ) 随v d d 的 加 大 而 升高 。 3 ) 同 理， 在v d d v t n + i v t p i的 条 件 下， 输 入电 压v i 下降 时 电 路 的 下限 阐 值电 平v t (-) ， ;/ f i r 叨日公必 6日1日 0_ 00 1 叼颐n 2 :0必 门 t r in e( ，) 3 公0n 图4 . 1 2移位信号为低电 平时仿真曲 线 s o u t 端的逻辑电 路图 如图4 . 1 3 所示11 6 1 ， 它的电 路结构就是图4 . 1 0 中电阻 左边的电路，只是在逻辑图中省去了二极管连接的起 e s d保护作用的双极型晶 体管。 浙江大学硕士研究生毕业论文 目 用 从 芯 片 对于 s i n 门就可以了 图4 . 1 3 s o u t 端口电路的逻辑图 端口电路， 如上所述， 只需在f r( 移位控制信号) 端加上一个反 它的逻辑电路图如图4 . 1 4 所示: 图4 . 1 4 s i n端口电 路的 逻辑图 4 ) 功率输出 管脚 若输出管脚所接的有源区面积较大，其有源区自 身就能够吸收掉e s d的能 量，则不需要 e s d保护结构 ( c f ) 。而如果所接的有源区面积较小，则可以接 上一级的e s d保护。 4 . 2 . 2 . 2 移位寄存器 在p d p 扫描驱动芯片中， 移位寄存器的作用是将串 行输入的信号转变为并行 的输出信号。移位寄存器由 大量的门电路组成，而基本单元是由c m o s d 触发器 构成的。先介绍移位寄存器的基本组成单元d 触发器。 1 ) c m o s d 触发器 图4 . 1 5带移位选择的c mo s d触发器 浙江大学硕士研究生毕业论文 从图中可以看出，电路分为两部分: 主从触发器( a点右边电路) 和输入控制 电路 ( a 点左边电路) 。输入控制电路用来实现移位选择，它由两个传输门组成。 移位信号f i r 通过控制两个门来控制d 触发器的输入信号是s i n 还是s o u t 。设 定s 工 n 和 s o u t 的输入信号周期不同，可以看出在移位控制信号的作用下a 点的 输出，从而确定输入d 触发器中的信号输入。其仿真图如图4 . 1 6 所示: 从图 中可以 看出， 当f 1 灭( 移 位控 制 信号) 为 低电 平， 图4 . 1 5 中s i n 端的 传输门导通， a ( n e 七 4 6 6 ) 点输出的是s i n 的信号;当fi r为高电 平时，图4 . 巧 中s o u t 端的传输门导通，a 点处输出的信号是s o u t 信号，这与表4 . 1 的真值表 6. e 1e 丁 o n s r e n 七尺 e s p 0 门 5 曰 二:/ 门 e t 4 6 6 h a:y s ou t 5. 0 团_ 必 一:/ s l n 5 泛 因. q 。 :/ f z r 必. 0叼50. 的n1 必on1 5on2日必门 t i me，) 图4 . 1 6移位控制仿真图 有差别，这是因为f i r 移位控制信号在管脚电路输出时是反相输出。后面在全 电路中可以更直观地理解这个问题。 在图4 . 1 5 中， a点右端的电 路构成d触发器， c l k信号通过两上反相器为 d触发器提供反相的两个时钟控制信号。图中的d触发器是利用传输门的形式 来实现， 使得在电 路中 所用的管子数目 较少， 减少了 版图的面积， 节省了芯片的 面积。 其逻辑图如图4 . 1 7 所示11 6 ， 下面来分析其工作原理: 当时钟脉冲c l k由1 跳为0 时，传输门1 , 4 导通，2 , 3 截止。输入信号d ( 图4 . 1 5 中 的a点 信号) 进 入“ 从 触发 器” ， 并 反 相 成 为万。 由 于 传 输门3 处 于 截止状态， 输入信号被阻隔在“ 从 触发器” 内 部， “ 主 触发器” 中的 输出 信号q 浙江大学硕士研究生毕业论文 图4 . 1 7 c m o s d触发器的逻辑图 由 于此时 传输门4 是导通的，经过由 导通的 传输门4 反 馈后输出 信号q得到 维 持， 使输出保持原值不变;当时钟脉冲正跳变，即c l k 信号由0 跳为1 后， 情况 发生相反的变化。此时传输门1 , 4 截止，z , 3 导通，输入信号d被阻隔在外， 它的变化对整个d触发器不再发生影响。 而在这之前进入 “ 从触发器”的d信 号， 一方面通过导通的 传输门3 进入“ 主触发 器” ， 再经倒相而从q端输出， 另 一方面，经由传输门2的反馈而得到维持，使输出 端q的 值保持不变，直至下 一个时钟正跳变的到来，达到d触发器延迟触发的目的。并且在c l k 的一个变 下 a n s i e n t r e s p o n s e 5. 0 0 . 0 一 骨 :昌 6 0 一te 5. 0 0. 0 o : /s o u t 二 :/ 门 e t 4 4 7 夕 。 :/ d 1 巨 一 一书下 爪 丁 甲 份 下 丫 万 下 ， 悉 下 万六 耳 妇 斗 ， 一 一 一 一 ， 。 :/ c l k 2 0 00 门 t i m e( :) 图4 . 1 8 c m o s d触发器的 仿真图 化周期中， 触发器输出 端的状态只可能改变一次。 这种主从结构有效的避免了空 翻。图4 . 1 8 是d触发器仿真图，图中n e t 4 4 7 是 “ 主触发器” 的输入端。图中输 浙江大学硕士研究生毕业论文 出d 1 脉冲信号与时钟上升沿时的s o u t 信号一致，当时钟上升沿时 s o u t 信号改 变时， 发生翻转。 2 ) 由d 触发 器构成的 移位寄 存器 电路中的d触发器具有双输入端，按照真值表 4 . 1 所示，当移位信号为为 高电平时，s i n为输入端，s o u t为输出端，因此移位信号为高电平时，每个d 触发器的 输出q连接到下个 触发器的s i n输入端，为低电 平时， 每个d触发器 的输出q连接到下个触发器s o u t 输入端， 考虑到输入输出管脚电 路的连接不 图4 . 1 9 6 4 位移位寄存器的连接方式 同，把输入输出管脚作为一个模块来考虑。图4 . 1 9 是6 4 位寄存器的连接简图: 图中 模块i 是图4 . 1 0 的s y m b o l ， 模块2 是图4 . 1 5 的s y m b o l ， 模块1 比2 多一个输 入 到 管 脚电 路 的 输 出 端 ， 这 个 输 出 端 为 图4 . 1 7 中 的 口 反 输出 端。 如 同 前 所 述 一 致 ， s i n 的 管 脚电 路 接 的 是 移 位 控 制 信 号 接 的 是f o r r ( f / ) i ) 输出 的 反 相 端， 而 i r a n e i . m t hasp,n . 刘扭划时到知妙介朗下 t r ine(昌 图4 . 2 0前移移位寄存器的仿真图 浙江大学硕士研究生毕业论文 s o u t 的 管脚电路接的移位控制信号的f o r r管脚模块的正向 输出端，实现了管脚 电路的正常工作状态。图4 .2 0 是移位寄存器的两路输出的仿真图。 图中 实 现的 是前移移位操作， 所以 输入的 脉冲信号是s i n , 输出 信号d 2比 d i 可见延时了一个时钟周期，因此输出 信号实现了移位操作。 4 . 2 . 2 . 3锁存器和p o l 及b l k 单元电路 在s t v 7 6 9 7 a 中， 锁存器与极性反转电路以 及b l k 屏蔽电 路是集合在一个单 元电路中，图4 . 2 1 是这个子单元的电路图: 图4 .2 1锁存器、p o l及b l k单元电路 1 ) 锁存器 锁存器不同于触发器，它不在锁存数据时，输出端的信号随输入信号变化， 就像信号通过一个缓冲器一样; 一旦锁存信号起锁存作用， 则数据被锁住， 输入 信号不起作用。 锁存器也称为透明锁存器， 指的是不锁存时输出对于输入是透明 的。 从图4 .2 1 中的 锁存器的 结构可以 看出， p d p 扫描驱动芯片中 使用的 是伪静 态 锁 存 器( p s e u d o s t a t i c l a t c h ) 1 7 1 ， 其等 效 逻 辑图 如 图4 .2 2 所 示。 图4 . 2 2锁存器的逻辑图及控制波形 在电 路中，它包括了两个反相器，当 是低电 平币为高电平时， t 1 管导通， t 2 管关闭， 在这种状态下， 输入信号经过两次反相后直接在d 端输出， d 端的输 浙江大学硕士研究生毕业论文 出信号与输入信号相比， 只是产生了两个反相器的延迟。 相反， 当中是高电平示 为低电平时， t 2 管导通， t 1 管关闭， 输入被取样并且通过两个反相器和t 2 管反 馈后稳定在取样值。 输出不随输入改变， 达到了 锁存功能。 另输入被取样后的值 是存放于寄生电 容中，因此从这种意义上来说该电路还是一种静态电路。 主从 d触发器可以由两个这种锁存器进行级联构成，只需将第二个锁存器