（微电子学与固体电子学专业论文）ram映射型lcd控制与驱动芯片的设计.pdf

硕士学位论文 摘要 随着技术的发展和人们要求的不断提高，人们对于原来传统的阴极射线管 ( c r t ) 显示器的体积大、重量大和功耗大的缺点越来越不满意。特别是在便携式、 小型化和低功耗的应用中，人们期望着体积小、重量轻和功耗小的平板显示器的 出现。在这种需求的推动下，液晶平板显示器( l c d ) 应运而生。由于液晶显示器 具有轻薄短小、低耗电量、无辐射，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等多方面 的优势，近年来在大规模集成电路迅速发展的推动下，其价格不断下跌，占领了相 当大的市场，逐渐取代c r t 主流地位。由于液晶本身的显示电光特性决定了每一块 液晶都需要一块驱动芯片。 本课题的目的是设计一款用于平板显示领域如电表，p d a 计算器的具有内嵌 r a m 的专用集成电路。该芯片将控制模块、驱动模块与r a m 集成在一块芯片。为 增加使用灵活性，设计可以通过串行接口来进行占空比，偏压比的调节以适应不 同的液晶面板。在设计过程中，采用了“自底而上”和“自顶而下”相结合的设 计方法。该方案符合本芯片的实际情况，缩短了设计周期，降低了设计成本。经 过流片证实是完全可行的本芯片的设计采用了上海贝岭的1 2 u m 的c m o s 标准单 元库，依托c a d e n c e 软件，在上海贝岭流片，生产得到的芯片功能完全正确，已 经成功投放市场取代国外同类产品，并且与之相比具有面积小功耗低，成本低 等优点。 该芯片为1 2 8 ( 3 2 4 ) 点、r a m 映射的多功能l c d 驱动器。它可设置为1 2 或1 3 偏置，可通过接口设置为2 ，3 或4 个公共端的l c d 驱动。这使得可适于多 种l c d 应用。它与主控制器之间只需要3 根或4 根线接口，l c d 驱动时钟从系统 时钟内产生一般为2 5 6 1 ( h z 。 关键词t 液晶t 控制驱动模块l 专用集成电路i c m o s 型矍墨篓坚! 堡型主矍塑三竺墼耋盐 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h eh u m a n b e i n ge n t e r i n gt h e t e l e c o m m u n i c a t i o n e r a ，p e o p l e a r em o r e a n dm o r ed i s s a t i s f i e dw i t ht h ec r tf o ri t ss h o r t c o m i n gs u c ha sb i gb u c ka n dg r e a t d i s s i p a t i o n t h e n ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) t e c h n o l o g ye m e r g e sa st i m er e q u i r e s a n dh a sb e c o m et h em a i nr o l ei nt h ep l a n e - d i s p l a y i n gd o m a i n c o m p a r e dw i t l lc r t , l c di sb e t t e rf o rl o w - p o w e r d i s s i p a t i o n ，n or a d i a t i o n ，s t a b l ei m a g e sa n d s of o r t h w i t l l t h er e c e n t l yr a p i dd e v e l o p m e n to fn e w t e c h n o l o g y , t h ep r i c eo f i ta r eg e t t i n gc h e a p e r a n d c h e a p e ra n do c c u p yq u i t eag r e a t m a r k e t i nf a c tl e dh a sb e c o m et h es u b s t i t u t eo f c r t d u et oi t so w n c h a r a c t e r i s t i c s ，e a c hl c de q u i p m e n t n e e d sad r i v e ri c a r a m m a p p i n gl c d c o n t r o l l e ra n dd r i v e ra s i ci si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i t c a nb eu s e di nm a n yw a y ss u c ha sa m m e t e r s ，p d a s , c a l e u i a t o r s b o t ht h ec o n t r o l m o d u l ea n dt h ed r i v e rm o d u l ea r cd e s i g n e di n t oo n ec h i p i no r d e rt oa d dt h e f i e x i b i l i t y , t h ed u t y a n db i a sc o n t r o la d e s i g n e dt ob em o d i f i e dt h r o u g hm a i n c o n t r o l l e r , f o re x a m p l e ，8 0 3 1 s ot h i s i cc a nb eu s e de v e ni ft h ec o u s t m o ru s e d i f f e r e n tp a n e l s w ec o m b i n e dt h e b o t t o mu p a n d t o pd o w n d e s i g nm e t h o d s t o g e t h e rd u r i n gt h ed e s i g n i n gc o u r s c t h i sp l a nc a ns h o r t e nt h e r & d p e r i o da n d r e d u c et h ed e s i g nc o s t a r e rt h em a n u f a c t u r ei ns h a n g h a ib e i l i n gf o u n d r y , i tp r o v e dt o b eas u c c e s s f u ld e s i g n n o wt h ep r o d u c th a sb e e np u tt ot h em a r k e ta n dm u c h p r o f i t a r em a d e t h ew h o l ed e s i g nr e l i e so nt h ec a d e n c es o f t w a r ea n dt h ei ci sf a b r i c a t e db y s h a n g h a ib e i l i n g1 2 u r nc m o s l i n e t h ep r o d u c th a sb e e ns u c c e s s f u l l yp u ti n t ot h e m a r k e ta n dt a k e nt h ep l a c eo ft h ep r o d u c tm a d ei no t h e rc o u n t r i e s c o m p a r e dw i t h t h o s ep r o d u c t s ，i th a st h ea d v a n t a g e so fs m a l ls q u a r e ，l o w e r p o w e rc o n s u m p t i o n a n d l o w e rp r i c e t h ei ci sa1 2 8p a t t e m ( 3 2 x 4 ) ，m e m o r ym a p p i n g ，a n dm u i t i - f u n c t i o n l c d d r i v e r , 1 1 璩洲c o n f i g u r a t i o nf e a t u r eo f i tm a k e si ts u i t a b l ef o rm u l t i p l el c d a p p l i c a t i o n si n c l u d i n gl c d m o d u l e sa n d d i s p l a ys u b s y s t e m s o n l yt h r o eo rf o u rl i n e s a r er e q u i r e df o rt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h eh o s tc o n t r o l l e ra n dt h ei c k e y w o r d s ：l c d ；c o n t r o l l e r a n dd r i v e rm o d u l e ；a s i c ；c m o s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：写三滢 日期：乃薛年，胃刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：写名罐 导师签名：曲、也幸 j 日期：m 年f 月- 矿日 日期：函舶弘年，月窜d 日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 液晶显示技术是2 0 世纪7 0 年代的伟大发明。它与大规模集成电路的结合， 使个人电子化产品得到了迅速普及，从而大大推进了信息产业的迅猛发展；同时 信息技术的迅速兴起，又为信息显示技术提供了广阔的市场和良好的机遇。 显像管( c r t ) 技术经过几十年的发展后，其的一些固有缺点，如体积大， 有闪烁，电压高，有软x 射线等，促使人们寻找新的显示器件，平板显示技术应 运而生。目前平板显示器件种类繁多，主要有液晶显示器件( 1 i c q u i dc r y s t a ld i s p l a y ： l e d ! l 】) ，发光二极管( l e d ) ，真空荧光显示器件( v f d ) ，等离子体显示器件 ( p d p ) ，电致发光器件( e l d ) 等。由于l c d 具有工作电压低、功耗小、显示 信息量大、易集成、方便携带、电磁辐射污染小等的优点，使得l e d 逐渐成为平 板显示技术领域的主导技术。 l e d 产业是继半导体产业后世界新的强势发展产业，各地争相上马，作为经 营重点，成为新的增长亮点。r e s o u c e s 市场调研公司发表的数字表明，世界平 板显示器市场将从1 9 9 8 年1 4 0 亿美元增长到2 0 0 5 年的3 0 0 亿美元，年均增长率 1 0 9 ；l c d 独占8 0 n 以上1 2 l c d 产品制造涉及光学、半导体、电机、化工、材料等各项领域，上下游所 需技术层面极广，少有单一厂商能从材料到成品全部都做，因此各领域分工明显。 上游材料包括玻璃基板、i t o 导电玻璃、偏光板、彩色滤光片、光源模块、液晶、 半导体制造工序所需光罩，液晶驱动芯片( i c ) 、印刷电路板( p c b ) 等；中游则 集合各材料。制造l e d 面板，提供给下游应用厂商使用。由于下游应用产品众多， 所需面板规格几乎都不相同，需根据产品切割面板尺寸，因此l c d 面板没有规格 产品。下游应用产品包括各式家电、消费性、信息、通信及各种工业产品，只要 是需要显示的器具，都可使用l c d 产品 l e d 在我国发展起始于1 9 6 9 年，比台湾还早，以长春物理所与北京清华大 学作为两大中心，早期以从事研究工作为主清华大学最先试产l e d 产品成功， 成为我国最早量产技术基地长春吉林也进一步朝液晶工业城规划，积极引进彩 色s t n 、t f t 等高端液晶技术，两地已成为我国l c d 工程重要基地。由于 t n s t n l c d 制造技术成熟，进入资本障碍不高，我国挟成本优势，大举进入 t n s t n 产品生产。近来新生产线投产顺利，尤其是小尺寸t n - l c d 产品。在全 球市场占有率已超过1 3 ，成为全球生产重要基地。 r 删映射型l c d 控制与驱动芯片的的设计 在驱动i c 这个层面上，由于核心技术一直掌握在国外大厂手中，国内的l c d 企业一直处于一种追赶的状态。目前国外已经主要转向为t f t - l c d ，驱动i c 的主 要生产厂家也是t f t - l c d 面板厂。根据d i p l a y r e s e a r c h 的统计数据。2 0 0 0 年的 市场排名依次是日本电气公司，市场占有率2 0 ；夏普，市场占有率2 0 ；日 本德用仪器，市场占有率1 9 ：松下，市场占有率1 2 ；日立，市场占有率1 0 ； 三星，市场占有率7 ；东芝，市场占有率5 ；爱普生，市场占有率3 ；除日 本德州仪器为t f t - l c d 面扳厂家o e m 之外，大部分都是t f t - l c d 面板模组厂 家。台湾驱动i c 相关产业是在2 0 0 0 年受到全球驱动i c 缺货的刺激才陆续成立， 在经历2 0 0 0 年到2 0 0 2 年的努力，台湾驱动i c 业者在国内面板业的支持下成长相 当迅速。但是驱动i c 厂家必须与面板厂家具备良好的沟通和长期关系，所以台湾 也只能出现三家驱动i c 厂家。其中联咏曾经是友达光电的一分子，而华邦与彩晶 属于一个集团。而韩国则从一开始就努力发展自己的驱动l c 技术。韩国和台湾大 举侵占日本厂商的市场。市场从以日本为中心变为日、韩、台三分天下。最近韩 国和台湾在驱动i c 领域竞争激烈，双方都以8 英寸晶圆厂为后盾。韩国因为经济 滑坡目前在竞争中处于劣势，而台湾的台积电芷欲利用自己的8 英寸晶圆厂。目 前台积电、明基正计划与台湾第一大t f tl c d 控制芯片设计厂商晶捷科技合资 成立新公司专攻l c d 驱动l c 市场，新公司将以晶捷开发产品、台积电生产、 明基销售的合作模式来进行，由三方各持股约三成。预计2 0 0 4 年投产。 t f t o l c d 控制l c 主要包括视频接口界面( i n t e r f a c e ) ，模拟数字转换器和石英 晶振锁相环( a d c p l l ) ，幅度控制器( s c a l e r ) ，微控单元( m c u ) ，在屏显示( o s d ) ， 如果是l c d _ t v 要加一个视频解码。 由于韩台竞争自燕化。大打价格战，所以价格成为决定是否铯胜出的关 键，因此控制i c 出现两种趋势，一是专业控制i c 厂家领域，都朝向系统单芯片 ( s o c ) 发展，将诸多功能集中在一起。称之为s m a r tp a n e l 。最早是将a d c p l l 和s c a l e r o s d 集成，后来将数字界面也集成在一起，更有厂家推出六合一i c ， 将驱动电路中垂时钟控制也集成到一起。另一种趋势是t f t - l c d 面板模组厂家试 图将控制i c 部分集成到面板模组上。 发展l c d 控制i c 成功与否主要取决于a d c 模拟技术、晶圆制程以及与中 下游厂商关系。其中最关键之为整合a d c 之自有技术，由于台湾模拟技术人 才缺乏，台湾厂商普遍欠缺a d c 开发能力，虽然可以外购的方式解决，但是如 此一来ja d c 价格就会受制于人且其降价空间极低，在技术及成本上都有不利之 处。a d c 技术龙头厂家是a n a l o g d e v i c e s ，其次是s a g e ，a n a l o g d e v i c e s 是超级大 厂，产品种类齐全，a d c 只是其一个系列产品，a n a l o g d e v i e e s 主要以提供a d c 内孩方式参与l c d 控制i c 生产。出售的可能性不大s a g e 则被龙头大厂g e n e s i s m i e r o c h i p 购买。市场早期多是分离式设计，故没有a d c 技术的厂家也能生存， 2 硕士学位论文 而在2 0 0 1 年，龙头大厂g e n e s i sm i c r o c h i p 推出整合作式控制i c ，最终在第三季 度超过了分离式控制芯片的市场份额，g e n e s i s 的卖座产品g m z a n l 在l c d 控制 i c 市场占了4 0 ，其它厂家因为缺乏a d c 技术无法推出整合式产品，市场日 益缩小，如晶磊、创品、旺宏等厂家。无法及时推出整合式产品，销售量剧减， 虽然后来推出类似产品，但已经晚了，这些厂家只能黯然退出市场。而一些拥有 a d c 技术的厂家纷纷进入此领域，如意法半导体和晶捷科技。 对国内而言，立足自身起点设计满足不同显示器件需要的驱动集成电路也成 为国内当前i c 设计的一个热点。本课题是一块消费电子类液晶控制驱动芯片的研 制，是华中科技大学集成电路设计中心与武汉亚芯微电子有限公司的横向合作课 题，旨在利用灵活的集成电路设计方法把高校科研成果产业化。设计出的芯片瞄 准t n ，s t n 型液晶面板，由亚芯微电子公司负责流片，且将作为该公司的产品打 入市场。它瞄准的是各个需要液晶显示如仪器仪表自动化等的巨大市场。该类芯 片的特点是集成有较多应用的功能，成本不高本芯片正是基于以上考虑，在设 计过程中采用了可以由与主控制器的接口来进行芯片的配置使之适用于不同的 l c d 面板。芯片功能较为复杂，不仅包括指令系统的设计，数据的传输与存储， 动态偏压的产生，还集成了时基发生器与看门狗电路，蜂鸣器报警电路。 a m 0 2 0 6 为1 2 8 ( 3 2 x 4 ) 点、r a m 映射的多功能l c d 驱动器。它可设置为 1 ，2 或1 3 偏置，可通过接口设置为2 ，3 或4 个公共端的l c d 驱动。这使得a m 0 2 0 6 适于多种l c d 应用。它与主控制器之间只需要3 根或4 根线接口，l c d 驱动时 钟从系统时钟内产生，一般为2 5 6 k h z ”。 该芯片应用非常简单，另配一块单片机和l c d 屏即可；使用非常广泛，只需 更改软件和l c d 屏，可以应用于手掌型游戏机、计算器、电话、仪器仪表、电子 水表、电子电表、电子煤气表、万用表、示波器、电子台历、l c d 显示模块等等。 1 2 液晶简介 液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔( e r e i n i t z e r ) 于1 8 8 8 年发现的，他在 测定有机物的熔点时，发现某些有机物( 胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂) 熔化后会 经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有继 续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体。第二年，德国物理学家莱曼 ( o l e l u n a n n ) 使用他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微 镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于 液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性于是莱曼将其命名为“液态晶 体”，这就是“液晶”名称的由来h 】。 1 9 6 3 年，r c a 公司的威利阿姆斯发现了用电刺激液晶时，其透光方式会改 3 r 悯映射型l c d 控制与驱动芯片的的设计 变。5 年后，同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性质的显示装置。这 就是液晶显示屏( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 的开端。而当初，液晶作为显示屏的材 料来说，是很不稳定的。因此作为商业利用，尚存在着闯题。然两，1 9 7 3 年，格 雷教授( 英国哈尔大学) 发现了稳定的液晶材料( 联苯系) 。1 9 7 6 年，由s h a r p 公司在世界上首次，将其应用于计算器( e l 8 0 2 5 ) 的显示屏中，此材料目前已 成为l c d 材料的基础。 液晶显示器皿c d ) 的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电 极间电场的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能， 在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色 影像。 在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配囱，由于玻璃基板配 向膜沟槽偏离9 0 度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光 线透过偏光板跟着液晶做9 0 度扭转，通过下方偏光扳，液晶面板显示白色( 如图 1 1 左) ：当玻璃基板加入电场时，液晶分予产生配歹 | 变化，光线通过液晶分子空 隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，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，使面板达瓢显示效果| 6 1 t r l l s l 。 图1 1 液晶配列显示赢童圈 l c d 的面板厚度不到1 公分，十分轻薄短小，它由二十多项材料及元件所构 成，不同类型l c d 所蠢材料不尽相同，基本上l c d 结构如同三明治般一个液 晶盒包括玻璃基扳、彩色滤光片、偏光板、配囱膜等材料，当灌入液晶材料盾， 一个液晶盒就形成了。当驱动i c 给l c d 的两个面板以信号的时候，液晶就会按 照我们的设想点亮起来。 正是由于液晶显示器自身的原理。导致它具有一些c r t 所不能比拟的优势， 同时为之带来了巨大的市场空问： 4 硕士学位论文 1 、没有电磁辐射 传统显示器的显示材料是荧光粉，通过电子束撞击荧光粉而显示，电子束在 打到荧光粉上的一刹那间会产生强大的电磁辐射，尽管目前有许多显示器产品在 处理辐射问题上进行了比较有效的处理，尽可能地把辐射量降到最低，但要彻底 消除是困难的。相对来说，液晶显示器在防止辐射方面具有先天的优势，因为在 显示方面根本就不存在辐射在电磁波的防范方面，液晶显示器也有自己独特的 优势，它采用了严格的密封技术将来自驱动电路的少量电磁波封闭在显示器中， 而普通显示器为了散发热量的需要，必须尽可能地让内部的电路与空气接触，这 样内部电路产生的电磁波也就大量地向外“泄漏”了。 2 、应用范围广 最初的液晶显示器由于无法显示细腻的字符，通常应用在电子表、计算器上。 随着液晶显示技术的不断发展和进步，字符显示开始细腻起来，同时也支持基本 的彩色显示，并逐步用于液晶电视、摄像机的液晶显示器、掌上游戏枫上。而随 后出现的d s t n 和t f t 则被广泛制作成电脑中的液晶显示设备，d s t n 液晶显示 屏用于早期的笔记本电脑；t f t 则既应用在笔记本电脑上( 现在大多数笔记本电 脑都使用t f t 显示屏) ，又用于主流台式显示器上 3 、画面效果好 与传统显示器相比，液晶显示器一开始就使用纯平面的玻璃板，其显示效果 是平面直角的，让人有一种耳目一新的感觉而且液晶显示器更窖易在小面积屏 幕上实现高分辨率，例如，1 7 英寸的液晶显示器就能很好地实现1 2 8 0 x 1 0 2 4 分辨 率，而通常1 8 英寸c r t 彩显上使用1 2 8 0 x 1 0 2 4 以上分辨率的画面效果是不能完 全令人满意的。 4 、数字式接口 液晶显示器都是数字式的，不像阴极射线管彩显采用模拟接口。也就是说， 再也不需要像往常那样把数字信号转化成模拟信号再行输出了。理论上，这会使 色彩和定位都更加准确完美 5 、“身材”匀称小巧 传统的阴极射线管显示器，后面总是拖着一个笨重的射线管。液晶显示器突 破了这一限制，给人一种全新的感觉。传统显示器是通过电子枪发射电子柬到屏 幕，因而显像管的管颈不能做得很短，当屏幕增加时也必然增大整个显示器的体 积而液晶显示通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，即使屏 幕加大，它的体积也不会成正比的增加，而且在重量上比相同显示面积的传统显 示器要轻得多。 6 、功率消耗小 传统的显示器内部由许多电路组成，这些电路驱动着阴极射线显像管工作时， 5 r 删映射型l c d 控制与驱动芯片的的设计 需要消耗很大的功率，而且随着体积的不断增大，其内部电路消耗的功率肯定也 会随之增大。相比而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动i c 上，本质上是对负载电容进行充放电，是电压型器件，因而耗电量比传统显示器 也要小得多。 根据液晶驱动方式分类，可将目前l c d 产品分为扭曲向列( n 们晰s t e d n e m a t i c ) 型、超扭曲向列( s t n g u p e rt w i s t e d n e m a t i c ) 型及薄膜晶体管( t f t t h i n f i l mt r a n s i s t o r ) 三大类，以应用产品数量来看，近1 0 亿台l c d 应用产品中，t n 型产品占7 成左右，8 t n 型占2 5 成，n 吓型仅占o 5 成。我们设计的驱动芯片 主要应用于t n 型与s t n 型产品，市场空间巨大。但是从长远来看，很由必要设 计自主知识产权的t f t 液晶驱动i c 。 1 3 本课题的研究内容及论文内容的安排 至今为止，本芯片已流片成功并在市场上开始销售本课题芯片的主要优势 在于将原来台湾产同类型芯片有6 微米工艺产品减小为1 2 微米c m o st 艺。缩 小了面积，减小了功耗，降低了成本。同时可以使用自主设计出的版图与液晶生 长厂家合作设计l c d 模块。笔者全程参与了芯片的整个设计过程，先后完成了系 统定义和模块划分，与主控制器接口模块。自顶而下”的设计，其余模块的“自 底丽上”的设计和仿真。整个系统的混合信号仿真，芯片版图的设计和验证。因 此，本论文的结构安排如下： 第一章绪论 第二章主要讲述芯片的系统功能设计和模块翅 分。 第三章主要讲述控制部分设计的全过程，主要是与主控制器的接口模块的 协议要求与电路实现。 第四章主要讲述驱动部分设计的全过程，主要是动态偏压法原理及其电路 实现。 第五章主要讲述了芯片中振荡回路，上电复位电路，延时电路等模拟电路 的设计，并就我们设计比常规设计的改进之处作了讨论 第六章主要讲述了芯片的系统混合信号仿真，测试向量生成的方法和结果。 第七章主要讲述了本芯片的版图设计过程，并给出了最终结果。 下面，我们就逐章进入本芯片设计的全过程 6 硕士学位论文 第二章a m 0 2 0 6 的系统功能设计与模块划分 2 1 本芯片的功能设计 2 1 1 点阵式液晶显示系统 点阵式液晶显示系统由控制模块和显示驱动模块两部分组成( 图2 1 ) 。控制 模块用于接收主控制器送来的指令，并对指令进行分析处理，产生相应的控制信 号送给显示模块。显示驱动模块按照控制模块送来的控制信号进行显示或其它操 作。随着大规模集成电路的发展，已经将控制模块和显示模块所有的器件集成在 一块芯片上网。 点阵图形式液晶显示驱动控制芯片主要有两大类，一种是内部有显示数据存 储r a m ，其特点是r a m 中的每一位与液晶屏的每位象素一一对应，按显示数据 r a m 中的点阵位图式方式来控制液晶屏幕的相应象素，而且还有若干条控制指 令。另一种是外接显示数据r a m ，存储若干屏的显示数据，芯片自带字符发生器， 可显示标准a s i c c 字符或者点阵图像。本设计为一款自带显示内存的驱动芯片。 图2 1 点阵式嚣液晶显示系统的组成 液晶显示驱动芯片通过对其输出到显示器电极上的电位信号进行相位，峰 值，频率等参数的调制来实现交流驱动电场，以实现显示效果对于t n 及 s t n l c d 一般采用静态驱动或多路驱动方式，主要对驱动信号的电压幅度进行调 节。 1 静态驱动法 静态驱动电路多用于笔段型液晶。在此类液晶上，各象素的背电极b p 是连 7 在一起的，各象素的段电极s e g 是分立引出的，如图2 2 所示。此时，我们在背 电极b p 上加入一个正电压( 如5 v ) ，在所要显示的象素的段电极( 如s e g f ) 上 加入0 v 电压。造成在该象素电极闻的电位差为c o m s e g f = 5 v 使之产生电光效 应，呈显示态：而在不显示象素的段电极( 如s e o a ) 上加入与背电极b p 相同 的电压5 v ，从而使该象素电极问电位差c o m - s e g e = 0 v 不产生电光效应，呈不 显示态。由于液晶显示要求交流驱动，即两极板间的电压直流分量必须为零，所 以在另一段时间内在背电极b p 上加入0 v 电压，所要显示象素的段电极( 如s e g f ) 上加入5 v 电压，不显示象素的段电极( 如s e o e ) 上加入0 v 电压，从而造成显 示象素电极问电压差为b p = s e g f = 5 7 , 不显示象素电极间电位差b p s e g e = 0 ，产生 与上相同的显示效果，丽各象素上的平均电压差为0 v 萨二珂 征到 图2 。2 静态驱动l e d 电板结构 为了实现上述的功能，静态驱动在背电极c o m 上加入了一个正脉冲序列，在 显示象素的段电极( 如s e g f ) 上加入了一个与背电极脉冲相位差为1 8 0 度的等 幅正脉冲序列，在该象素上产生5 v 一5 v 的显示驱动序列；在不显示象素的段电 极( 如s e g e ) 上加入一个与背电极脉冲同相位的等幅正脉冲序列，在该象紊上 产生0 v 电压差。从而形成液晶显示的静态驱动方式其驱动波形如图2 3 所示。 图2 3 尊卷驱动波形圈2 4 静蠢驱动电路原理 静态驱动方式的电路实现利用了异或门“相同为0 ，不同为1 ”的原理。图 2 4 为一个液晶象素的驱动电路，使用一个振荡器通过分频器整形产生背电极b p 的驱动脉冲序列，直接提供给背电极。将这个脉冲序列接至异或电路的一个输入 端，而另一个输入端由控制电路输出o u t 控制，异或电路的输出接至这个液晶 象素的段电极s e g 上。当需要该象素显示时，o u t = “l ”；不显示时，o u t = “0 ”。 0 硕士学位论文 静态驱动可以通过改变电源电压来使之适应于不同的液晶面板。 静态驱动方式具有结构简单，易于集成的优点。但由于每一个象素需要单独 的驱动电路，当显示象素越来越多时如点阵型液晶。会产生众多的引脚及庞大的 驱动电路，不容易实施。 2 动态驱动法 为了解决上述问题，在液晶显示器件电极的制作与排列上作了加工，实旋了 矩阵型的结构，即把水平一组显示像素的背电极都连在一起引出，称之为行电极， 把纵向一组显示像素的段电极都连接起来一起引出，称之为列电极。在液晶显示 器上每一个显示像素都由其所在的列与行的位置唯一确定。在驱动方式上相应地 采用了类同予c r t 的光栅扫描方法。液晶显示的动态驱动法是循环地给行电极施 加选择脉冲，同时所有为显示数据的列电极给出相应的选择或非选择的驱动脉冲， 从而实现某行所有显示像素的显示功能，这种行扫描是逐行顺序进行的，循环一 周期为一帧，时间很短，利用人眼视觉暂留使得液晶显示屏上呈现出稳定的图象。 这种液晶显示的扫描驱动方式称为动态驱动法本设计采用动态驱动法，在第三 章中进行详细介绍。 综上所述，点阵l c d 驱动控制芯片的主要作用是为液晶显示器提供时序信号 和显示数据【1 0 】【l l 】。 2 1 2 设计指标 该芯片主要设计指标为： ( 1 ) 工作电压范围：2 扣5 2 v ( 2 ) 内置2 5 6 k h z r c 谐振器 ( 3 ) 外接3 2 7 6 8 k h z 晶振或2 5 6 k h z 频率源输入 ( 4 ) 可供选择的i 2 或1 1 3 偏置及可供选择的i 2 ，1 1 3 或i 4 占空比，适应各 类l c d 的应用 ( 5 ) 内部基准时钟频率源 ( 6 ) 两种可供选择的蜂鸣器驱动频率( 2 k h z ，4 k h z ) ( 7 ) 待机指令可用来降低功率消耗 ( 8 ) 内置基准时钟发生器及看门狗定时器 ( 9 ) 基准时钟或看门狗定时器溢出输出 8 类基准时钟源和8 类看门狗定时器时钟源 q d 4 线的串行接口 0 母3 2 4 点液晶驱动 内置3 2 * 4 位显示存储器 9 r 删映射型l c d 控制与驱动芯片的的设计 内置l c d 驱动频率源 数据模式和指令模式指令 读，写地址自动递增 三种读写数据访问模式 v l c d 引脚调整l c d 驱动电压适应不周面板 2 1 3 管脚配置与描述 表2 1 芯片的主要管脚功能描述 日l 脚名输入输出( i ，0 ) 功能描述 片选，接上拉电阻当为高电平，读写a m 0 2 0 6 命令 c si 无效，串形接口电路复位当_ c s 为低电平和作为输 入时读写a m 0 2 0 6 的数据和命令有效 读脉冲输入，接上拉电阻；在读脉冲地下降边沿 r dia m 0 2 0 6 数据出现在d a t a 线上，在下一个上升边沿， 主控制嚣锁存数据 写脉冲输入。接上拉电阻t 在写脉冲地上升边沿 w ri d a t a 教据写入a m 0 2 0 6 d ：r al ，o串行数据输入输出，接上控电阻 v d di正电源 v s si负电源，地 v l c di 接电阻于v d d ；【调整伯压 o s c il o s c oo j r q i 时基或者看门狗输出 b z k b z o蜂鸣器输出 c o m o - o m 3o l c d 行输出 s e g 0 - - s e g 3 1o l c d 列输出 表2 2 芯片的主要电气特性 者牙 使用条件量小值典型值最大值单位 名称 工作电压 2 55 2v 工作皂流l采用片内r c 擐荡爨2 8 05 0 0u a 工作电流2采用晶振1 0 02 0 0 u a 工作电流3采用外部肘钟1 5 03 0 0u a 硕士学位论文 输入低电压对数据，读写时钟，复位线 0 l 。0v 输入高电压对数据，读写时钟，复位线 4 o5 。ov 片内上拉电阻对数据，读写时钟，复位线 4 06 08 0k 0 系统时钟1采用片内r c 振荡 2 4 02 5 62 8 0k h z 系统时钟2采用外部时钟 2 5 6k h z 系统时钟3采用片内r c 振荡 3 2 。7 6 8k h z 行扫描时钟三种振荡模式均可 2 5 6h z 来自主控制器的时钟 2 5 0 k5 0 0 kh z 申行口复位脉冲复位 2u s 待机电流节电模式 o 。3 u a 工作温度 - 2 5+ 7 5 蕈蚕委蚕蚕蚕蚕曩紊霸螽蚕謇蚕蚕娶蚕蕈曩蚕蕈曩蠢蚕蚕霍袋臻霾装鹭装麓莪靖禽麓臻强震霾整装赣譬鬟袋罄 鲁誊墓誊委蔡鼋垂罄昆譬薹警巷2 墓塞i 警譬9 譬妻薹嚣萎 图2 5 苍片的封装 图2 6 芯片应用环境示意图 2 2 本芯片的设计思想与模块划分 2 2 1v l s i 设计技术基础与主流制造技术 要有效的开发一个v l $ 1 产品，设计者必须具备电路与逻辑设诗技术基础， 器件与工艺技术基础，版图设计技术基础和集成电路计算机辅助设计技术基础。 除此之外，设计者还应具备对电路，逻辑，器件，工艺和版图的分析能力【1 2 】。 在微电子技术领域，集成电路的制造有两个主要的实现技术；双极技术与 m o s 技术m 0 s 技术是以n m o s 晶体管和p m 0 s 晶体管为基本元件，辅以其他 的集成元件构造集成电路的技术方法。当n m o s 与p m o s 以互补配对的形式作 为基本电路单元时，其结构被称做c m o s t ”l 。 c m o s 以其结构简单，集成度高，耗散功率小等优点，成为当今v l s i 制造 的主流技术。本设计选用贝蛉1 2 微米c m o s 单晶单铝工艺制造f 1 4 】f ”l 。 2 2 2v l si 设计方法和设计技术 v l s i 系统的设计通常采用自顶向下( t o p d o w n ) 和自底向上( b o t t o m u p ) 的设计方法。 自顶向下设计是一种逐级分解。变换，将系统要求转变为电路和版图的过程。 是指从系统的行为，功能，性铯以及允许的芯片面积瓤成本要求开始，进行结构 设计，同时根据结构特点，将其逐级分解为接口清晰，相互关系明确，尽可能简 单的子结构。最后进行版图设计，至此，自顶向下的过程结束。 自底向上设计，是在系统划分和分解的基础上。现进行单元设计，在精心设 计的单元基础上，逐级向上完成功能块，子系统设计，知道最终的系统完成。 v l s i 设计工具是建立在计算机系统平台之上的一系列设计软件。设计过程包 硕士学位论文 括两个主要的子过程：逻辑，电路设计与版图设计。相应的，设计软件也以逻辑。 电路的设计和分析软件以及版图设计和分析软件为基本模块。随着集成电路技术 与软件水平的进步，设计软件也不断的得到完善和发展，已由简单的辅助设计软 件，逐步的成为完善的设计系统。c a d e n c e 软件是当今业界的最有名的e d a 软 件系统。本设计也是依托它完成【1 6 】【1 7 1 。 由芯片的功能设计可知，a m 0 2 0 6 芯片由以下几个部分组成：指令系统模块， 显示内存模块，l c d 动态偏压驱动模块，时基与看门狗电路模块，振荡模块等五 个模块，根据这一划分思想，可得到整个系统的框图如图2 7 基于以上原理，这块1 2 8 点内存映象的多功能的l c d 驱动芯片的框图如图 2 7 所示： ：乒 圈2 7 功能框图 在下文中，将按照上述模块划分逐一讲述其设计方案。在此，先就各模块的 初步功能设计作一说明。 1 振荡回路的作用是配合外接晶振工作，从而得到可用于芯片内部第二套时 钟的稳定的3 2 。7 6 8 k h z 的方波信号。可以通过软件来选择是内部r c 振荡还是外 接的晶体振荡 2 时基与看门狗电路是为了产生准确的时基信号 3 控制与读写时序产生电路是本设计花时间最多的模块。它可以通过与主控 制器的通讯设置来配置芯片 4 显示r a m 采用静态s r a m 结构，减小了功耗。 5 偏压驱动模块是为了适应液晶的独特要求，给液晶葱板施加交流信号为零 的驱动信号。 p o r e 映射型l c l ) 控制与驱动芯片的的设计 2 3 设计的实现方法和流程 从以上的模块划分可以得出，谐振回路和上电复位模块，延时电路，p l a 译 码电路属于模拟电路的范畴，无法采用硬件描述语言描述电路行为，只能采用定 义了功能后手动设计电路的“自底而上”的设计方法。 接口模块的功能是为了实现自带的通讯协议，其行为特征明显。如果在设计 时把重点放到逻辑门和晶体管上，明显得不偿失。因此，该模块设计采用“自顶 而下”的设计方法。 这样，本芯片的整体设计方法为：已“自底而上“的设计方法为主，兼顾通 讯接口模块的“自顶而下”的设计。由于本芯片将采用上海贝岭的1 2 u m 的c m o s 工艺线流片。于是，在设计初，作为基本条件己从厂家拿到了该工艺线的标准单 元库( 其中包括标准单元电路图，晶体管尺寸，扇入扇出系数，各器件的仿真模 型，各标准单元的版图库和版图验证的各种文件) 。那么，在电路设计阶段，无论 是“自顶而下”设计还是“自底而上”设计都是基于该单元库的设计，即属于标 准单元设计法也就是说，“自底而上”设计时从单元库中选取单元组成各个予模 块；“自顶而下”设计时在进行逻辑仿真时选取该单元库作为仿真工具的目标库。 在敲定了本芯片的设计方法后，就可以规范出系统和各个模块的设计流程了。 与主控制器接口控制模块的设计t 系统级定义，模型状态分析。绘制原理图， 行为级仿真。待其它模块设计好后进行手动原理图调整，该模块的基于原理图的 v e r i l o g 仿真 驱动模块的设计t 系统级定义和各子模块的捌分，动态偏压电路的设计，各 模块原理图设计，各模块的基于原理图的管子级仿真 振荡回路和上电复位电路延时，p l a 译码电路的设计；系统级定义和性能 定义，参考电路的原理分析和比较，选定电路结构和改进措施，基于晶体管的原 理圈设计，各个模块的s p i c e 仿真和性能分析。 在完成各个模块的设计之后开始芯片的系统级仿真考虑到仿真的速度问 题，以及激励编写的便利，采用混合信号仿真首先对外围电路进行等效，对 芯片内的主体数字电路进行基于原理图逻辑功能仿真，使用v e r i l o g - x l 工具。 然后，对各个模拟模块进行s p e c t r e 仿真。达到要求后，联入各个模块进行整 体的s p i c e 仿真，其速度慢，但是考虑了各种延时很接近真实情况 在通过相应的仿真工作以后，开始基予标准单元的版图设计和验证。由于本 芯片工艺标准，频率不高，故不进行带延迟信息的版图后仿真。 从最后的仿真结果来看