LED大显示屏驱动电路设计优秀毕业论文.pdf

硕士学位论文 工程硕士 led 大显示屏驱动电路设计 design of led large display driver 郝力光 哈尔滨工业大学 2010 年 6 月 中图分类号 tn432 udc 621 3 044 774 硕士学位论文 工程硕士 led 大显示屏驱动电路设计 硕 士 研 究 生 郝力光 导 师 来逢昌 副教授 申请学位 工程硕士 学科 集成电路工程 所 在 单 位 微电子科学与技术系 答 辩 日 期 2010 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index tn432 u d c 621 3 044 774 dissertation for the master s degree of engineering design of led large display driver candidate hao liguang supervisor associate prof fengchang lai academic degree applied for master of engineering speciality integrated circuit engineering affiliation dept of microelectronics science and technology date of defence june 2010 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 i 摘摘 要要 随着科技的进步和电子技术的不断发展 led 显示屏作为一种高科技的 电子产品日益引起人们的重视 它已广泛地应用于电信 邮政 金融 交通和 体育场馆等各个行业及政府工作部门 与此同时 人们对 led 的显示屏的要 求也向大屏幕 高均匀性 高画面品质 长寿命的方向发展 普通的通用电源 驱动芯片已远远不能满足要求 因此 一种多通道 输出电流高度精确的 led 专用恒流驱动芯片就成为研究的重点 本文基于华润上华 0 5 m 工艺 设计了一款应用于 led 大显示屏驱动的 32 路恒流驱动器 本文首先介绍了课题背景 led 显示屏及其驱动芯片的发展现状 随后 介绍驱动电路的工作原理 芯片结构和关键性能指标 然后重点介绍驱动电路 主要模块的设计 运用 cadence 工作平台 对各模块电路进行了仿真验证 并 在此基础上对整体电路进行了联合功能仿真和分析 本文设计的芯片主要分为 带隙电压基准模块 电流调节模块 数字控制模块和输出级驱动电路模块四个 部分 工作电压范围为 3 5v 每路的输出电流范围为 3 50ma 且输出电流 大小精确可调 最大时钟频率达 25mhz 以满足大量数据的传输要求 最后 对设计的模块进行了版图的绘制 在绘制版图时采用一种环形栅结构的版图 由于这种结构的版图占用面积小 输出电流大 用这种环形栅版图绘制实现输 出级 cmos 晶体管 来满足大电流驱动的要求 关键词 led 显示屏 恒流驱动 环形栅 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 ii abstract with the advancement of technology and electronic technology further development as a high tech electronic products led display is more and more important for people s life it has been widely used in telecommunications postal financial transport and sports venues and government departments at the same time people have higher requirements to led display larger screen higher uniformity better picture quality and longer using time are needed ordinary and universal power driver chip can not meet the requirements therefore a multi channel high precision output current led constant current driver chips are becoming the focus of people s study using csmc 0 5 m technology a kind of 32 output channels constant current driver is designed to a large led display first we introduce the background issues led display and driver ic development status then introducing the driving principle of the circuit the chip structure and key performance indicators importantly we focus on the design of the main module driving circuit cadence working platform is used for the module circuit s simulation and on this basis we study the overall circuit s simulation and analysis of joint function this chip contains four main parts bandgap voltage reference current regulation circuit digital control module and output stage driver circuit module operating voltage range of 3 5v output current of per channel range 3 50ma we can accurately adjustable output current size maximum clock frequency is up to 25mhz meeting large amounts of data transmission requirements finally we draw the layout of every module cmos output stage transistors layout is drawn by using octagon gate structure of the layout this kind of layout has smaller area but higher current keywords led display constant current driver ring gate 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 iii 目录目录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 led 显示屏及其驱动芯片的国内外发展现状 1 1 3 本文主要研究内容 4 第 2 章 驱动电路的原理与结构设计 5 2 1 led 驱动电路的原理 5 2 2 结构设计 7 2 3 关键性能指标 9 2 4 本章小结 9 第 3 章 led 恒流驱动电路的设计与仿真 10 3 1 带隙电压基准源 10 3 1 1 原理介绍 10 3 1 2 电路设计 12 3 2 电流调节模块设计 13 3 2 1 电流调节模块结构 13 3 2 2 两相不交叠时钟 14 3 2 3 放大器 15 3 2 4 选通电路 16 3 2 5 电流镜电路 18 3 3 数字控制电路设计 19 3 3 1 数字电路整体结构及设计简介 19 3 3 2 数字电路整体仿真 22 3 4 输出驱动电路设计 23 3 4 1 放大器 24 3 4 2 选通电路 25 3 4 3 开关电容电路 27 3 4 4 输出驱动电路仿真 28 3 5 端口设计 29 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 3 6 整体仿真 32 3 6 1 整体电路电流调节特性仿真 32 3 6 2 整体电路时序特性仿真 33 3 7 本章小结 34 第 4 章 版图设计 35 4 1 一种环形栅版图简介 35 4 2 版图设计 37 4 3 本章小结 39 结 论 40 参考文献 41 攻读学位期间发表的学术论文 44 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 45 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 45 致谢 46 个人简历 47 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第1章 绪论 1 1 课题背景 led 是 light emitting diode 发光二极管 的英文缩写 在半导体材料二极 管的 pn 结中 注入的少数载流子与多数载流子复合时 会把多余的能量以光 能的形式释放出来 从而把电能直接转换为光能 pn 结加反向电压 少数载 流子难以注入 故不发光 早期的 led 以发出微弱红光光谱为主 发光亮度 在 0 001 流明 后来才出现橙色绿色蓝色等 随着新材料科学的发展 开发出 更高亮度的 led 使得 led 的应用领域更加广阔 led 显示应用就是其中的 一种重要应用 1 信息平面显示是现代生活中用途广泛的领域 证券交易所的显示面板 动 态广告牌 航空的飞机动态显示 体育馆 商业 工业和其他行业的大型和超 大型全色显示屏的信息显示 进一步满足了现代人对信息显示的需求欲望 2 近年 随着国民经济的飞速发展 各行业对 led 显示屏的需求也变得急 剧扩大 它已广泛地应用于电信 广告 宣传 交通 体育场馆等各个行业及 政府工作部门 另外 随着计算机网络技术的发展 led 显示屏在网络环境 下的使用情况越来越多 在多媒体 多种显示设备组成的信息显示系统中 智 能化网络控制和互联网控制多屏技术也在实际中得到应用 而 led 显示屏的 应用需要专门的 led 驱动控制芯片 它能使 led 获得良好 均匀而且稳定的 电流 从而使 led 显示更加均匀 同时可以延长 led 的使用寿命 满足各种 场合的应用要求 3 4 国外的 ic 制造商相继推出一些用于 led 显示的专用 ic 驱动芯片 如 siti 公司推出的 led driver 等 这类芯片对原来通用驱动 ic 的集成度进行了 提高 使显示屏的驱动电路设计简捷方便 功能上也有所提高 但同时成本也 相应增加 国内外 led 显示屏制造商纷纷投入力量 研制开发设计适合自己产品发 展需要的大规模或超大规模专用 led 驱动电路 这类专用 ic 相对复杂 功能 较强 led 专用驱动 ic 简化了显示屏系统设计的复杂程度 在一定程度上增 强了显示屏的功能 整体系统的稳定性得到了很大提高 5 1 2 led 显示屏及其驱动芯片的国内外发展现状 随着显示器件与技术的进一步发展 大屏幕显示系统在国民经济中得到广 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 泛应用 led 显示屏是信息显示的重要传媒之一 进入 20 世纪 90 年代后 led 显示屏在世界范围内得到广泛应用 成为一种重要的现代信息发布媒体 手段 led 显示屏主要生产企业分布在美国 欧洲 日本和我国 led 显示 屏的驱动电路所使用的 asic 则主要由 toshiba 东芝 ti 德州仪器 sony 索尼 mbi 聚积科技 siti 点晶科技 等著名公司生产 我国的 led 显示屏设计和生产技术并不落后 其发展水平基本与国际保 持同步 我国早在 20 世纪 90 年代初就开发了 16 级亮度 256 色视频控制及 无线遥控等具有国际先进水平的技术 目前在全彩色 led 显示器 256 级亮 度视频控制 集群无线控制 多级群控等方面均达到国际先进水平 国内 led 显示屏市场的国产化率接近 100 北京奥运会和建国六十周年大阅兵都 大量使用了 led 显示屏及相关产品 并且使用的全部是国产芯片 同时 我 国 led 显示屏的海外销售额也相当可观 占总销售额的 20 左右 并显示出 较强的竞争力 随着社会信息化过程的加速 对大屏幕 led 显示的需求量将 会持续增加 并向高亮度化和全彩化 标准化和规范化及产品结构多样化发展 6 10 由于 led 显示屏得到普遍应用 其对应的驱动 ic 出现巨大的需求量 目 前世界上许多著名的 ic 设计生产公司均推出 led 显示屏驱动 ic led 驱动 芯片可分为通用芯片和专用芯片两种 所谓的通用芯片 其芯片本身并非专门 为 led 而设计 而是一些具有 led 显示屏部分逻辑功能的逻辑芯片 如串 并 移位寄存器 而专用芯片是指按照 led 发光特性而设计专门用于 led 显示 屏 的 驱 动 芯 片 11 目 前 led 显 示 屏 专 用 驱 动 芯 片 生 产 厂 家 主 要 以 toshiba 东芝 ti 德州仪器 sony 索尼 mbi 聚积科技 siti 点晶科 技 等为代表 下面对上述著名公司推出的 led 显示屏驱动 ic 进行简单的归 纳与分析 toshiba 的 产 品 在 国 内 市 场 上 拥 有 最 高 的 占 有 率 主 要 产 品 有 tb62705 tb62706 tb62725 tb62726 tb62718 tb62719 tb62727 tca62746 等 其中 tb62706 tb62726 是 16 位芯片 这些产品在数据移位 时钟 电流输出误差 供电电压以及芯片功耗上均有改善 作为中档芯片 目 前 tb62725 tb62726 已经逐渐替代了 tb62705 和 tb62706 tb62718 tb62719 是 toshiba 针对高端市场推出的驱动芯片 除具有普通恒流源芯片 的功能外 还增加了 256 级灰度产生机制 8 位 pwm 内部电流调节 温度 过热保护 tsd 及输出开路检测 lod 等功能 此类芯片适用于高端的 led 全 彩显示屏 当然价格也不菲 tb62727 为 toshiba 的新产品 主要是在 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 tb62726 基础上增加了电流调节 温度报警及输出开路检测等功能 tca62746 是针对 16 位全彩 led 大屏幕推出的具有带断短路侦测功能的芯 片 ti 的 产 品 市 场 占 有 率 并 不 高 但 其 性 能 稳 定 可 靠 主 要 产 品 有 tlc5911 tlc5921 和 tlc5941 等 tlc5911 是一款 16 通道的 led 驱动 器 定位于高端市场的驱动芯片 具有 1024 级灰度 64 级亮度可调 tsd lod 等功能 tlc5941 虽然也是 16 通道的 led 驱动芯片 但是它附加了点 校正与灰度 pwm 控制的功能 12 sony 产品定位于高端市场 led 驱动芯片也不例外 主要产品有 cxa3281n 和 cxr3596r cxa3281n 主要是针对静态驱动方式设计的 其 最大输出电流只有 40ma cxa3281n 是 8 位芯片 具有 4096 级灰度机制 12 位 pwm 256 级亮度调节 1024 级输出电流调节 tsd lod 和 lsd 输出 短路检测 等功能 cxa3596r 是 16 位芯片 功能上包含了 cxa3281n 的所 有特点 主要是提高了输出电流 40ma 增加到 80ma 及恒流源输出路数 由 8 路增加到 16 路 mbi 聚积科技 的产品拥有较高的性价比 是中档显示屏的良好选择 mbi 的 1801 1802 1804 1816 其中 mbi1816 是一款 16 路恒流驱动芯片 输出电流可调并带有 pwm 灰度调节功能 还有 mbi 的 5025 5026 5030 5031 等型号的驱动芯片 它们都是 16 位源的驱动芯片 其中 mbi5031 是具 有 16 位内置 pwm 高灰阶调制功能的恒流驱动芯片 13 siti 点晶科技 是一家专门研究 led 驱动芯片的公司 生产的产品性能稳 定 点晶科技的定位与 toshiba 差不多 产品的性能价格相当 但引脚并不 兼容 产品主要有 st2225a st2221c dml34 dml35 dml36 dml33 和 st2226a 等 除 st2225a 为 35 输出通道外 其余都是 16 位芯片 dml34 dml35 和 dml36 这三款芯片之间的区别只是输出电流不同 dml34 的输出电 流为 40 90ma dml35 的为 10 50ma dml36 的输出电流为 3 15ma dml33 具有 64 级亮度可调 lod 及 tsd 功能 st2225a 属于 35 输出通道的 数字 字母 led 驱动芯片 st2226a 具有 1024 级灰度机制 10 位 pwm 属于 高端芯片 从这几家 led 驱动芯片主要制造商的产品结构来看 目前 led 恒流芯片 主要分为三个档次 第一档次是具有灰度机制的芯片 这类芯片内部具有 pwm 机构 可以根据输入的数据产生灰度 更易形成深层次灰度 达到高品 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4 质画面 第二档次是具有 lod tsd 亮度调节功能的芯片 这些芯片由于 有了附加功能而更适用于特定场合 如用于可变情报板 具有侦测 led 错误 功能 第三档为不带任何附加功能的恒流源芯片 此类芯片只为 led 提供高 精度的恒流源 保证屏体显示画面的质量良好 14 15 1 3 本文主要研究内容 本文设计一款 32 通道 led 大显示屏恒流驱动电路 这是一款专门为 led 显示面板提供驱动的 ic 内部具有 cmos 缓存与锁存功能 可以将串行 输入的数据转换成并行输出的数据格式 其输入电压范围为 3 5 伏 提供 32 个电流源 每个输出级可以提供 3 50ma 的恒定电流量以驱动 led 从功能 上看 这款芯片可分为输入输出端口模块 基准电压模块 电流调节模块和输 出级模块这几个主要子模块 本文首先对这些子模块进行设计 并在华润上华 0 5 m 标准 cmos 工艺条件下进行仿真验证 最后对整个电路进行联合功能 仿真和版图的设计 第一章介绍课题的研究背景以及 led 显示屏驱动电路国内外的研究现 状 第二章首先介绍 led 驱动电路的原理 然后对设计结构进行说明 主要 分为四个模块 分别是数字输入控制模块 电压基准模块 电流调节模块 输 出级驱动模块 最后提出驱动器的关键性能指标 第三章具体设计各个模块电路 对设计的各个模块进行详细的说明 并对 其重要性能进行仿真 然后搭建整体模块对整体功能进行联合仿真 仿真结果 满足设计指标的要求 第四章介绍了一种环形栅结构版图 用这种结构的版图绘画输出级 cmos 晶体管可以有效的减小芯片的面积 之后介绍版图设计流程并绘制了 模块的版图 结论部分对驱动电路的设计进行总结 对取得的研究成果进行了归纳 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 5 第第2章章 驱动电路的原理与结构设计驱动电路的原理与结构设计 通常 led 显示屏是由大量的 led 点阵构成 因此常常需要多通道输出电 流来驱动所有的 led 单个或者较少通道输出的驱动器已经无法满足显示驱 动要求 因此多通道 led 恒流驱动器得到迅速发展 本文设计了一款 32 路恒 流驱动芯片 本章主要介绍整体结构和设计层次 2 1 led 驱动电路的原理 从 led 器件的特性可知道 当向 led 器件施加正向电压时 流过器件的 正向电流使其发光 16 因此 led 的驱动就是如何使它的 pn 结正向偏置 而 且为控制 调节 它的发光强度 还要解决正向电流的调节问题 具体的驱动方 法可以分为直流驱动 恒流驱动 脉冲驱动等 1 直流驱动 最简单的驱动方法是直流驱动 通过限流电阻与稳定电源给 led 提供电 流 连接时 led 阳极接正极方向 阴极接电源的负极 这种驱动方式简单 但是由于 led 正向特性陡峭 加上元件参数的分散性 即使相同的电源 相 同的限流电阻 每个 led 的正向电流也不尽相同 导致 led 器件的发光强度 不同 亮度不均 所以不能使用在 led 显示屏上 而且这种方法不好调节每 个 led 器件的亮度 所以无法标识图像信息 17 2 恒流驱动 恒流驱动基本上克服了器件分散性所造成的的影响 因为三极管的输出特 性具有恒流性质 所以可采用晶体管驱动 led 图 2 1 是用三极管进行恒流 驱动的原理图 可以看出 led 的导通电流与 led 无关 取决于外参数 led 管的正向电流是 bbe fce e vv iii r 2 1 其中 vb为外加基极电压 vbe为基极 发射极电压 由于三极管 vbe的分 散性比放大倍数 的分散性要小 因此各 led 器件的正向电流在 vb与 re相 同时 基本上可以保证是一致的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 6 re t led vdd vbe vb 图 2 1 led 恒流驱动原理 fig 2 1led constant current driver schematic 3 脉冲驱动 利用人眼的视觉暂留特性 采用向 led 器件重复通断供电的方法使之点 亮 就是通常所说的脉冲驱动 18 采用这种方式时应该注意两个问题 脉冲 电流幅值的确定和重复频率的选择 首先若想获得与直流驱动方式等效的的发光强度 脉冲驱动的电流平均值 ia就应该与直流驱动的相同 如图 2 2 所示 平均电流 ia是瞬时电流 i 的时间 积分 对矩形波有 0 1 t a itidt 2 2 afon iitt 2 3 图 2 2 led 脉冲驱动 fig 2 2 led pulse drive ton t 属于占空比的一种描述 为使脉冲驱动方式的平均电流与直流驱动 电流 i0相同 就要使它的脉冲电流幅值满足 fonaono it tit ti 2 4 可见脉冲驱动时 脉冲电流的幅值应该比直流驱动的电流大 t ton倍 其次是脉冲重复频率的问题 led 的亮度感觉由一连串的亮度脉冲构 成 频率太低有闪烁现象 根据人眼的视觉惰性 已经知道脉冲重复频率必须 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 7 高于 24hz 否则就会产生闪烁现象 19 所以在 led 屏上点亮 led 的脉冲重 复频率必须大于 24hz 实际应用中 往往采用更高的频率 led 器件的上限 工作频率大约在十几兆赫到数百兆赫范围内 20 led 的连接方式上常见的有串联 并联和混联三种方式 led 大显示屏 中使用的 led 数量很大 若把所有的 led 并联起来 需要 led 驱动电路输 出很大的电流 若把所有的 led 串联起来 led 驱动器则应该输出比较高的 电压 将所有 led 串联或并联 不但限制着 led 的使用量 而且并联 led 负载电流较大 驱动器的成本也会大增 解决办法是采用混联方式 21 串并 联的 led 数量平均分配 分配在每一串 led 上的电压相同 通过同一串每颗 led 上的电流也基本相同 led 亮度一致 同时通过每串 led 的电流也相 近 当某一串联 led 上有一颗品质不良短路时 不管采用稳压式驱动还是恒 流式驱动 这串 led 相当于少了一只 led 通过这串一 led 串联支路的电 流将大增 那就很容易损坏这串支路 led 大电流通过损坏的这串 led 后 由于通过的电流较大 多表现为断路 断开一串 led 后 如果采用稳压式驱 动 驱动器输出电流将减小 而不影响余下所有 led 正常工作 如果是采用 恒流式 led 驱动 由于驱动器输出电流保持不变 分配在余下 led 电流将增 大 导致容易损坏所有 led 解决办法是尽量多并联 led 当断开某一颗 led 时 分配在余下 led 电流不大 不至于影响余下 led 的正常工作 通过比较 led 的连接方式和各种 led 的驱动方式的优缺点 结合显示屏 背光的要求 本芯片设计采用多通道串联恒流驱动的设计方案 2 2 结构设计 本文设计一款驱动 led 大显示屏的专用驱动芯片 整体芯片端口结构框 图如图 2 3 所示 端口的主要功能介绍如下 rext 外接对地电阻端 当连接不同阻值的电阻时 此驱动芯片输出电流 值便不同 enable 输出使能信号 当其为低电平时 out0 out31 输出 当其为 高电平时 out0 out31 关闭 latch 数据锁存控制输入端 当 latch 为高电平时 串行输入数据会 被传入至输出锁存器 当 lacth 为低电平时 资料会被拴锁住 serial in 输入至移位寄存器的串行数据输入端 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 8 led driver rext clock serial in latch enable serial out out0 out1 out30 out31 图 2 3 led 驱动芯片端口说明图 fig 2 3 the port of led driver chip map clock 时钟信号输入端 资料移位会发生在时钟的上升沿 serial out 串行数据输出端 可接至下个驱动芯片的 serial in 端 out0 out31 驱动电路输出端口 为 led 提供恒定输出信号 驱动电路的方块结构如图 2 4 所示 整个驱动电路主要由下面几个模块构 成 数字输入控制模块 电压基准模块 电流调节模块 输出级驱动模块 数 字逻辑控制电路部分主要用于外部数据的接收 锁存以及使能控制功能 结合 时间延迟电路 输出 32 位 led 逻辑控制信号 实现对 led 的开关控制 带隙基准源 输出驱动模块 电流调节模块 数字逻辑控 制电路 out0out31 rext 图 2 4 驱动电路方块结构图 fig 2 4 driving circuit block diagram 带隙电压基准提供固定的参考电压给电流调节模块 基准电压通过外接电 阻 经过电压电流转换后形成与电源电压无关的电流源信号 该电流源用于偏 置各路恒流输出电流 通过改变外接电阻大小 共同调节各路恒流输出电流 输出驱动模块为输出级 cmos 晶体管提供工作电压 最终提供给各路 led 恒 定的电流输出信号 本文设计的电路可以实现 32 通道恒流源输出 各通道输出电流大小相 等 可以用于 led 显示屏的驱动 且通过 led 的电流可通过调节外接电阻 rext 使输出电流在 3 50ma 范围内可调 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 9 2 3 关键性能指标 驱动芯片的关键性能参数有最大输出电流 恒流源输出路数 和数据移位 时钟等 22 目前主流恒流源芯片的最大输出电流多定义为单路最大输出电 流 恒流是专用芯片的最根本特性 也是得到高画质的基础 而每个通道同时 输出恒定电流的最大值 即最大恒定输出电流 对显示屏更有意义 因为在白平 衡状态下 要求每一路都同时输出恒流电流 一般最大恒流输出电流小于允许 最大输出电流 本文设计的驱动芯片要求最大输出电流为 50ma 恒流源输出 路数主要有 8 位源和 16 位源两种规格 现在 16 位源基本上占主流 本文设计 一款 32 位 led 恒流驱动芯片 属于对高端产品研发的一种新的尝试 主要优 势在于减少了芯片尺寸 便于 led 驱动板 pcb 布线 特别是对于点间距较小 的 pcb 更是有利 led 专用驱动芯片的基本功能中都包含串行移位寄存器的 功能 以便于实现显示数据的级联与传输 构建大尺寸多显示点的 led 显示 屏 数据移位时钟决定了显示数据的传输速度 对显示屏显示数据的更新速率 起到至关重要的作用 作为大尺寸显示器件 显示刷新率应该在 85hz 以上 才能保证稳定的画面 无扫描闪烁感 较高的数据移位时钟是显示屏获取高刷 新率画面的基础 目前主流恒流源芯片移位时钟频率一般都在 15mhz 以上 本文所设计驱动芯片的时钟频率最高可达 25mhz 2 4 本章小结 本章首先介绍一般 led 驱动器的驱动方式及其原理 接着说明本文所涉 及的驱动电路类型属于 led 恒流驱动器 进而给出 led 恒流驱动电路的端口 说明图和方块结构图 对端口信号和设计结构进行了说明 使读者对本文所设 计的驱动器的设计层次结构有了一定的了解 最后分析交代驱动器需要达到的 性能指标 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 10 第3章 led 恒流驱动电路的设计与仿真 第二章介绍 32 通道 led 驱动芯片的整体电路的结构 及芯片各个端口的 作用 本章将要在对整体电路有宏观定性认识的基础上对构成整体电路的各个 子功能模块进行分析和设计 并在 cadence 集成环境下对各个子功能模块进行 仿真验证 3 1 带隙电压基准源 带隙基准源是指在特定的参考温度下 输出基准电压vref的温度系数基本 为零 且其值约为半导体的带隙能量的电压基准源 23 3 1 1 原理介绍 基本与温度无关是带隙基准源的一个重要特征 为了产生一个对温度变化 保持恒定的量 我们首先必须分别得到两个具有相反温度系数的量 然后进行 对基准输出的温度补偿 在对温度稳定性有较高要求的基准电路中 可能需要 进行温度的高阶补偿 一般情况下 只需要进行温度的一阶补偿 温度的一阶 补偿是指在温度域内选取一点 使得基准源输出在该点对温度导数为零 只要 这一点的位置合适 就能获得较小的温度系数 在实际的带隙基准源电路中 负温度系数可以通过取二极管的正向压降或 双极型晶体管的基极 发射极电压来得到 而正温度系数的获得则需要通过取 一个与 vt 成正比的量 为得到一个与 vt 成正比的 具有正温度系数的量 可以采用如图 3 1 所示的结构 将两个工作在不相等电流密度下的双极晶体管 vdd be v q1q2 ni0 i0 图 3 1 ptat 电压产生电路 fig 3 1 ptat voltage producing circuit 的基极 发射极电压进行相差 所得到的差值即为所需要的具有正温度系数的 量 24 25 假设q1和q2为两个相同的晶体管且它们的集电极电流分别为ni0和i0 并忽 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 11 略它们的基极电流 那么 nv i i v i ni vvvv t s t s tbebebe ln lnln 2 0 1 0 21 3 1 这样 vbe的差值就表现出正温度系数 这个温度系数与温度或集电极电 流的特性无关 基于带隙基准的原理 本模块由包含一个两级运算放大器 两个双极晶体 管及电阻构成的带隙基准的核心部分 启动电路以及给运放提供偏置的偏置电 路三部分构成 其中核心部分的原理如图3 2所示 三极管的集电极电压差落在电阻r3上 产生的电流 vtlnn r3具有与温度变化成正比的特性 另外双极型晶体管的基极 发射极电压vbe 具有负温度系数 即 kmvtvbe 5 1 这样很容易得出这 样的式子 1 ln 322 rrnvvv tberef 3 2 因此我们可以取适当的电阻值 使在比较理想的温度时0 tvref 这 样基准电压可以在放大器的输出端得到 r1r2 r3 op amp x y q1q2 i1i2 vref 图 3 2 带隙基准原理图 fig 3 2 bandgap reference schematic 电路中用到一个两级运算放大器 op amp 通过深度线性负反馈控制 x 点与 y 点的电压值相等 它以 vx和 vy为输入 驱动 r1和 r2的上端 来控 制 x 点和 y 点电压值的变化 假设当 x 点电压大于 y 点电压 由于 x 接在 运算放大器的正端 则运算放大器输出电压升高 r1与 r2支路上电流增大 由于电阻 r3上的电压对电流呈线性变化 而双极型晶体管 q1上的电压对电流 呈对数变化 因此 y 点电压上升速度高于 x 点电压 直到 x 点和 y 点电压值 相等 反之当 y 点电压大于 x 点电压 经过运算放大器的反馈 两点电压也 将保持一致 通过以上原理达到控制 x 和 y 两点电压相等的目的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 12 3 1 2 电路设计 本文所设计的带隙电压基准电路结构图如图 3 3 所示 带隙基准电路存在 稳定的工作点 当电源上电时 电路有可能会稳定在零电流状态而无法正常工 作 需要增加一个启动电路 m0 m16 26 初始工作阶段 则晶体管 q2上端 为低电平则与另一侧与晶体管 q1相连的电阻的另一端也是低电平 这时启动 电路也不工作 从而两个二极管连法的 mos 管上端为低电平 这样启动电路 的右侧导通把晶体管 q2的上端拉到高电平 然后经过两级放大使带隙基准电 路正常工作 启动电路将不再起作用 m1 m9 构成两级运算放大器 m1 m4 是第一级运放 差分输入单端输出 第一级运放的输出电压作为第二级运放的 输入信号 电容 c 提供密勒补偿 m10 m15 是偏置电路 电路首先产生一个 和绝对温度成正比 ptat 的电流 再通过电阻将该电流转变为电压 最终从 vref端产生稳定的不受温度影响的基准电压 带隙电压基准的温度特性仿真 结果如图 3 4 所示 q1q2 vref m0 m1 m2 m3m4 m5m6 m7m8 m9 c m10 m11 m12 m13 m14 m15 m16 m17m18 m19 m20 m21 01 图 3 3 与温度变化无关的电压基准源原理图 fig 3 3 nothing to do with the temperature voltage reference schematic 图 3 4 带隙基准温度特性仿真结果 fig 3 4 bandgap temperature characteristics of simulation results 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 13 温度特性仿真结果上图所示最终得到一个在 50 150 的温度变化范围 内典型电压为 1 389v 温漂系数为 4 328ppm 变化范围为 4 5mv 的电压 基准源 3 2 电流调节模块设计 此模块是产生大电流的恒流源 带隙电压基准产生的电压经过放大器放 大 输出稳定的信号再经电流镜复制成 32 路高精度的电流源 输出给下一级 驱动电路 并且在此模块外部设置了外接电阻 rext 它的作用是在一定范围 内通过调节外接电阻的阻值 来达到调节输出电流的目的 本节所设计的电流基准模块 首先要产生一个电流基准信号 带隙基准电 压经过放大器的放大 再经过电压电流转换成恒定的电流基准信号 然后通过 电流镜复制成 32 路稳定输出的电流信号 为了使输出的电流更加稳定 我们 考虑到运放并不是理想的运放 其输入失调会影响放大器的性能 这种失调是 由于集成电路工艺引起的本征误差 一方面可以通过版图的改进加以抑制 另 一方面可以通过特殊的电路结构对这种不匹配加以抑制 从而减小器件失配 提高电路精度 常用补偿失调电压的方法有自动调零技术和斩波调制技术 27 采用了自动调零技术 其电路结构比较复杂 而且为了使系统稳定需要 额外的相位补偿电路 显著地增大了电路的版图面积 不利于降低成本 因此 本文采用了斩波调制技术 不仅电路结构简单 且具有更好稳定性 斩波调制 的思想就是让两个输入信号轮换地加到差分输入端 并且让输出端在两条支路 之间轮流的切换 动态地补偿晶体管尺寸不匹配所引起的误差 借此来减小运 放的失配 本文设计了一种传输门选通电路 通过时钟信号对传输门链的循环 选通原理 实现对放大器失调的抑制 减小运放的失调电压 3 2 1 电流调节模块结构 电流调节模块的整体结构框图如图 3 5 所示 其中主要包括四个电路单 元 分别是两相不交叠时钟 放大器 逻辑选通电路和 32 路电流镜 模块外 部设置一个外接的可调电阻 rext 用来调节输出电流的大小 两相不交叠时 钟控制选通电路的选通方式 模块中的反馈是从电流镜引回的 经过选通电路 送入放大器对差分输出信号进行调节 使输出信号更加稳定 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 14 放 大 器 逻 辑 选 通 电 路 32 路 电 流 镜 rext vref 反 馈 两相不交叠时钟 i0 i1 i30 i31 ck 图 3 5 电流调节模块结构框图 fig 3 5 current regulator circuit diagram 3 2 2 两相不交叠时钟 介绍一种两相不交叠时钟电路 因为这一节所设计的电流调节模块需要有 两相不交叠时钟电路作为输入控制端 逻辑选通电路的控制信号就是由两相不 交叠时钟信号控制的 文章采用基本的与非门设计两相不交叠时钟 电路图如 图 3 6 所示 ck1 ck2 ck 图 3 6 两相不交叠时钟 fig 3 6 two phase non overlapping clock 利用一个时钟信号生成了一个两相不交迭时钟 应用简单的与非门设计了 一个两相不交叠时钟 当时钟信号 ck 是高电平时 则使 ck1 为高电平 ck2 为低电平 当时钟信号转换为低电平时 ck1 先变为低电平 接着经过 一定延迟后 ck2 才变为高电平 不交迭的区域由或非门和或反相器链延迟决 定 反相器链保证时钟保持不交叠并且有一定的延迟 由于这个不交叠时钟电 路是加给选通电路的输入信号 在本文设计的选通电路中需要的不交叠区域较 大以保证传输门链与偏置电路之间互相提供的输入信号保证有几纳秒的缓冲 使偏置电路提供的输入信号恰好通过传输门链 经过实际验证 选用 6 个反相 器联成的反相器链恰好保证选通电路的正常工作 输入端接入频率为 25mhz 的时钟信号 产生的两相不交叠时钟的瞬态仿 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 15 真如图 3 7 上面两个波形 ck1 ck2 是两相不交叠时序波形 下面的波形 in 即 ck 是输入时钟信号波形 图 3 7 两相不交叠时钟电路瞬态仿真 figure 3 7 two phase non overlapping clock circuit transient simulation 由仿真波形图看出 输出端 ck1 ck2 即图中的 out1 out2 之间的时序 是正确的 并且从图中可以明显看出 ck1 ck2 的上升沿和下降沿有明显的 不交叠区域 满足不交叠时钟的设计要求 不交叠时间间隔约几纳秒 3 2 3 放大器 图 3 8 是一个折叠共源共栅放大器 含有两个偏置电路 一个是电流基准 产生的 另一个由单级运放的输出信号作为偏置 28 下面对电路具体分析 cl1 cl2 cx1 cx2 cx3 m1 m5 m7 m6 m8 m11m12 m13m14 m15m16 m17 m18 m19 m20 m21m22 m23m24 m25 图 3 8 折叠共源共栅放大器 fig 3 8 folded cascode amplifier m1 是启动电路 m1 m5 m6 m7 m8 形成电流基准给 m25 和折叠 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 16 共源共栅放大器的 m15 m16 提供偏置电压 同时作为 m11 m12 m13 m14 形成的放大器的输入信号 m11 m12 m13 m14 是单输入差分输出的 单级放大器 它的输出信号作为折叠共源共栅放大器的偏置 m15 m24 构成 折叠共源共栅放大器 m23 m24 是输入管 m19 m20 是两个折叠的 cmos 晶体管 m15 m16 m17 m18 形成共源共栅电流镜作为放大器的负 载 由于输出阻抗较大 可以提高放大器的增益 m19 m20 m21 m22 作 为偏置为提供电流 m21 m22 形成伪电流源 输入管 m23 m24 的输入信 号是由选通电路提供的轮换输入信号 用来调节放大器的差分输出信号 使放 大器的输出端 cl1 cl2 输出的信号更加稳定 3 2 4 选通电路 逻辑选通电路结构如图 3 9 所示 选通电路的主要作用是对放大器的差分 输入信号进行调节 让两个输入信号轮换地加到差分输入端 并且让输出端在 两条支路之间轮流的切换 动态地补偿晶体管尺寸不匹配所引起的误差 借此 来减小运放的失配 选通电路有四个输入信号 分别是两相不交叠时钟信号 ck1 ck2 带隙电压基准提供的恒定电压 vref 还有一路是从电流镜反馈回 来的负反馈输入信号 两相不交叠时钟控制选通电路的选通方式 带隙电压基 准和负反馈信号提供输入偏置信号 输出端 out 连接 10 个 pmos 晶体管后 经电压电流转换为恒定电流信号输入给 32 路电流镜 k1 k2 k3 k4 k5 k6 k7 k8 cl1 cl2 vref 反馈 out cx1 cx2 cx3 ck1 ck2 图 3 9 选通电路示意图 fig 3 9 strobe circuit diagram ck1 ck2 控制选通电路的选通方式 使从放大器输出的信号通过传输 门链最终输出给电流镜电路 选通电路共含有 8 个传输门 把传输门等效为开 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 17 关并给每个传输门命名 自上而下分别为 k1 k2 k3 k4 k5 k6 k7 k8 ck1 控制 k1 k3 k6 k8 四个传输门的工作状态 ck2 控制 k2 k4 k5 k7 四个传输门的工作状态 在两相不交叠时钟高低电平循环工作 时 可将逻辑选通电路中的传输门等效为开关进行分析 将图形化繁为简 由 于传输门等效为开关后只有开和关两种工作状态 这样可以在输入的时序相反 的不交叠信号确定时定性分析电路的工作状态 29 30 由于两相不交叠时钟循环控制传输门的开启和关断 所以有两种工作状态 循环工作 当 ck1 控制的开关工作时 即开关闭合 ck2 控制的开关关闭 而当 ck2 控制的开关工作时 ck1 控制的开关关闭 不管哪种不交叠时序信号 控制的开关处于工作状态 都将使逻辑选通电路的输入信号轮换地加到差分放 大器的输入端 达到斩波调节的目的 选通电路工作状态描述 1 当两相不交叠时钟信号 ck1 为高电平 ck2 为低电平时 此状态我们称为选通路径 a 由 ck1 控制的传输门开关开启 而由 ck2 控制的传输门电路关断 由带隙电压基准提供的电压 vref经过逻辑 选通电路的开关 k8 后经 cx3 给放大器的差分输入管 m24 提供输入信号 反 馈输入信号通过开关 k6 后经 cx2 为折叠共源共栅放大器的差分输入管 m23 提供输入信号 放大器输出两路信号 cl1 cl2 cl1 经开关 k1 重新流回放 大器提供偏置 cl2 经过开关 k3 流出选通电路 经过 10 个串联的 pmos 管 将输出电压放大 作为 32 路电流镜电路的恒定输入信号 这样 选通路径 a 就为电流镜提供了持续稳定的电压 经过电流