一种快速满幅度的集成源极驱动器.doc

一种快速满幅度的集成源极驱动器陈韬，廖聪维，郑灿，张盛东北京大学，深圳研究生院，深圳，518055 摘 要：设计了一种适用于驱动电子纸的非晶硅(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)薄膜晶体管(thin film transistor, TFT)的集成源极驱动电路。集成源极驱动电路的使用使得电子纸的外围引脚数量极大地减少。SPICE模拟的结果表明，相比于传统的基于反相器设计的集成源极驱动电路，这种新的源极驱动电路输出电压满幅度、速度快、寿命长。并且这种新的源极驱动电路结构简单，占用版图面积仅为传统源极驱动电路版图面积的1/3。关 键 词：电子纸(e-paper)，非晶硅(a-Si)，薄膜晶体管(TFT)，源极驱动器1 引言 电子纸(e-paper)因具有柔性、低功耗、节能环保的特点，近年来其发展引起了学术界和产业界的广泛关注1。在各种电子纸显示中，微胶囊电子墨水技术较为成熟。微胶囊电子墨水的驱动是通过外加电场，对带电的黑白粒子在正负电极间的位置进行控制而形成图像。 基金项目：深圳市重点实验室提升项目(CXB201005260065A, CXB200903090042A)Email: 为了让电子纸真正具有像纸一样的柔性，集成驱动器引起了研究者的兴趣2-5。所谓的集成驱动器是将驱动电路在显示基底上完成，从而减少模组中外围IC的使用。集成驱动器能够减少外部连线数量、极大地简化显示模组、降低模组成本。得益于薄膜晶体管液晶显示(thin film transistor liquid crystalline display TFT LCD)技术的发展，集成栅极驱动器技术已经较为成熟。虽然非晶硅(hydrogenated amorphous silicon a-Si:H) TFT只有N型载流子且迁移率低、稳定性差、容易发生阈值电压(threshold voltage VT)漂移，但是通用自举、脉冲驱动、多相时钟等技术，满幅度、快速度、长寿命、低功耗的集成栅极驱动器已成功在众多的TFT LCD应用中实现。近年来也出现了不少适用于电子纸的集成源极驱动器设计。David R. Allee等3,4通过采用自举反相器、dummy TFT等技术，成功实现了一种集成源极驱动器的4 QVGA电子纸。Byung Seong Bae等 5，针对高电平驱动管存在VT损失的问题，采用电压自举技术完成了一种满幅度的集成源极驱动器。这些研究结果都表明a-Si:H TFT 能够胜任设计电子纸的集成源极驱动器的驱动要求。但是，这些被报道的集成源极驱动器基本上是基于静态逻辑的，利用有源负载的反相器组成数字逻辑。由于a-Si:H TFT在长时间直流偏置下容易发生VT漂移，故反相器的输出电平容易发生退化。研究表明这些集成源极驱动器的寿命较短4。虽然采用静置等办法，a-Si:H TFT的VT漂移有恢复的趋势，但是实验结果表明集成源极驱动器的寿命并不能因此而显著地延长3。本文报道了一种新的a-Si:H TFT源极驱动器，它不仅能快速满幅度地实现源极驱动，而且具有长寿命、占用版图面积小的特点。这种新源极驱动器在大屏幕、高灰阶的电子纸显示中有望获得应用。2 原理介绍2.1传统a-Si:H TFT源极驱动电路如图1所示，传统的a-Si:H TFT源极驱动器包括如下部分：移位寄存器、第一级锁存器、第二级锁存器以及电压选择电路3-5。在移位寄存信号SR的控制下，第一级锁存器采样数据信号VI及其反相信号，存储在电容CS1以及CS2上。在锁存同步信号LE的控制下，第二级锁存器输出选择信号，高/低电平分别被选择产生像素电压。普通的有源负载反相器存在阈值电压损失的问题，输出高电平无法满幅度。采用如图1(c)所示意的自举反相器能够使得输出高电平满幅度。图1所示电路仍然存在如下两个主要问题：(1) 存在较多的晶体管处于直流偏置状态，电路寿命较短；(2)电路较为复杂，器件数量多，需要较高的工作电压才能够实现满幅度的输出电压。(a)(b)(c)图1 (a)传统a-Si:H TFT源极驱动单元电路；(b)时序示意图；(c)自举反相器单元图Fig. 1 (a) schematic of conventional a-Si:H TFT source driver unit; (b) timing waveforms; (c) schematic of bootstrapped inverter 2.2 新的a-Si：H TFT源极驱动电路图2示出了新的源极驱动单元电路及其时序图。其单元电路包括：控制管TSR, TLE,和TS，高电平驱动管TDH，低电平驱动管TDL和存储电容CS。如图2(b)所示，源极驱动单元电路的工作分为以下几个阶段：(1)采样阶段在采样阶段，采样信号SR为高电平，控制管TSR被开启。因此输入信号VI被采样并存储于电容CS上，节点A的电位被抬高到与VI的幅度相同。由于存储电容CS的一端(节点A)连接到TSR的漏极，另一端连接到低电平VL，因此若输入信号VI为高，电容CS上存储着高电平；若输入信号VI为低，电容CS上存储着低电平。 （1）(2)电荷共享阶段在电荷共享阶段，采样信号SR为低电平，锁存同步信号LE为高电平，控制管TLE被开启。电容CS上的电荷由节点A、B上的总电容分享。因此， （2）若采样得到高电平，且VBVDH3，则TDH开启，由于此时S1为低电平，因此输出得到低电平。若采样得到低电平，且VBVDH3，则TDH为关闭，由于TDL为开启，故输出仍然为低电平。(3)自举驱动阶段在自举驱动阶段，信号S1变为高电平，锁存同步信号LE以及S2为低电平，故TLE、TS、TDL关闭，节点B悬浮。若采样得到高电平，则TDH输出高电平。且由于节点B的悬浮，VO能够达到满幅度。若采样得到的是低电平，则TDH管为关闭，VO保持为低电平。(4) 锁存保持阶段在锁存保持阶段，信号S2变为高电平，节点B被拉到低电平，TDH被关断。从而VO保持着锁存的高、低电平，直到下一帧的采样信号SR的到来。(a)(b)图2 (a)新的a-Si:H TFT源极驱动单元电路；(b) 时序示意图Fig. 2 (a) schematic of the proposed a-Si:H TFT source driver unit; (b) timing waveforms3 模拟和分析图3 传统电路和新电路比较：高电平驱动管的栅极电位波形和输出高低电平Fig. 3 comparison of gate and source voltage waveforms between conventional and proposed a-Si:H TFT source driver unit 图3比较了传统/新电路中高电平驱动管(TDH)的栅极电位(VG)以及源极电位(VO)。从图3可以看到，传统源极驱动器的VO高电平(16V)比设计值(20V)小约一个VT，且驱动速度较慢；新源极驱动器的VO满幅度，且驱动速度较快。这是因为新源极驱动器的TDH的栅极电位被自举到(26V)高于VDD，故TDH的驱动能力较强，克服了传统源极驱动器的VT损失问题。图4比较了传统/新源极驱动器，VO随VDD的变化。从图4可以看到，随着控制逻辑电路部分高电平(VDD)的增加(15V27.5V)，传统电路的VO逐渐增加，并最终达到满幅度。而新源极驱动器的VO保持着较高电压，几乎不随VDD改变。这说明，新源极驱动器的电压设计较为简单，从而可以相应简化外围配套电路。 图4 传统电路和新电路比较：VO随VDD的变化Fig. 4 comparison of VO evolution with increasing VDD between conventional and proposed circuit从图4来看，似乎改变外围配套电路的电源设计，施加更高的VDD，传统源极驱动器也能够实现满幅度的VO。然而，实际上a-Si:H TFT在长时间直流偏置作用下容易发生VT漂移；更高的VDD使得a-Si:H TFT的VT漂移更严重。在传统源极驱动器中，反相器起到核心的作用；当VT漂移以后，其输出电平的电压幅度降低。这最终会影响VO的值，甚至于工作一段时间以后，源极驱动器将失效。根据a-Si:H TFT特性研究2-4，直流偏置条件下，VT漂移的数值可以由以下表达式表征： (3)根据实验测试的结果,偏压20V时，(T=25OC,b=0.35,=8.74*106s)， a-Si:H TFT的VT漂移量达到5V的时间约为5.6天。因此，传统源极驱动器的连续工作寿命较短，难于达到商业应用的需要。而新源极驱动器的寿命能够极大地延长，这主要基于以下两个原因：（1）新源极驱动器的所有器件都工作于占空比较小的脉冲电压偏置下，实验已经证实在占空比较小的脉冲偏置情况下，a-Si:H TFT的VT漂移量极大地减小；（2）即使a-Si:H TFT的VT存在较小的漂移，VO仍然是满幅度的，且电路的工作速度较快。因此，新的源极驱动器稳定性更好，具有较长寿命。对比传统/新源极驱动器单元电路的版图，我们发现新源极驱动器的版图面积减少到传统源极驱动器版图面积的1/3大小，使得节省版图面积的新源极驱动器更适合集成到显示面板上。4 总结本文报道了一种基于自举原理的集成a-Si:H TFT源极驱动电路。通过分析和模拟可知，相比于传统电路，这种新电路具有无电压损失、快速、长寿命的特点。这种新的集成源极驱动器能够较大地精简显示模组，适用于驱动电子纸。参考文献 1 李文波，徐征，张卓等，微胶囊电泳显示与传统TFT-LCD显示之比较分析 C，2010 中国平板显示学术会议论文, 2010.2 S. 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Integrated a-Si:H source driver with improved output voltage for e-paperJ, Journal of display technology, 2012, 8(1):7-11.A Fast Integrated a-Si:H Source Driver with Full Voltage SwingTao Chen, Congwei Liao, Can Zheng, Shengdong Zhang Shenzhen graduate school, Peking University, Shenzhen, 518055Abstract An integrated source driver with a-Si:H (hydrogenated amorphous silicon) TFT (thin film transistor) is proposed for e-paper driving application, which is intend to reduce external connection and improve the compactness and flexibility of e-paper module. SPICE simulations show that, compared with conventional invert