一种lcd驱动电路硬ip的设计

一种lcd驱动电路硬ip的设计

1soc驱动电路图像显示技术是20世纪70年代的一个重要发明。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。笔段式液晶显示器件应用最早,使用最广泛。目前,笔段式液晶显示器在有关计时、计数的各个领域,从电子手表到音响家电,以及汽车的电子化中,都有着广泛的应用。随着IC的功能越来越复杂,SOC芯片设计成为填补“designproductivitygap”的必要而且有效的途径。在设计SoC芯片的过程中,对不同功能的可复用IP的集成是关键。本文设计了一个用于SoC集成的LCD驱动电路的硬IP。它可以与控制器集成在一起,接收来自行扫描信号以及并行的列选择控制数据信号,驱动不同电极排布的笔段式LCD面板。设计采用CMOS工艺,适用于动态驱动法,提供4个行扫描通道,24个段电极输出。根据所选择LCD面板的不同最多可以驱动12个字。2显示器件的驱动方法液晶的显示是由于在显示像素上施加了电场,这个电场由现实像素前后两电极上的电位信号差所产生。电压差有效值大于阈值电压时,像素产生光电效应,成显示态;小于阈值电压时,像素不产生光电效应,呈不显示态。有效值在阈值电压附近时,液晶呈现较弱的光电效应,将影响液晶的显示对比度。考虑到直流电压将导致液晶材料的化学反应和电极老化,从而迅速降低液晶材料的寿命,因此必须建立交流驱动电场,并要求这个交流电场中的直流分量越小越好。常用于液晶显示器件上的驱动方法有静态驱动和动态驱动两种。在静态驱动的液晶显示器件上,各液晶像素的背电极BP是连在一起引出,各像素的段电极SEG分立引出。在背电极和段电极分别加上相位相差180°的脉冲信号,实现像素的显示与不显示。对于笔段式液晶显示器,采用静态驱动方式,必须将所有笔段的段电极分别与周围电路连接,导致电路的布线复杂,驱动元器件数目也相应增加,所以在位数多、笔画段数多的情况下不宜采用静态驱动。动态驱动法是最常用,也是最能挖掘液晶显示器件显示功能的驱动方式。将水平一组显示像素的背电极连在一起引出,称之为行电极,又称公共级;将纵向一组显示像素的段电极连在一起引出,称之为段电极,又称为列电极。动态驱动法是循环地给每行电极施加选择脉冲,同时所有列电极给出该列像素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驱动。这种行扫描是逐行顺序进行的,循环的周期很短,使得液晶显示屏上呈现稳定的图像效果。但这种方式会使得半选择点有半显示现象,使得显示的对比度下降,即有“交叉效应”产生。消除动态驱动法中“交叉效应”的方法是平均电压法,又称偏压法。即把液晶的驱动电压等分成若干挡,如a挡。适当地提高非选择点的电压,如1/a倍差于选择电压,从而降低半选点上两电极上的电压差。动态驱动法加入了偏压法使其更加完美,它广泛应用于点阵型液晶显示器件和多路结构液晶显示器件的驱动上。3负载电容效率输出驱动电压的直流分量值是液晶显示器驱动电路的主要性能参数之一。这主要是由于液晶自身的化学特性所决定的。一般的笔段式液晶显示器可承受的直流分量值为30mV左右。同样的驱动能力对于不同的负载电容,将会有不同的直流分量值。设计的预期为,在行负载为20nF,列负载为3nF,帧频为512Hz情况下,输出驱动电压的直流分量值为20mV。输出电阻是液晶显示器驱动电路的另一个主要性能参数。由于液晶显示器可以等效为一个电容。输出电阻将影响电容的充、放电时间常数,即影响输出电压波形的上升、下降时间,从而影响了输出驱动电压的直流分量值。在一定的负载情况下,输出电阻越小越好。但同时要根据需要选择,越小的电阻会占用更多的芯片面积。4d面板控制器设计所设计的LCD驱动器的结构框图如图1所示。图中com0～com3为LCD面板的行驱动输出,seg0～seg23为LCD面板的段电极驱动输出;行、列选择控制数据为从控制器接收的数据。驱动器主要由偏压产生器,阻抗变换器,电压选择和输出驱动四个部分构成。所设计的驱动器的主要功能为:①可适用于多种背极驱动结构:2背极,3背极或4背极;②可选择的显示偏置电压结构:1/2偏压或1/3偏压;③可选择的分压方式:采用内部电阻分压或外接电阻分压;④可以关断驱动电路,使显示器无显示。4.1抗偏压电路带阻抗变换器的偏压产生器电路如图2所示。VSEL控制采用内部电阻或是外部电阻分压来产生所需的电压;EN信号用来在不需要驱动LCD面板显示的时候关断偏压电路,从而使LCD面板没有显示。采用三个电阻分压,从而满足1/3偏压的需求。当需要采用1/2偏压时,可将V2,V3短接来实现。4.1.1大电阻分压电压的产生主要靠电阻分压来实现。分压部分是静态功耗的主要来源之一。为了减小功耗,要采用大电阻分压。设计中取每个电阻300KΩ。由于电阻占芯片面积较大,故实现时采用二极管接法的PMOS场效应晶体管来代替电阻实现分压。4.1.2抗侧力设计。根据情况,设计内对于大的分压电阻,在偏压产生电路后加上阻抗变换电路是十分必要的。大的分压电阻导致了大的输出电阻,引起输出电压的形变。虽然用在电阻上并联大电容的方法可以缓解输出电压的变形,但是这将引起输出电压下降,也是驱动电路所不允许的。阻抗变换器可以屏蔽分压的大电阻对输出电阻的贡献,同时增大驱动电路的驱动能力。设计中利用单位增益的运算放大器来实现阻抗变换。阻抗变换器是整个设计的一个重点。首先要求它能尽可能准确地传递产生的偏压。偏压传递的不准确将增大驱动电压的直流量,同时还将影响显示的清晰程度。为了提高变换器电压传递的准确性,需要足够大的增益。同时,大的增益可以更好的屏蔽分压电阻对输出电阻的影响。此外,还要考虑使用阻抗变换器的个数问题。若对于行和列传输电平分别使用两个阻抗变换器,对变换器的驱动能力要求较低,但是变换器本身的输入失调将影响同一个电压在行和列的输出值;若对行和列的相同电平采用一个变换器,则对变换器的驱动能力有较高的要求。设计中,选用后一种方案。采用了具有推挽输出的单位增益放大器来实现阻抗变换。仿真表明,变换器的小信号增益为20K,在1V～2.3V的范围内,输出电压值偏差1mV,具有很好的电压传递效果。同时,推挽的输出结构保证了电路的电流驱动能力。4.2选择和输出电压输出行和列的电压选择及驱动输出均采用如图3所示的同一种结构。通过开关来控制电压的选择和输出。4.2.1a线、b线电压色电图3左侧部分实现电压的选择。行、列电压选择电路中,AC信号相位相反,同时将V1、V3和V2、V4分别分组合成一组,由AC和AC的反来控制,从而实现了动态偏压法,消除了‘交叉效应’。当AC为高电平时,行选定电压为V1,非选定电压为V3;列选定电压为V4,非选定电压为V2。各个显示像素中全选点电压差为VLCD=V1-V4,半选点和非选择点电压分别为1/3VLCD=V1-V2=V3-V4=V3-V2。图3右侧部分为驱动输出部分。行、列驱动数据(DATA_0～DATA_n)通过控制开关k1～k2n+2来选择传输a线或b线上的电压给LCD显示屏上对应的像素。驱动数据为逻辑‘1’,代表传输a线电压,即所驱动像素被选定;逻辑‘0’,代表传输b线电压,即所驱动像素未被选定,从而实现各个数字显示。同时AC与帧频的配合可以实现场倒转写入,行倒转写入和一帧相位翻转写入。但所采用的电压选择和驱动输出的结构不能实现列翻转写入和点翻转写入。图4给出了各个翻转方式的实现方式。其中T为扫描一行的时间,即1/4T为帧频。4.2.2深线性区电压值的计算变换器20K的增益使得分压电阻在输出端只表现为十几欧姆,整体的行、列输出电阻则主要是各个控制开关的电阻。对于MOS开关,源、漏两端的电压基本相等,即VDS≪VGS-VT,故各开关管均工作在深线性区,根据线性区的电流公式:ID=μCOXWL[(VGS−VT)VDS−12V2DS]ΙD=μCΟXWL[(VGS-VΤ)VDS-12VDS2]忽略V2DSDS2,可得:RON=1μCOXW/L(VGS−VT)RΟΝ=1μCΟXW/L(VGS-VΤ)设计中所有NMOS管的栅压均为3.3V,PMOS管的栅压均为0V,根据所传输的电压值(1V或者2V)和预期的电阻值可以较容易的确定各管的W/L值。为了实现无阈值损失的传输电压,并且尽量用较小的面积达到所需的开关电阻值,除负责传输V1和V4电压的开关外,所有开关均采用CMOS模拟开关。5负载电容5nf,电路图5为采用华虹0.25μm工艺设计的驱动电路版图。在进行LPE取得版图寄生参数之后对设计使用Hspice进行后仿真。后仿真条件为:行负载电容10nf,列负载电容3nf,帧频为62.5Hz。输出驱动电压的直流分量为18.5mV,达到了设计的预期,同时满足一般LCD显示器的要求。整个电路的静态功耗为0.23mW,功耗不大。作为硬IP的开发,除了形成版图之外,还需要相关的模型来支持在系统中的集成和仿真、验证。这样,作为IP的设计才是完整的。本设计在电路及板图设