一种彩色 LED显示屏16位恒流驱动专用芯片的设计

摘 要： 基于CSMC 0.5 μm 5 V CMOS标准工艺，流片实现了一种彩色LED显示屏16位恒流驱动专用芯片的设计。采用高精度的基准电源抗失调和驱动电流输出匹配等技术，保证了在-40 ℃～80 ℃工作温度、4.5 V～7 V工作电压和负载宽幅改变情况下，芯片各通道最大输出电流达到106 mA，而相应的位间电流输出误差小于2.1%，片间电流输出误差小于3.3%。同时电源电压调整率为0.3%，输出电压调整率为0.09%。
关键词： LED显示屏；恒流驱动；专用芯片

目前，大型彩色 LED 显示屏已成为高清晰大屏幕平板显示器件的主流产品。这是一种由发光二极管及其显示驱动集成电路芯片组成的显示单元拼接而成的大尺寸平板显示器件，显示单元中的集成电路驱动芯片主要用于接收后端控制系统的数字信号，驱动前端屏体发光二极管导通，实现信息显示。因此，驱动芯片的性能对LED显示屏的显示质量起着关键作用。近年来，随着LED显示屏显示技术的快速发展，专用型芯片已成为大型彩色LED显示屏的主流驱动芯片，但仍存在一些关键问题亟需解决，其中最为核心的是多位恒流驱动显示技术[1]。精确的多位恒流驱动决定了大型彩色LED显示屏显示的均匀性、一致性和商用价值。
本文基于CSMC 0.5 μm 5 V CMOS工艺，采用高精度基准电压抗失调和驱动电流输出匹配等技术，设计了一种适用于户外工作环境的彩色LED显示屏16位恒流驱动专用芯片，经仿真测试和流片验证，证明所研制芯片达到应用指标要求。
1 芯片系统设计
芯片的系统结构如图1所示。电路系统主要包括带隙基准、恒流基准、高精度电流放大器和逻辑控制等模块。其中，带隙基准模块产生高精度低失调基准电压，恒流基准模块利用基准电压和外挂电阻产生恒定基准电流，每个通道的高精度电流放大器完成对基准电流的放大，逻辑控制模块完成串并转换以及对每个通道的使能控制功能。

2 电路设计与仿真
2.1 带隙基准模块
在带隙基准模块中，由于实际情况下运算放大器不完全对称，因此存在失调电压和低频噪声；同时，晶体管失配引起的随机误差对基准源的精度影响也较大。因此，针对带隙基准模块的温度稳定性、抗噪性能和精度，本文设计了如图2所示的带隙基准模块结构，由启动与偏置电路、带隙基准电压源主体电路、振荡器、RC低通滤波器和电流镜等电路组成。启动电路在模块刚上电时，帮助电路离开零点；偏置电路主要为振荡器和运算放大器提供适当的稳定偏置。这里，采用与电源无关的偏置技术[2]设计启动和偏置电路，以提高电源抑制比及电压调整率，改善带隙基准模块的精度。带隙基准电压源主体电路由运算放大器、斩波调制电路和解调电路组成，需要指出，本文通过采用斩波调制技术[3]，消除了运放的输入失调电压，并有效地抑制了器件噪声。振荡器产生互补方波信号，用于斩波调制与解调电路中MOS开关管的通断控制，这里采用由反相器构成的环形振荡器，并通过反相器对方波进行整形，保证了信号的输出质量，同时减少了芯片面积。运算放大器输出端连接RC低通滤波器，以进一步消除噪声影响。电流镜为其他电路模块提供偏置电流，采用由带隙基准电压源输出电压直接偏置MOS管电流源方法，提高了温度稳定性，并减小了传输偏置电压的走线受干扰程度。

采用Hspice仿真器对上述设计的带隙基准模块从－40 ℃~80 ℃进行温度扫描。结果表明，当电源电压VDD=5.0 V，在5种不同工艺角变化时，基准电压随温度变化的最大偏移为2.2 mV，温度系数达到14.7 PPM/℃。
2.2 恒流基准模块
本设计中恒流基准模块采用外挂精确电阻和运算放大器负反馈方式，为高精度电流放大器提供恒定电流基准。考虑到高精度电流放大器工作在开关状态，因此在设计中添加了改进型电流镜、箝位电流镜和跟随器，如图3所示。其中，运算放大器采用两级结构并经过密勒补偿，以保证系统的稳定性，同时通过插入电阻方法消除零点造成的影响；改进型电流镜用于减少沟道长度调制效应引起的失配，并提高输出阻抗和输出驱动电流的匹配精度；箝位电流镜可提高电流镜速度[4]，支持25 MHz的数据移位频率和高速电流响应；跟随器则隔离了高精度电流放大器对恒流基准模块的干扰。

仿真结果表明，在VDD=5.0 V和各种工艺角下，－40 ℃~80 ℃时恒流基准模块产生的基准电流与外挂电阻REXT成反比，大小为1.25 V/REXT，偏差在0.1%范围之内。
2.3 高精度电流放大器
高精度电流放大器和LED直接连接，并通过逻辑控制模块控制其输出驱动电流的开关。当逻辑控制模块输入从有效变为无效时，采用上拉网络和下拉网络对运放和输出进行关断，达到快速关闭LED的目的，电路结构如图4所示。此外，考虑到高压管电容的影响，采用了放电电路以消除输出驱动电流中的杂波。

图4中运放电路的AC特性采用Hspice仿真器进行扫描，结果表明，OP的开环增益为99 dB～103 dB，单位增益带宽为1.7 MHz～2 MHz，相位裕度为62 °～70 °。
2.4 逻辑控制模块
逻辑控制模块用于对外部显示数据的接收、锁存、串并转换以及使能控制，并结合脉冲宽度调制，输出16位LED逻辑控制信号，实现对LED显示屏的开关控制和灰度控制。在本文的逻辑控制模块中，专门设计了SDO脚和OE脚，使外部显示数据可通过SDO脚串行输入，以支持高至25 MHz的数据移位时钟频率，在彩色LED显示屏上实现图像的快速刷新；采用脉冲宽度调制方式对使能OE脚进行控制，达到动态控制彩色LED显示屏的灰度和亮度；在每个输入脚加入施密特触发器进行整形，以消除由于存在对地电容和较长传输线而对波形上升沿和下降沿产生的影响。
采用Maxplus对上述设计的逻辑控制模块进行逻辑功能仿真验证。结果表明，逻辑控制模块完成了对外部数据的串并转换，并对输出数据进行了锁存和使能控制。
3 版图设计与流片测试
随机失配和系统失配将造成芯片性能的下降，因此本文在版图设计时，采用了叉指结构的MOS管，并在两侧加入冗余dummy，以降低上述两种失配。同时，注意匹配的MOS管与其他晶体管之间的间距，以免引起背栅掺杂浓度变化而导致阈值电压和跨导改变。
此外，考虑到当输出电路驱动两个及两个以上的串联LED时，输出的NMOS管耐压将超过10 V。因此，本文在CMOS标准工艺基础上，通过调整个别工艺，例如采用低掺杂浓度的N阱，并利用N阱作为漂移区以提高耐压；同时对NMOS高压管采用Metal 2覆盖[5]，并作为漏极的引出端，从而节省了版图面积并降低了连线电阻。
基于以上的电路设计和仿真验证结果，在CSMC 0.5 μm N阱CMOS标准工艺的规则下完成物理设计和版图验证，得到面积为1 630 μm×1 230 μm的芯片版图。
上述流片后的样品经工业和信息化部电子第五研究所中国赛宝实验室测试，在电压变化范围为4.5 V～7 V，温度变化范围为-40 ℃～80 ℃，送检样片工作正常；当数据移位时钟工作频率为25 MHz时，本文研制样片的主要技术参数的检测结果在表1中列出，并与业界广泛应用的台湾聚积LED显示屏16位恒流驱动芯片MBI5026[6]进行了比较。
本文所研制的芯片具有功耗低、电压电流纹波系数小等优点，可应用于户外大型彩色LED显示屏。
参考文献
[1] 葛集彪.LED视频显示屏实时处理与驱动技术[D].南京： 南京大学.2002(12).
[2] 菲利普·艾伦. CMOS模拟集成电路设计[M].北京：电子工业出版社，2005.
[3] LIU T S，WANG C J.CMOS amplifier using chopper stabilization and sample-and-hold techniques[C].Proceedings of IEEE Region 10 International Conference on Microelectronics and VLSI，2007.
[4] ZHANG X G，MASRY E S.A high-performance，low-voltage，body-driven CMOS current mirror[C].Proceeding of IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2002.
[5] LEE S K，KIM C J，CHOI Y C，et al.Self-aligned extended-drain with compensating ion-implantation for extended-SOA in 30V lateral MOS[C].Proceeding of the 60th Device Research Conference，2002.
[6] MBI5026 Datasheet[EB]．Macroblock．2007.