（光学工程专业论文）基于集成电路的场发射平板显示器件驱动电路技术的研究.pdf

串出大学硕士毕鼗论文 摘要 平撤显示技术怒目前的主流鼹示技术，各阐在这一领域竞争激烈。最承驱动 技术是平板显示技术的核心技术乏一，它与显菘圣模块特性密切相关，并纛在技术 实现童备研究撬梅鄂采取鲡识产投徐护措麓。零研究赞对搦发射平叛显零( 毯e l d e m i s s i o nd i s p l a y ，简称f e d ) 器件的驱动技术殿熊电路开膨，目标是获得具自主 知识的技术 零王作研究了f e d 器释的特性，并搬据嚣体性能要求，蕊于集成电赣，研究 了适用于f e d 显示嬲的高压驱动的电路方案； 殳计和研制出基于i c 的f e d 高压 驱动电路系统，该电路系统出三酆分组成，帮基于瑷场霹编程阵剃( 黝d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，简称f p g a ) 的控制电骆都分、基于离压集成毫路( 箍g h v o l t a g ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，简称h v - i c ) 的高压鞭动电路以及扩大电路输出范围的 辘助奄鼹，具有基予稼狰宽度谡剃方式( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，篱豁t w m ) 魏 灰度鬣幂功能。所设计的驱动电路系统，驱动功能在3 2 x 3 2 像素的场发射驻示平 板显为鼍器件上获得了验证，灰度鼹示功能在发光二极管阵列上获得了验诞。本工 终蘑获褥煞技术籁数据，对囊型场发射乎叛显零技术磅究其蠢重要意义。 关键词。场发射显牙鼍器，驱动电路，高压i c ，芯片浮地，电平叠加，获度 中山大学硕士毕业论文 t i t l e ：s t u d yo fd r i v es y s t e mt e c h n o l o g yb a s e d o rh v - i c f o rf i e l de m i s s i o nd i s p l a y m a j o r ：o p t i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：y a n gc o o s u p e r v i s o r ：p r o ls h a o z h id e n g a b s t r a c t o v e rt h el a t e s td e c a d e ，f l a t p a n e ld i s p l a y ( f p d ) t e c h n o l o g yh a s b e c o m et h e m a i n s t r e a mi n s i d et h ed i s p l a yf a m i l y , a n dm a n yc o u n t r i e sh a v ep a i dg r e a ta t t e n t i o nt o t h i sf i e l d d r i v i n gt e c h n o l o 科i so r eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ff p d s ，w h i c hh a sa n i n t i m a t ec o r r e l a t i o nw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s p l a ym o d u l e ，a n db e s i d e st h e r e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fe v e r yi n s t i t u t ei sp r o t e c t e dw i t h i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y s a f e g u a r d t h i sr e s e a r c hw o r ki sd e v e l o p e da i m i n ga tt h ed r i v i n gt e c h n o l o g ya n d c i r c u i t sf u rf e d ，a n dt h ea i mo fi ti sa t t a i n i n gt h en e wt e c h n o l o g yw i t hs e l fi n t e l l e c t u a l p r o p e r t y h e r e i n ，t h et h e s i sf i r s ts t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i e l de m i s s i o nd i s p l a y ( f e d ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f t h ed e v i c e ，t h et h e s i sr e s e a r c h e dt h ec i r c u i ts t r u c t u r e s u i t a b l ef u rh i g hv o l t a g ed r i v e rf o rf e d a tl a s t , ah i g hv o l t a g ed r i v e rc i r c u i ts y s t e m s u i t a b l ef u ro u rf e d sb a s e do nh i g hv o l t a g ei c sw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h e c i r c u i ts y s t e mw a sc o n s i s t e do ft h ec o n t r o l l e rc i r c u i tb a s e do nf p g a , t h eh i g l iv o l t a g e d r i v ec i r c u i tb a s e do nh v - i ca n dt h ea s s i s t a n tc i r c u i tf o re x p a n d i n g t h eo u t p u tr a n g eo f t h es y s t e m ，w h i c hh a dt h ef u n c t i o no fg r a y - l e v e ld i s p l a yb a s e do np u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) t h ed r i v i n gf u n c t i o no fo u rc i r c u i ts y s t e mh a sb e e nv e r i f i e do n 3 2 x 3 2f e da n dg r a y q e v e ld i s p l a yf u n c t i o nw a sv e r i f i e do nl e da r r a y t h ed a t aa n d t h et e c h n i q u eg o tf r o mt h i sr e s e a r c hh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h en o v e lf e d t e c h n o l o g y k e yw o r d ：f i e l de m i s s i o nd i s p l a y 、d r i v e r 、h i g hv o l t a g ei c 、f l o a t i n gg r o u n do fi c 、 v o l t a g es u p e r p o s i t i o n 、g r a y - l e v e l 串l i i 太学硕士毕韭论文 第一章绪论 在辫今信息化的社会，显示器怒人机对话的甯日，是电予设备最常用的信息 赣出终漩，平援显承蔽零更鹱黎为爱“逐蠹2 l 鬟终懿菠零”瓣发爱耱速。鞠蘸翡 平板显示技术主要有液晶平板显示技术( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 。简称m ) 、等 离子体平扳显示技术( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，简称p d p ) 、有机发光显示技术 o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ，箍称o l e d ) 、蒴笈旁| 平援显示按术( f i e l de m i s s i o n d i s p l a y ，简称f e d ) 和电泳平板显承技术其中，场发射平檄驻示技术是穰研的 新型平扳鼹示技术之一，其显示原理与传统阴极射线管显示器( c a t h o d er a y t u b e ， 蔫称c r t ) 籀类叛，帮鞠用强发瓣掰援发射电子，电子浚高能轰击荧竞餐发怒。 它具有亮度高、响应快，功耗低、环境温度变化范圈宽等优点，被认为是具柯c r t 图像显忝质量的一静平板显示技术1 1 l 。 1 1 场发射平檄显示技术研究现状 场致发射又称为冷电子发射，鼹依靠强的外部电场抑制物体表面势垒，使势 垒的高度降低，宽带畿窄，当势垒的宽度窄到可以同电子波长相比拟时，电予便 霹由隧穷效应穿透势惫送入囊空。场致发射是# 鬻弯效静窀予发瓣方式，辘够提 供高达1 0 7 a c m 2 的电流密度【2 l 。利用场致电子发射物理现象制备电子源( 通常称 为冷阴极电子源) 获褥电子，并应用予平板显示技术是场发射废用的一个夔要方 彝。场发射平袄显示攀徉典型结构鲡蚕1 - 1 所示。 图1 - 1 场发射平板显示器件赡型结构 中山大学硕士毕业论文 其工作原理是【3 l ：在栅极和阴极间加上高压，当极间的场强达到一定强度时， 阴极内的电子会因为内部势垒的降低而隧穿出去成为自由电子，大量电子在阳极 加速电场的作用下碰撞涂敷于阳极的荧光体激发发光。 根据场发射冷阴极材料和结构形式不同，目前场发射平板显示器件研究主要 集中于三类：微尖阴极( s p i n d t ) 型的f e d ，薄膜阴极型的f e d 和纳米材料阴极 的f e d 4 - q 。其中在纳米材料阴极的f e d 研究中，碳纳米管( c a r b o nn a n o t u b e ， 简称c n t ) 的f e d 备受国内外研究机构关注，代表性的有m o t o r o l a , f u t a b a , n o r i t a k e ，p h i l i p s 和s a m s u n g 等，上述研究机构近几年来展示了样机，例如，早 在1 9 9 9 年，韩国s a m s u n g 公司就研制出了4 5 英寸全彩印刷型c n t f e d 8 i ；2 0 0 1 年摩托罗拉公司发表的v g a 格式1 6 英寸c n t - f e d 显示样屏，如图1 2 a 所示1 9 l ； 2 0 0 4 年的国际显示会议( s i d ) 上，摩托罗拉与法国l e t i 公司联合发表了q v g a 格式的6 英寸c n t - f e d 面板1 1 0 j ，如图1 2 b 所示。 a b 图1 2a ：m o t o r o l a 公司发表的1 6 英寸c n t - f e d 样屏1 9 l b ：m o t o r o l a 公司与l e t i 公司联合发表的6 英寸c n t - f e d 面板【1 0 1 在中国，有1 0 家以上的研制单位开展场发射平板显示技术的研究。例如， 中山大学采用碳纳米管冷阴极研制出了4 5 英寸的f e d 样屏；福州大学采用低功 函数印刷型冷阴极研制2 5 英寸3 2 0 2 4 0 彩色f e d 样机【l l l ，如图1 3 所示。 图1 3 福州大学2 5 英寸彩色f e d 的视频显示照片【1 1 l 2 空璺杰堂堡主兰些量塞 。 本文涉及对象憝纳米冷阴极f e d ，尤其悬c n t - f e d ，下蕊简单介绍疑器件 结构和工存原理。嚣前在研静c n t - f e d 器箨通常有秀种结梅形式：二辕缝梅稻 三极结构，如图1 4 所示，其中图1 4 a 为二极结构，图1 4 b 为三极结构。鬣极结 构的f e d 器件主要是依靠控制阴极与栅极问的呶压来谎节像素点的发光情况+ 面 二摄结构的器件主要怒依靠控制陵援与阴极闻的电压来调节像素点的发光辚况。 三极结构的f e d 由于栅极与阴极之间距离较小，因此所需调制电压较低。= 极结 梅f e d 由于阳阴援间距较大，同时荧光粉要求舞电压驱动，翔此工作电联较态， 一般为凡酉茯乃至上千不等。 - 二辍结构 图1 - 4c n t - f e d 结构示意图 1 2 平板显示器件驱动电路技术研究现状 b 三梭结构 l 囊l 平扳显示器件显示驱动技术原理概述 平掇最示器件要赏现显示功能需要外围电路系统的支持。图1 5 是显示电路 系统组成框图。它包括数据源( d a t as o u r c e ) 、箍示适配器( d i s p l a y a d a p t e r ) 、 显示控制器( c o n t r o l l e r ) ，显示驱动嚣( d r i v e r ) 和显示器终( 啪d e v i c e s ) 尼 个部分其中显示驱动器通常可以划分两部分：髭示驱动控制电路和驱动电路 驱动电路与显示器传特性密切相关，它是平扳擞示电路技术巾盼重要和具骞自主 技术静内容。本论文工作主要强绕驱动电路技术搿展 b 四曰銎圈 ! ( 一疆一：髦誊。乞_ j 闰l _ 5 显示系统框架 中山丈学硕士毕业论文 平板显示器件显示驱动通常采用扫描方式，其原理结合图1 - 6 说明如下。 平板显示器件显示单元( 称为像素) 通常采用阵列矩阵式结构。在这类结构中， 显示扫描方式有逐行扫描和逐点扫描【l l ，其中逐行扫描方式最为常用，其占空比 大，有利于发光显示，能提高显示亮度。逐行扫描驱动原理如下：当选中第y i 行时，选通控制信号送至y i 行，显示数据以并行输出方式送至x j ( i = 1 m ) 列， 即需要驱动y j 行的m 个显示单元，1 ，y j ) 、( x 2 ，y j ) 、( x i ，y j ) 、( - l ， y j ) 和( x 0 ，y j ) 单元有驱动信号，至于哪些单元被点亮，则由列数据来决定。第 y j 行扫描结束后，重复上述过程扫描第y i + 1 行；当扫描到最后一行的时候，则从 第一行重复开始新的一次循环扫描。 y 1 y 2 y 3 y y 州 y n x l 埯x 3xx 。1x m 日r；i 1 ；j j 。 。j 。j 。1 。f j 。j 1 j：i i ：i ： 阳：| = = l !l i 图1 - 6 矩阵显示模型 从上述显示原理可以看到，平板显示器驱动需要两种驱动电路：第一种是 行寻址驱动电路( r o w s c a n n i n gd r i v e r ) ，其作用是使得某一行y j 被选通；第二种是 列数据驱动电路( c o l u m n - d a t ad r i v e r ) ，其作用是控制各列的显示单元发光强弱。 如上述提到的，驱动电路与显示器件特性密切相关，不同的平板显示技术其 显示像素驱动电压不同。l c d 平板显示器件和o l e d 平板显示器件的驱动电压较 低，一般是5 - 2 0v ；p d p 平板显示器件工作电压较高，一般在1 0 0v 一2 0 0v 之间。 f e d 平板显示器件理论上预示是一种低驱动电压器件，但是目前在研过程器件的 驱动电压范围较大【1 2 1 1 1 3 1 。 4 中山大学硕士毕业论文 1 2 2 场发射平板显示驱动电路技术研究状况 场发射平板显示驱动电路技术文献报道不多由于它是显示技术的核心技术 之一，各研究机构都采取知识产权保护措施，少有详细驱动电路资料公布，在文 献中通常只有样机系统的结构图。另外，f e d 目前的研究阶段，研究者的关注点 是显示面板的相关科学问题和技术问题上，例如阴极制备及其发射特性、器件结 构、器件显示亮度和寿命等，驱动电路技术作为器件显示功能实现的辅助内容进 行研究然而，f e d 的驱动电路是实现显示的关键支撵技术，是推动f e d 实用化 的一个重要的环节 根据国内外展示的样机展示及其显示驱动的实现来看，f e d 驱动电路主要有 两条技术路线：基于分离元件实现和基于集成电路芯片( i c ) 实现。 在早期展示的样机中，多采用基于分离元件设计显示驱动电路系统，例如： 2 0 0 0 年福州大学展示的2 5 6 x 2 5 6 像素显示屏，采用高压三极管等分离元件实现显 示驱动电路。如图l - 7 所示【堋；2 0 0 3 年东南大学制作的3 2 x 3 2 像素f e d 阵列显 示屏，采用i r 2 1 1 0 等分离元件实现显示驱动电路f l ，l 。 图1 7 福州大学2 5 6 2 5 6 显示屏及驱动系统l 捌 随着f e d 研究进程，器件特性得到了改善，驱动电压随之降低，集成芯片的 驱动电路技术在f e d 中得到应用。例如：2 0 0 5 年，福州大学展示的2 5 英寸3 2 0 2 a 0 彩色f e d 显示器样机，其驱动电路成功应用s u p e r t e x 公司的h v 6 3 2 p g ( 2 5 6 级 p w m 灰度调制芯片) 芯片及s t v 7 6 9 7 芯片实现了彩色动态视频显示【1 0 1 ；2 0 0 7 年美国a p p l i e dn a n o t e 圮h 公司在a d 会议中介绍的2 8 0 x 2 0 0 像素r g bf e d 显示 样屏，其显示驱动系统由基于集成芯片的方案实珊蛔，如图1 8 所示；2 0 0 7 年日 本n o r i t a k e 公司在a d 会议展示的3 2 x 3 2 矩阵f e d 显示屏【1 7 1 ，其显示驱动系统 5 中山大学硕士毕业论文 同样采用基于集成芯片的方案实现，如图1 - 9 所示。 图1 8 美国a p # e an a n o t e c h 公司2 8 0 x 2 0 0 r g bf e d 样屏及驱动电路 图1 - 9 日本n o d t a k e 公司6 4 x 6 4 像素矩阵f e d 显示屏及驱动电路 从文献及样机展示图片中【1 2 。3 1 不难发现，各研究机构都逐渐舍弃分离元件的 设计路线而采用基于i c 的设计路线进行驱动电路设计。比较两种设计路线，可 以看到：分离元件设计的驱动电路存在许多无法克服的问题，例如元件数目比较 多、电路板结构复杂和面积大等，上述电路结构上的缺点会出现分布电感、电容、 电阻的影响电路性能，功耗大，因此对于高分辨显示器件，分离元件的驱动电路 路线是不合适的，电路面积将无法接受。而基于i c 芯片设计的驱动电路可以克 服分离元件设计的驱动电路的缺点【1 4 矧。 基于i c 芯片设计的驱动电路技术，针对驱动的显示器件驱动电压范围，可 以采用两种方式构建驱动电路系统：对于较低工作电压( v e ，电容通过电阻对v b 放电；当输 入信号降低a v 时输出电压v o v b ，v b 通过电阻r 对电容充电输入信号不断 变化，电容则不断充电、放电，在电路开始工作的时刻，电容要经过一段时间之 后才能进入稳定状态，波形稳定的时间长短等于电路的时间常数t ，因此较小的 时间常数有利于快速建立稳定的输出电压波形，时问常数的选择和电路的元件参 数有密切关系，电路元件参数的选择( 包括电阻电容值的选择以及驱动芯片的参 数) 将在电平叠加电路的具体实现中做具体讨论。 电平叠加电路在扩展输出电压范围后实现驱动像素的原理与图2 - 6 中类似， 在这里不再赘述。 1 7 中山大学硕士毕业论文 第三章基于集成化电路的f e d 驱动电路技术研究 本章介绍基于集成化电路的f e d 驱动电路的设计方案。首先介绍基于高压芯 片设计的、适合于驱动电压为2 0 0 v 的f e d 显示器件驱动电路，然后结合第二章 提出的两种扩展输出电压范围的方案，介绍基于高压芯片设计的、适合于驱动电 压为3 0 0 v 5 0 0 v 的f e d 显示器件驱动电路。 3 1f e d 驱动电路结构及原理概述 3 1 1f e d 驱动电路概述 要在f e d 显示屏上显示图像，驱动电路需要两个基本功能；一是需要确定显 示矩阵上的某个像素何时发光，即行列时序以及驱动方法；二是如何控制像素发 光的强度。 根据场发射器件自身的特点，其驱动电路的显示数据流程和其它平板显示器 件的流程有着细节上的不同。f e d 是矩阵排列的场发射平板像素组成，采用逐行 扫描方式寻址，其驱动电路系统框架如图3 - 1 所示。 图3 1f e d 驱动电路系统框架图 图3 1 驱动电路的工作流程为：存储在计算机或者s r a m 中的图像数据送往接 口进行数据处理；控制电路产生电路时序和控制信号，并处理图像数据：驱动电 1 8 中山大学硕士毕业论文 路接收到处理后的图像数据，在控制信号的控制下发出驱动信号去驱动显示器 件 根据场发射器件驱动电路的系统框架，并结合f e d 器件自身的特点，f e d 的驱动电路可细分为五部分具体设计模块如图3 2 所示： 1 、数字主控电路 基于f p g a 的数字主控电路，采用硬件描述语言v e r i l o g 实现，具有两个功 能：一是控制器功能，其控制逻辑、输出时序、产生驱动芯片所需要的控制信号。 在进行测试时，产生所需要的测试信号和同步信号；二是图像处理器，对图像数 据进行处理，将其转换为芯片所需要的形式，在显示灰度图像时，对图像数据进 行灰度数据处理。 2 、光电耦合电路 光电耦合隔离电路是把不同电位的电路耦合在一起，完成电平匹配和高低压 电位隔离的功能，实现数据有效传输。在本电路系统中，芯片浮地方案必须和光 电耦合电路配合使用才能实现，这点将在这章中详细叙述 3 、行驱动电路 行驱动电路即为扫描电极，功能为：采用逐行扫描方式，对f e d 显示屏的阴 极实现寻址。 4 、列驱动电路 列驱动电路即为数据电极，功能为：按照图像源的数据信息，输出相应高压， 驱动f e d 器件的阳极。 5 、输出电压范围扩展电路 中山大学硕士毕业论文 由于本电路系统驱动对象具有驱动电压高的特性，直接使用行列驱动电路， 无法达到驱动屏幕的电平。因此，需要使用输出电压范围扩展电路来实现抬商行 列驱动电路输出电压的电平高度。 图3 2 中f p g a 使用x i l i n x 公司的x c 3 s 2 0 0 5 p q 2 5 6 c 吲开发板，光电耦合 器采用6 n 1 3 7 【3 8 1 型号，高压芯片采用s u p e r t e x 公司的h v 7 6 2 0 t 2 7 1 芯片。上述三者 在速度方面可以兼容，并且也足以满足灰度图案显示的要求。 该驱动电路的工作流程为：图像数据从p c 机接口下载到图像数据处理器； 图像数据处理器产生显示屏的控制时序并处理图像数据。经图像数据处理器相应 的格式处理后，显示数据和时序信号送给信号功率放大电路，加大信号的驱动能 力后送至光电耦合电路；光电耦合电路对信号进行高低压隔离，并进一步加大信 号的驱动能力，最后信号送到高压驱动电路，高压电路输出高压信号驱动3 2 x 3 2 阵列屏。 在以下章节，将对各部分电路功能、原理及设计分别进行详细说明。 3 1 2f e d 驱动电路系统的软件开发环境 1 、控制电路主控芯片 控制电路包括将驱动系统的接口电路、逻辑控制、存储器电路，由现场可编 程器件f p g a 完成。本电路中采用x i l i n x 公司的x c 3 s 2 0 0 5 p q 2 5 6 cf p g a 开发 板来产生逻辑控制信号和显示图像数据。x c 3 s 2 0 0 5 p q 2 5 6 c 系列的f p g a 共有 2 0 0 ，0 0 0 门，4 3 2 0 个逻辑单元，两个1 8k 位的存储器( r a m ) ，4 个数字时钟管 理器( d c m ) ，板上晶振5 0m h z ，三个4 0 引脚的扩展口。该芯片功能强大，程 序可下载到h a s h 中掉电不丢失，对f p g a 引脚可以自由分配，其可重复撩写自 由编程的功能在驱动电路的研究初期显得十分重要。 2 、开发平台 配合主控芯片进行开发，使用x i l i n x 公司的i s e 7 1 i 软件作为f p g a 的软件开发 平台来进行逻辑设计，对f p g a 进行弓i 脚分配，同时使用x s t 软件对程序进行综合， 配合使用m e n t o r 公司的m o d e l s i m x e i l 5 8 c 软件对程序进行前后级仿真功能验证。 程序下载采用并口下载线b y t c b l 鹞t c 进行下载，下载模式采用j t a g t 业标准模式。 中啦天学硕士毕照论文 本电路在此开发平台上的程序设计流程如图3 3 所示。 图3 - 3 程序设计流程 3 、硬粹描述谮富 数字主控部分采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，蕊称h d l ) 进孬设诗。v e r i l o g , 灵疆镶强，语法麓擎，逐渐成为数字系 统设计巾豹主要硬件攒述语言v e r i l o g 语言可进行从系统级捌门级的搐述，描述 形式可为结构描述，亦可为行为缀描述，或者两种描述兼而肖之；同时v e r i l o g 可 支持垂瑗自- f ( t o p - d o w n ) 或自簌囱上( b o t t o m - - u p ) 豹设谤方式。在本系绕孛， 采用行为级描述设计数字图像处瓒及控制信号发生部分嗍 3 2 囊残纯电爨麓f e d 驱动毫路酶实瑷 本节分绍基手巍摄集成芯片设诗的集成纯f e d 驱动龟赣，弗详细说骧鳃踌夔 凡个缀成部分、功能及原理 3 2 。l 数字主控瞧黪 。 在个系统中，妊须有数字主掇部分，用米控制逻辑和i i 寸序，产生控制信号， 中出天学硕士毕业论文 同时能提供数据处理功能。因此这璧酋先介绍本系统的数字蔓掇部分。 控翻部分是本系统在潺试窥测试过程孛不霹缺少静部分，它在整个系统巾骞 以下功能：产生高压驱动芯片的控制信号，完成对蹩套系统的时序产生与控制， 提供行，剃扫描信号的定位脉冲。数据处理电路衡以下功能：宪成从计算机到显 示器豹数镶传输在务，受藏显示存镛数据羽显示嚣佟盼数据楚蘧。本设诗番l 掰叛 上两个4 0 俄扩展c i a l 和a 2 输出控制傣号、时序信譬和图像数据。每块驱动芯片需 要8 4 输入信号，在本魄路中行列芯降的信号定义如图3 4 所示； ch v 7 6 2 0 rh v 7 6 2 0 ch v 7 献o 嚣冀v ，酡8 霪3 4 鬻豫处理及控制泡赣模块 其中行芯片输入倍号为： r _ c l k ：行时钟僚母。 r _ a 、r _ b 、rc 、p ：寒篷蕊冀数据输入稼号。 r _ l e ：芯片数据锁存信号。 r c s ；芯片选中荫效信号。 r _ p o l ：蕊跨输爨全低或全嵩溅试痿号。 同样，列驱动芯片也需要8 个信号，分别为：cc l k 、c _ a 、c i - b 、c _ c 、c l p 、 cl e 、cc s 和c _ p o l ，实现的数字模块框图和输入输出信号。 扳上磊振秀鞠糕 娩，在本设计巾，采溪势籁嚣，赣颓鸯6 0h z 。 上述f p g a 实现图像数据处理和控制信号产擞的硬件描述谣言程序，请参见 中l l j 太学硬士毕泣论文 附录c 3 2 2 光电耦合隔离电路 光电耦合器可传送煮流或者离频交流信号，信号失真小，具有把不丽f 毂位的 电爨耩禽在一起，宠戒毫平匿髦襁电位隔离鲶凌麓。在应麓巾，一般便瓣澎电藕 合器实现系统和外部设备之问的隔离。在本系统中，光电耦龠电路是不可缺少的 一部分，这不仅是因为它有着信号隔离的功能，要是由本电黪系统使用芯片浮地 方案决定豹。由于离疆芯片浮造方案抬离了嵩藤驱动芯片鹣数字趣电位，运决定 了控制电路系统的数字信号需要变为高压信号才能输入到驱动芯片作为驱动芯 片的输入控卷信号失了艇决上述电平匹配闯越，需要通过光毫联合电路絮解决。 在实际应用中，为了馊数字主控电路与高压电貉的隔离，保诞低压电路的稳定工 作，光电耦合电路般都会被采用。 从速度、纛 压秘徐格因素考虑，魄较7 竞曦糕合芯冀浆系列产品l 螂，零毫路 使用甜公司型号鸯6 n 1 3 7 的光电耦合芯片，频率可达到1 3m 比。如图3 - 5 所示 是6 n 1 3 7 的封装引脚圈及真值表，a 图中n c 袭示未连接，a n o d e 和c a t h o d e 分 裂表示竣入端戆阳躅援，宅翻之阉的电流为鼙，v e c 为辕出斌瞧源，o u t p u t 失信 号输出端，e n a b l e 为芯片使能控制端，g n d 为她端。 。6 n 1 3 7 ，a 支k d i p 8 输入 e n a b l e o u t p u t b t * ， 珏 l i f ( 釉 xh xl珏 a b 图3 5a ：光电耦合芯片6 n 1 3 7 引脚 b ：光电耦合芯片6 n 1 3 7 功能冀值表1 3 8 l 巍黧3 - 5 b 寞篷袭霹知，姿输入臻熹毫滚羟楚予导逶( 0 n ) 凌态，e n a b l e 为 高对，输出为低；当b 处于截至( o f f ) 状态，无论e n a b l e 为何状态，输出为高； 当e n a b l e 为低时，光论输入为何状态，输出为离。在本设计的光电耦合隔离电路 孛，黪必藕芯跨静e n a b l e 鬻全部羧蹇，懿匿3 矗翔当b 戆予o n 获态，输邂为 低；当i f 处于o f f 状态，输出为岗。 中山大学硕士毕业论文 图3 6 光电耦合电路底层电路 如图3 - 6 所示为光耦模块的电路原理路，图中所示信号为送至行驱动芯片的 信号，图中电路将c a t h o d e 端作信号输入端，a n o d e 端接3 3v 数字电源，v c c 接 5v 数字电源，此处光耦输入端地接至行悬浮地rg n d ，图中未画出的列驱动芯 片的信号，其光耦输出端地接至列悬浮地cg n d ，见附件a 3 。图3 - 6 中电路工 作原理如下：当输入的控制信号为高时，光耦发射端截止i f 处于o f f 状态，则 光耦的接收端无反向电流，接收端三极管截止，则输出端的控制电平为v d dr ， 为“高”状态；当输入的控制信号为低时，光耦发射端i f 处于o n 状态，则光耦的 接收端有反向电流，接收端三极管导通，此时输出控制信号的电平为rg n d ， 为“低，状态；这样便实现了控制信号高低压的转换和信号的隔离。 光耦模块在本驱动电路系统中有着重要作用：1 ) 实现采用芯片浮地方案需 要抬高控制电平，利用光耦输入和输出隔离的特性，使得经过光祸的控制信号悬 浮到高电平。2 ) 光耦使得行和列的地线独立开来，可分别在行列尝试芯片浮地 方案。3 ) 保护数字主控电路，使低压与高压部分隔离开，同时防止数字信号受 串t l i 大学硕士毕业论文 商压予扰。4 ) 有利予整体电路的抗干扰性s ) 通过设计光电祸合器输入输出电 錾篷，佼蘸癌窀路逛瓣。 3 2 3 高压驱动电路 鸶豫数据楚毽惫貉帮控麓奄潞豹工捧电乎一般仅有c m o s 或m 电平，该 电平和场发射器件的工作电压相麓热远，所以禚图像数据处理器和显示器件f e d 之间，零咆路必须设计一个低压储号转高压、电阻匹配的蔚服驱动电路，以达到 驱动馘瓣静目的 针时f e d 的特性，对该高压驱动电路设计提出以下技术指标要求： 1 、列输出电压和荦亍输出电压瓣差值能够达粥5 v 或者受离； 2 、输出高莲辩，有较高的歼美速度； 3 、输出吸收的电流能力不能太小，需要达到或者高于f e d 所有列同时工作 隧，每裙缒吸收慧电流。 根据器件的驱动爱求，选撵巷片具体指标如下： 1 、电压；决定乎像素管线性工作区段的斜率，也就是像素从开启到藏常点 亮静电藤楚萤。f e d 嚣终摆应静童终毫蓬范围馕在2 0 0 v 瑷七，嚣越芯片戆最大 输出电驻值需要在2 0 0v 跌上甚麓夏高 2 、电流：若为1 1 行m 列矩阵鼹示屏，当全屏亮时，每杼的吸收电流为m 个 像素发黪毫滚慧彝。渡3 2 x 3 2 像素熬显示鬓为镌，每嚣最大嘏漉约鸯l 弛如剐 1 6 0 x 1 2 0 像素的显示屏，每行最大电流为1m a ，那么q v g a 像素的显示群，电 流则更大加之考虑器件短路时电流突增的情况。因此选择芯片，其吸收输出电 滚参数爨要选撂1 0m a 菝上夔芯麓。 3 、开关速度：由于f e d 器件为容性负载，因此，电路输出信号会脊一个充 放电过稷在大屏幕扫描显示的场合下，输出信号频率较高，因此，选择的芯片 霉要鸯攘挽缝穆埝爨，虢绦证簸爨蘩号骞较努瓣童下秀浍。 4 、频率：在大屏幕扫描显示的场合下，输出信号频率较高，芯片的最高传 输频率需要在1 0m 】 l z 以上 鬏撵上述要求，选用了s u p e r t e x 公霹生产豹离篷芯爵h v 7 6 2 0 1 2 7 l ，箕蒸零参 数请参见表1 1 h v 7 6 2 0 是一款其有将串行低聪输入信号转换为并行高压输出信 中山丈学硕士毕业论文 号功能的芯片，最高频率为1 0m h z ，该芯片共有3 2 个输出信号引脚h v 。t l h v 。1 3 2 ，可驱动3 2 路数据线，芯片引脚示意图如图3 7 所示。 h 稍州制州柠一一 ；g g 黑孙g 口l g l 曲售 i 州州4 ；= l 制渊j 4 9 一 图3 - 7 芯片h v7 6 2 0 引脚 1 2 7 1 其控制引脚功能为： l e ：锁存信号。为高时数据为传输状态，为低时数据被锁存；上升沿触发。 c l k ：时钟信号 d m 、d i b 、d t , c 、d i , d ：串行数据输入。 d i r ：控制寄存器移位方向。为高时，顺时针移位，为低时，逆时针移位。 b l a 、b l b 、b l c 、b l d ：本电路中，芯片应用在传输模式和数据存储模 式，这些信号全部被设计为接高电平v d d l 。 l v g n d ：芯片数字地。 h v g n d ：芯片模拟地，应用时要求将l v g n d 和h v g n d 外部连接在一起。 v p p - 高压电源( 推荐：5 0v 2 0 0v ) 。 v d m ：数字电源( 推荐：4 5v v d d 2 ) 。 v d v 2 ：数字电源( 推荐1 0 8 v 1 3 2 v ) 。 h v 7 6 2 0 的功能框图如图3 8 所示，正常工作各信号时序如图3 9 所示。 嘈fff哥哥荨一ff哥ff至 刚h认m虻毋n毋忙mn毋虻mnm虻mhm刚m州 j q u u u q u u b u u n e i u u 3j，j i o 0 口o o 0 o o o o o o o 0 o 0 i i i 、 n vvvvvvvvvvvvvvvv n n 瓣燃燃黼瑶 ，千干干千一手一孓手乎摹歪 中山大学硕士毕业论文 图3 - 8h v 7 6 2 0 芯片功能图1 2 7 l 图3 - 9h v 7 6 2 0 正常工作信号时序图网 芯片内部有四组并行的八位移位寄存器，四组并行的八位锁存器，这样能实 现h v 7 6 2 0 的串行数据进入锁存，处理后并行数据输出数据在时钟上升沿时进 行移位，8 位数据在锁存有效信号l 百上升为高电平时开始锁存动作当i 百为低 电平状态时，数据锁存在8 位锁存器中，最终实现串并数据转换，同时实现从低 电平到高电平的转换。由于有4 个通道同时工作，芯片等效频率最高可达4 0 m h z ， 芯片的时序和动作由数字主控电路来控制。 中山大学硕士毕业论文 根据芯片的控制信号时序及电平要求，在本电路中，控制信号的连接及配置 如表3 - 1 所示，其中d 1 r 、百砑、b l b 、瓦己、瓦万信号已经在电路板上固化， 其它的控制信号可根据需要进行编程。 表3 - 1 本电路设计对芯片的配置 功能输入输出 l ed i rb l ab l bb l cb l dc sp o l ab c d 存储 xxxxxxllh h h h 传输 xxxxxxlhl l l l 存储 lhhhhhhh 输入数据存储 传输hh hhhhhh 氐a 1 图3 1 0 所示是本电路设计中芯片h v 7 6 2 0 底层电路连接图，图中标出了所 有控制引脚的连接，否z j 、百z 百、瓦石、瓦万在本电路中的芯片应用模式下， 全部接高至v d 9 1 。行驱动芯片h v 7 6 2 0 的引脚d 。t a 及d 。t d 引脚需引出，以作为 电路板扩展时的芯片串连信号。 图3 1 0 芯片h v 7 6 2 0 引脚连接底层电路 h v 7 6 2 0 芯片推荐供电电压为：高压供电电源v r r 最大允许值为2 0 0 v ，数字 电源v d o l 典型值5 v ，数字电源v d w 2 典型值v d d l 1 2 v 。在本电路实现中，行 中出太学硬士毕啦论文 列驱动不共地，因此数字供电电源分rg r m 和c j n d 溅条地线分别设计，具 俸采羽7 8 0 5 帮7 8 1 2 供亳电黯终为芯片豹数字袋电电源。毫爨弼图3 - 1 1 耩零，实 际电路v l 、v v v 2 的输出值分别为4 8v 、1 1 3v 芯片的商压供电电源情况较 为复杂，将在3 3 1 鬻节中做详细说骧。 图3 - 1 1 芯片的数字供电电源电路图 基于芯片设计的麓压驱动电路原理图、p c b 舨圈及实物圈，请参见辫伟a 。 3 2 a 可扩展行刿驱动电路 _ | 箩 设计戆f e d 蕊压驱动电赣系统，每块叛霹踺3 2 x 3 2 小阵列显示麟纂避霉 驱动调试，若需要骏诞较大矩阵鹃驻示嚣箨，w 基于现有基础上，籍小阵列驱动 电路扩臌为q v c 魄分辨率的f e d 驱动电路，如图3 1 2 所示； 塑3 1 2 毫路扩鹱连接銎 由阁3 - 1 2 可知，通过对驱动橇控制信号的串连，3 2 x 3 2 阵列的行列驱动板可 中山大学硕：上毕业论文 以作为6 4 列( 行) 的驱动板，易扩展为大阵列的驱动板。9 6 x 9 6 的驱动阵列可以 由三块3 2 x 3 2 阵列的驱动板构成，其中行驱动由2 块小板串联而成。类似地，更 大矩阵可参照此方法连接。 3 3 集成化驱动电路高压输出实现方法在系统中的具体实现 结合上述集成化的f e d 驱动电路，介绍第二章中所述的扩展输出电压范围方 案的具体实现。 3 3 1 芯片浮地方案的具体实现 3 3 1 1 高压电源对浮地方案的影响 实现芯片浮地方案，必然要使用到高压电源，而高压电源的类型，对浮地方 案有着很重要的影响，因此，在这里首先介绍高压电源。 高压电源分为与地隔离电源和非隔离电源，其中非隔离电源又分为正接地和 负接地两种。通俗地说，允许将电源正端与大地相连的电源叫正接地电源，相反， 允许电源负端与大地相连的电源叫负接地电源，若正负端都不接地，即为隔离电 源1 4 1 】。一般来说，出于安全考虑，当电源输出电压高于1 0 0 0v 时，多采用非隔 离电源的接法，因为当电压高过“爬电距离”，即使外壳不被击穿，高压电荷也会 沿着外壳的表面“爬”出来；当输出电压小于1 0 0 0v 时，则可以采用隔离接法。采 用芯片浮地方案，必须要先确定所用高压电源的类型，不同电源其浮地接法不同， 否则电源电平会互相干扰甚至出现烧毁芯片的现象。 高压电源的性质决定了实现芯片浮地连接方法的不同，根据电源类型1 4 1 1 有不 同的连接方法。图3 1 3 所示是根据不同的电源而设计的三种连接方法，图中v 1 是用来悬浮芯片高压地的电源，v 2 是芯片的高压供电电源，v 3 是芯片的数字供电 电源。 中山大学硬士毕业论文 n 舛r l t。印衍1 。：翠孑 lc ml c - 0 9 n9 - - 一群”专。 i 。l l l a v 2 为隔离电源b v 2 为非隔离电源c 未采用浮地方案 图3 - 1 3 不同电源的芯片浮地的连接 图3 - 1 3 a 是v 2 为隔离电源的接法，v 2 = v ”；图3 - 1 3 b v l 和v 2 皆是非隔离电 源，调节电压使v r v l = v m 即v 2 、v i 电压差给芯片供电，该接法需要注意的问 题是必须使v 2 和v l 的电压差始终小于芯片能承受的最大耐压，特别是电源刚启 动的时候电压快速上升时容易产生脉冲，因此需要同时缓慢调节v i 、v 2 ，否则 若v 2 上升速度远快于v l ，i c 的v n 脚上承受的电压可能超过最大耐压，较安全 的做法是在i c 的v n 脚和g n d 之间加上保护的稳压二极管压进行保护。图3 - 1 3 c 是使行列共用一个高压电源的接法，这种方案的接法简单易实现缺点是芯片来 采用浮地，输出的电平没有抬高，如果f e d 的电特性适合，这种方案最简单易行。 本设计使用隔离电源来实现芯片浮地方案，原因在于虽然行列电路模块都各 自存在地线，但非隔离电源最终都需要连接至公共地线，不可避免的构成环路， 会增加产生电源互相干扰的可能，特别是在高压环境下，当电