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研究生: 邱景傳
Qiu, Jing-Chuan
論文名稱: 薄膜電晶體液晶顯示器輸出緩衝器與源極驅動電路設計
TFT-LCD Output Buffer and Source Driver Circuits Design
指導教授: 蔡建泓
Tsai, Chien-Hung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 79
中文關鍵詞: 源極驅動器輸出緩衝器
外文關鍵詞: source driver, output buffer
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  • 本篇論文設計三種輸出緩衝器,第一種緩衝器採用簡單的比較器,感測輸入信號來打開輔助電晶體,達到大的驅動能力,且輔助驅動電晶體在穩態時是關閉的狀態,故不消耗任何功率。第二種緩衝器增加P/N動態調整機制,因此改正第一種輸出緩衝器的缺點,使得此緩衝器具有雙充放電路徑。P/N動態調整機制需額外增加兩組偏壓點,故提出自我偏壓方式,利用驅動系統的特性與相鄰兩組輸出緩衝器內建之偏壓節點,達成自我偏壓的功能而不損耗任何電路功率。第三種緩衝器是利用兩個互補的緩衝器以驅動一對資料線,並具備雙充放電路徑和自我偏壓的方式,因此具有軌對軌輸入範圍、低功率以及高速驅動力等特性。
    本篇論文利用第三種輸出緩衝器結合電阻區段式數位類比轉換器之特性,設計完成一組八位元源極驅動器,因此具備高驅動能力、低功率消耗和有效降低晶片面積之特色,並適合於大尺寸液晶顯示電視之應用。

    In the thesis, three types of output buffers are proposed. TypeⅠbuffer employs a simple comparator to sense the input transients and turn on an auxiliary P-type charging transistor (normally off in steady state) to enhance the output driving capability without increasing the quiescent power consumption. Type II buffer adopts both auxiliary P-type charging and N-type discharging transistors to achieve dual paths (P/N) of symmetrical driving.A self-bias circuit is also proposed for type II buffer to generate the required bias voltages for the P/N dynamic level shifter. Type III circuit which utilizes two complementary differential buffers is proposed to drive a pair of data lines. It employs dual paths of charging and discharging and a self-bias circuit to realize a rail-to-rail input range, high-speed driving capability and low-power dissipation.
    Finally, an 8-bit source driver composed of type III buffer and a resistor-to-resistor digital to analog converter is designed and presented. It has high-speed driving capability, low quiescent power consumption, small chip area, and is optimized for TFT-LCD TV application.

    第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 相關研究發展 2 1.2.1 數位類比轉換器 2 1.2.2 輸出緩衝器 6 1.2.3 偏移補償技術 7 1.3 研究目標與方法 9 1.4 論文架構簡介 10 第二章 薄膜電晶體液晶顯示驅動原理 11 2.1 液晶顯示器簡介 11 2.1.1 液晶起源(Liquid Crystal) 11 2.1.2液晶顯示器種類 11 2.1.3 液晶顯示器驅動原理 12 2.1.4 交流驅動 13 2.1.5 反轉法 14 2.1.6 Gamma校正 16 2.2 TFT-LCD之基本系統架構與動作原理 17 2.3 資料傳輸介面 21 2.4 閘極驅動器之基本架構 22 2.5 源極驅動器之基本架構 23 第三章 源極驅動器規格與設計考量 24 3.1 高解析度數位類比轉換器設計考量 24 3.1.1 偏移誤差(Offset error) 24 3.1.2 增益誤差(Gain error) 25 3.1.3 差分非線性誤差(DNL, differential non-linearity error) 26 3.1.4 積分非線性誤差(INL, Integral non-linearity error) 27 3.1.5 單調性(monotonic) 28 3.2 輸出緩衝器 29 3.2.1 高速驅動及穩定時間考量 29 3.2.2 低功率消耗 30 3.2.3 小的晶片面積 30 3.2.4 足夠的解析度 31 3.2.5 輸出緩衝器輸入級架構考量 31 3.3 消除偏移電壓之電路設計考量 32 3.4 數位資料頻率考量 34 3.5 規格 35 第四章 源極驅動器電路設計、模擬與佈局 36 4.1 源極驅動器系統架構 36 4.2 源極驅動器數位電路設計 37 4.2.1 D型正反器 37 4.2.2 移位暫存器 38 4.2.3 輸入暫存器 39 4.2.4 資料閂鎖器 40 4.2.5 資料交換器 41 4.2.6 準位提升器 42 4.3 源極驅動器類比電路設計 43 4.3.1 數位類比轉換器 43 4.3.2 輸出緩衝器 45 4.3.2.1具有雙充放電模式之低功率軌對軌輸出緩衝器 45 4.3.2.2 P/N自我偏壓動態位準調節式輸出緩衝器 59 4.4 偏移誤差消除電路 67 4.5 八位元源極驅動器模擬規格 69 4.6八位元源極驅動器佈局圖 70 第五章 量測與結果討論 71 5.1輸出緩衝器量測與結果討論 71 5.1.1量測環境介紹 71 5.1.2量測方法與結果 72 5.1.2.1. 量測方法 72 5.1.2.2. 量測結果 72 5.1.3比較與討論 74 5.2八位元源極驅動器量測規劃 75 第六章 結論 76 6.1 總結與貢獻 76 6.2 未來研究方向 77 參考文獻 78 表目錄 表1-1 以8bit的R-string DAC做比較 5 表2-1 常見液晶顯示器種類比較 12 表2-2 常見液晶顯示器規格表 21 表3-1 規格表 35 表4-1規格表 48 表4-2 規格列表 58 表4-3 具有動態電壓調整機制之輸出緩衝放大器的模擬結果(Post-sim) 69 表5-1 量測與模擬的規格比較 75 圖目錄 圖1-1 各類型顯示器的市場佔有率 1 圖1-2 (a)一級電阻串架構 (b)二元陣列電阻串架構 3 圖1-3 兩級式電阻串DAC需另加中間級OP 4 圖1-4 兩級式電阻串DAC不需中間級OP 4 圖1-5 多工數位類比轉換器 5 圖1-6 增加尾電流機制 6 圖1-7 增加充放電路徑機制 7 圖1-8 動態時調整輸出端電晶體之VGS電壓 7 圖1-9 類似乒乓法[6] 8 圖1-10 Auto-Zreo法 9 圖2-1 液晶的顯示原理 13 圖2-2 液晶穿透率(T)與驅動電壓(V)之關係曲線 14 圖2-3 液晶穿透率(T)與驅動電壓(V)之關係曲線 15 圖2-4 two-dot與one-dot的驅動波形[10] 16 圖2-5 視訊資料到大腦感覺的顯示信換轉換過程[18] 17 圖2-6 TFT-LCD系統方塊[修改自[20]] 18 圖2-7 實際TFT-LCD系統方塊[修改自[20]] 18 圖2-8 TFT-LCD 剖面架構圖 19 圖2-9 TFT-LCD 系統示意圖[18] 20 圖2-10 閘極驅動器基本方塊圖[21] 22 圖2-11 源極驅動器基本方塊圖[22] 23 圖3-1 偏移誤差示意圖 25 圖3-2 增益誤差示意圖 26 圖3-3 差分非線性誤差示意圖 27 圖3-4 積分非線性誤差示意圖 28 圖3-5 單調性 29 圖3-6 穩定時間和迴轉率示意圖 30 圖3-7 (a)切換參考電壓的正負極性 (b) 切換輸出緩衝器所驅動的資料線 32 圖3-8 M1由ON切換到OFF 33 圖3-9 控制M1閘極的電壓VCK 33 圖4-1 源極驅動器電路架構 36 圖4-2 D型正反器電路圖 37 圖4-3 D型正反器邏輯電位圖 37 圖4-4 N位元移位暫存器電路圖 38 圖4-5 N位元移位暫存器邏輯電位圖 38 圖4-6 ㄧ個384通道之八位元輸入暫存器電路圖 39 圖4-7 輸入暫存器邏輯電位圖 40 圖4-8 ㄧ個384通道之八位元資料拴鎖所器電路圖 41 圖4-9 反轉控制器 41 圖4-10 準位提升器電路圖 42 圖4-11 準位提升器邏輯電位圖 42 圖4-12 八位元數位類比轉換器 43 圖4-13 單調性模擬 44 圖4-14 靜態規格(INL、DNL)分析 44 圖4-15 單調性模擬 45 圖4-16 靜態規格(INL、DNL)分析 45 圖4-17 電路方塊示意圖 46 圖4-18 整體電路圖 46 圖4-19輸入電壓對應於輸出電壓的情形 47 圖4-20交流分析 47 圖4-21輸入0~3.3V、50KHz的方波 47 圖4-22 模擬不同輸出負載的slew rate 47 圖4-23 模擬不同輸出負載的setting time 48 圖4-24 佈局圖 48 圖4-25 第二種電路圖 49 圖4-26 軌對軌差動對的輸入範圍 49 圖4-27 動態位準調節電路 50 圖4-28 (a)緩衝器內建偏壓和(b)系統內建偏壓兩種 51 圖4-29 雙充放電機制電路圖 52 圖4-30 動態充電雙路徑動作示意圖 53 圖4-31 動態放電雙路徑動作示意圖 54 圖4-32 MOS電容的於工作區域之變化大小 55 圖4-33 同步控制雙路徑機制 55 圖4-34 輸出緩衝器之波德圖 56 圖4-35 輸出緩衝器轉換特性曲線 57 圖4-36 輸入電壓範圍為0.1V,負載為1nF 57 圖4-37 輸入電壓範圍為3.3V,輸出負載為1nF 57 圖4-38 Settling Time versus 不同之負載電容 58 圖4-39 佈局圖 58 圖4-40 Current Mirror式的運算放大器 60 圖4-41 改善後之輸出緩衝電路 60 圖4-42 小訊號等效半電路模型 61 圖4-43 等效模型 62 圖4-44 驅動系統軌對軌式架構示意圖 63 圖4-45 偏壓方式 64 圖4-46 自我偏壓動態位準調節式輸出緩衝電路 65 圖4-47 自我偏壓動態位準調節式輸出緩衝電路 66 圖4-48 one-dot-inversion 67 圖4-49 two-dot-inversion 67 圖4-50 具偏移電壓消除之輸出緩衝器 68 圖4-51 具偏移電壓消除之輸出緩衝器(a)電路圖(b)開關訊號電位圖 68 圖4-52 模擬輸出波形(負載電容600pF,給定偏移電壓+20mV) 68 圖4-53 八位元源極驅動器佈局圖 70 圖5-1 晶片面積為47×45μm2 71 圖5-2 晶片量測示意圖 72 圖5-3 量測實際環境 72 圖5-4 1000pF負載,掃瞄時間1.28ms 73 圖5-5 輸出電壓會追隨輸入電壓 73 圖5-6 量測Slew Rate結果和模擬結果(a)rising曲線(b)falling曲線 74 圖5-7 量測Settling Time結果和模擬結果(a)rising曲線(b)falling曲線 74 圖5-8 晶片量測系統方塊圖 75

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    下載圖示 校內:2018-02-02公開
    校外:2018-02-02公開
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