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6. 先进显示(微显示芯片及柔性显示)

6.1 用于虚拟现实的微显示技术

硅基OLED微显示器是指把OLED制作在硅片上的一种平板显示器,其尺寸一般小于1英寸。它利用了成熟的CMOS工艺,在单晶硅片上制作驱动电路,并具有OLED视角大、响应速度快、功耗低、全固态等优点。常用的液晶翻转的响应时间最快也有2-4ms,在VR应用中会产生严重的晕眩现象;要想解决这个问题,VR头戴式显示必须使用主动发光的显示屏,如OLED,从而大大降低延迟的时间。实际上,Oculus和Valve都使用了AMOLED的低余晖显示屏,Sony则使用了自家的OLED显示屏。而我国的VR头显则大多采用传统的LCD显示屏,所以其造成眩晕是很自然的。本项目需要设计的模块包括源极驱动,栅极驱动以及像素电路,其中存在的重点难点是在限定的尺寸上,实现足够高的分辨率与刷新率。由于微显示每个pixel的电路十分微小(几百pA到几十nA),因此若是驱动MOS管工作在饱和区则需要很大的倒比,这对面积是一个制约因素,而若是工作在亚阈区则又不易控制。此外,由此引出的电压驱动与电流驱动两种驱动模式的利弊也需要我们考量。

6.2 显示驱动IC上的电源管理系统的设计

传统意义上的电源管理系统包括低压差调制器(low-dropout regulator ,LDO),带电感的DC-DC变换器和电荷泵。作为显示驱动IC的电源,可能高达30 V以上(global电源为2.4 V~3.6 V),这就意味着需要极高的电压转换倍率。由于显示驱动IC的供给电流中等(<10 mA),我们选用Dickson,Fibonacci,series-parallel和voltage doubler等电荷泵类型。在本项目中,我们提出了六种新型的电荷泵拓扑结构,其中有三套结构已经成功完成流片,测试结果良好,由于其张合有度,兼容性良好,拟定应用于大量相关产品,这三个结构分别如下:1.极强驱动能力和高的功率效率的Fibonacci CPS电荷泵IP;2.极高集成度且高效率的dic-fib电荷泵IP;3.集成度与驱动电流折中的fib-dic-fib电荷泵IP。当然,一些模拟接口电路,如带隙电压,基准电流,振荡器,误差放大器,迟滞比较器,往往被用及,用于提高电路性能(环路稳定,功率效率等),相对简单,不赘述。同时,我们提出高精度且简单的算法模型用于电荷泵拓扑分析,这些算法有望用于推进未来电源芯片的计算机辅助设计进程。

6.3 AMOLED外围补偿驱动电路

AMOLED被认为是下一代的显示技术之一,具有色度广,分辨率高,更轻薄等优点,但是还存在寿命与良率的问题。一般而言,用于AMOELD像素电路的TFT管有LTPS和a-Si(现在一般是IGZO)两种。LTPS TFT的迁移率较好,能提供N型晶体管和P型晶体管,但是它的均匀性不佳,在面板上不同的位置的LTPS TFT的迁移率和阈值电压都不一致;a-Si TFT的均匀性更好,但是它的迁移率很低且只能提供N型晶体管,此外,随着器件的老化,a-Si TFT的迁移率和阈值电压会不断漂移,导致显示效果的变差。
已经有许多不同的像素电路被提出来用以解决这些问题,但因为像素电路内部管子数量少,对面积等要求高,针对OLED和驱动TFT管的迁移率与阈值电压的内部补偿很难完美的实现,因此项目组提出了一种外围补偿电路,用于补偿老化和漂移。

6.4 AMOLED显示驱动芯片高精度分布式低压差线性稳压器设计

本项目提出了一种AMOLED显示驱动芯片电源管理系统架构,并对系统子模块电路进行了具体的分析设计。基于Global foundry 0.18um工艺,运用Cadence软件对设计电路进行调试和仿真,最终得到满足要求的电源管理系统。本项目设计的驱动芯片可以驱动1920RGBx1080dot像素点的AMOLED显示面板,芯片尺寸为20mmx3mm。根据该芯片的特点及其对电源的需求,采用分布式电压调节方案,采用四个LDO分别给驱动芯片上两个SRAM,模拟模块,数字模块进行供电,降低了LDO的负载调整率,保证了各个模块供给电压的精度。同时,采用1uF的外部电容进行频率补偿,保证了LDO工作的稳定性。