目前，大尺寸彩色LED显示屏已成为高清平板显示的主流产品。这是一种大型平板显示设备，由发光二极管组成的显示单元及其显示驱动集成电路芯片组成。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，驱动前端发光二极管进行信息显示。因此，驱动芯片的性能对显示质量起着关键作用。近年来，随着LED显示屏的快速发展，专用芯片已成为大尺寸彩色LED显示屏的主流驱动芯片，但仍存在一些关键问题需要解决。其核心是多位恒流驱动显示技术。精准的多位恒流驱动决定了大彩LED显示屏的一致性、一致性和商业价值。
基于CSMCM 5V CMOS工艺，采用高精度参考电压电阻和驱动电流输出匹配技术，设计了一款适合户外工作环境的16位彩色LED显示屏恒流驱动芯片。仿真测试和流片验证表明该芯片满足应用要求。
该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模块。其中，带隙参考模块产生高精度、低不平衡的参考电压，恒流参考模块利用参考电压和外部电阻产生恒流参考电流，各通道的高精度电流放大器完成参考电流的放大，逻辑控制模块完成串并转换，实现各通道的控制功能。
在带隙基准模块中，由于运放不完全对称，因此存在不平衡电压和低频噪声。同时，晶体管失配引起的随机误差对参考源的精度影响很大。因此，考虑到带隙基准模块的温度稳定性、抗噪声性能和精度，本文设计了如图2所示的带隙基准组件的结构，包括启动和偏置电路、带隙基准电压源主电路，以及振荡器、RC低通滤波器和电流镜等。模块刚上电时，启动电路帮助电路离开零点；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，采用与功率无关的偏置技术来设计启动和偏置电路，以提高功率抑制比和稳压比，并提高带隙参考模块的精度。带隙基准电压源的主电路由运算放大器、斩波调制电路和解调电路组成。需要指出的是，本文采用斩波调制技术来消除运放的输入偏置电压，有效抑制器件噪声。振荡器产生互补方波信号，用于斩波调制解调电路中MOS开关管的开关控制。这里采用移相器组成的环形振荡器，通过移相器整形另一波，保证了信号的输出质量，并减小了芯片面积。 RC 低通滤波器连接到运算放大器的输出，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，MOS管电流源直接由带隙参考电压源的输出电压偏置，提高了温度稳定性，降低了传输偏置电压的干扰水平。
使用Hspice 模拟器在-40C 至80C 范围内扫描带隙基准模块的温度。结果表明，当电源电压VDD=V，改变5种不同工艺角度时，参考电压与温度的最大偏差为mV，温度系数达到PPM/。
本设计的电流基准模块采用外部精密电阻和运算放大器的负反馈方式，为高精度电流放大器提供恒流基准。考虑到高精度电流放大器工作在开关状态，设计中增加了改进的电流镜、钳位电流镜和跟随器，如图3所示。运放采用两级结构，采用穆勒补偿以保证系统的稳定性。同时，插入电阻消除了零点的影响。采用改进的电流镜，减少沟道长度调制效应带来的失配，提高输出阻抗和输出驱动电流的匹配精度。钳位电流镜可以提高电流镜的速度，支持25MHz数据移位频率和高速电流响应；跟随器隔离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=V和各种工艺角度下，恒流基准模块产生的基准电流与-40至80的外部电阻REXT成反比。其大小为V/REXT，偏差在%范围内。
LED直接连接高精度电流放大器，其输出驱动电流的切换由逻辑控制模块控制。当逻辑控制模块的输入由有效变为无效时，利用上拉网络和下拉网络关闭运放和输出，达到快速关闭LED的目的。电路结构如图4所示。另外，考虑到高压管电容的影响，采用放电电路来消除输出驱动电流中的噪声。
图4 中运算放大器电路的交流特性由Hspice 模拟器扫描。结果表明，OP的开环增益为99 dB~103 dB，单位增益带宽为MHz~2MHz，相位裕度为62~70。
逻辑控制模块用于外部显示数据的接收、锁定、串并转换以及使能控制。结合脉宽调制，输出16位LED逻辑控制信号，实现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，SDO引脚和OE引脚经过特殊设计，可以通过SDO引脚串行输入外部显示数据，支持高达25MHz的数据移位时钟频率，并在彩色LED上实现快速图像展示。刷新。通过脉宽调制来控制OE引脚的使能，实现彩色LED显示屏灰度和亮度的动态控制。在每个输入引脚上添加施密特触发器进行整形，以消除由于地电容和长传输线的存在对波形上升沿和下降沿的影响。
通过Maxplus仿真验证了上述逻辑控制模块的逻辑功能。结果表明，逻辑控制模块完成了外部数据的串并转换，并对输出数据进行锁定和使能。
随机失配和系统失配会导致芯片性能下降。因此，在版图设计中，本文采用叉指结构的MOS管，并在两侧添加冗余虚拟体，以减少上述两种失配。同时要注意MOS管与其他晶体管的间距匹配，避免背栅掺杂浓度变化，导致阈值电压和跨导变化。
另外，考虑到输出电路串联驱动两个或多个LED时，输出NMOS管将承受超过10V的电压。因此，本文基于CMOS标准工艺，通过调整单一工艺来提高耐压，例如采用低掺杂浓度的N阱，并将N阱用作漂移区。同时，NMOS高压管被金属2覆盖，作为排水口，从而节省布局面积，降低走线电阻。
基于上述电路设计和仿真验证结果，在华润上华m N井CMOS标准工艺规则下完成了物理设计和版图验证，得到了面积为1630m1230m的芯片版图。
样品已通过工业和信息化部电子第五研究院中国网络实验室测试。电压范围为V~7V，温度范围为-40~80。该示例工作正常。当数据移位时钟工作频率为25MHz时，表1列出了本文开发的样品主要技术参数的测试结果，并与台湾地区广泛采用的16位恒流驱动芯片MBI5026进行了比较。聚合物LED 显示屏。
表1 LED显示屏16位恒流驱动芯片主要技术指标
本文开发的芯片具有功耗低、电压电流纹波系数小等优点，可用于大型户外彩色LED显示屏。
