一种彩色LED显示屏16位恒流驱动芯片设计

图3 恒流基准模块的电路结构图

　　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 高精度电流放大器

　　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差模电感，相位裕度为6功率电感器2 °～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。在塑封电感器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管与其他晶体管一体电感器之间的间距，以免引起背栅掺杂浓度变化而导致阈值电线绕电感压和跨导改变。

　　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，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进行了比较。

表1 LED显示屏16位恒流驱动芯片的主要技术指标

　　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。