一种低功耗高速的跟随器设计和实现

20世纪70年代初，世界上出现第1台液晶显示设备，被称为扭曲线列TN-LCD液晶显示器，80年代末90年代初，LCD工业开始了高速发展。
超扭曲线列STN(Super Twisted Nematic)在显示效果上虽不如TFT等有源矩阵的LCD，但大多数应用场合对LCD的显示效果要求并不高，且STN结构简单、价格低廉、低功耗这些方面比薄膜晶体管TFT(Thin Film Transistor)有着显著优势。故其在手机、计算器、mp3、mp4等便携式消费类电子产品中占有相当重要的市场。
跟随器是CSTN(Color Super Twisted Nematic)驱动芯片研究的难点之一，其性能与改善串扰、提高显示质量息息相关。通用消费类的CSTN驱动芯片对跟随器设计和实现提出的关键要求是：低功耗和较高的转换速率。这两个相互制约的要求也是跟随器未来的研究发展方向之一。本跟随器在满足系统低功耗要求的情况下，通过采用辅助充放电模块方案实现较高的转换速率，使其进一步增强CSTN驱动芯片的市场竞争力。
1 跟随器的设计和分析
在CSTN-LCD驱动芯片中，跟随器是为屏幕上未选中行提供电压。在显示时，屏幕相当于一个大电容，列信号会随着内容不同而不断跳变，跟随器需保证未选中的行电压不会随着列信号的跳变而变化。故跟随器充放电能力的好坏与显示效果有着直接的影响。
LCD默认设置的帧频率为75 Hz，则1行的选中时间为82 μs。本款CSTN-LCD芯片采用4PWM+2FRC的混合调制方式，对应于一级灰度的脉冲宽度为1.3 μs，故系统要求跟随器的充放电的时间为15 μs(包括最差的情况)，并要求充放电能力相当，上升下降波形对称。
1.1 主放大器的拓扑结构
跟随器的电路图如图1所示。

运算放大器采用全摆幅的折叠共源共栅输入级，即混合使用NMOS和PMOS差分对[1]。折叠共源共栅的输入级有以下优点：较大的输出电压摆幅、输入和输出能直接短接、输入共模电平更容易选取等。
跟随器采用AB类放大器作为输出级。AB类放大器的效率介于A类和B类放大器之间，取决于静态偏置电流的大小，但AB类放大器的传输曲线比B类放大器具有更好的线性[2]。运算放大器中采用浮栅电流源给A-B类输出级的管子提供偏置，使A-B类输出管的电路结构更紧凑，可进一步优化芯片面积。
共源共栅补偿是把补偿电容移至共源共栅器件的源极和输出结点之间。这既能有效地减少补偿电容的大小，又能切断补偿电容的前馈通路，提升运放的电源抑制能力。
1.2 转换速率的优化
当输入为大幅度的阶跃激励时，运算放大器典型的瞬态响应曲线如图2所示。

输出信号包括2个阶段：转换过程和线性稳定过程。转换(slewing)是运放的大信号特性，用性能参数即转换速率(slewing rate)来评估，通常都是由对负载电容充放电的电流确定。一般而言，转换速率不受输出级限制，而是由第1级的源/漏电流容量决定。线性稳定时间是运放的小信号特性，即是输入小信号激励时，输出达到稳定值(在预定的容差范围内)所需的时间。理论上，用性能参数即建立时间定义，可以完全由小信号等效电路的极、零点位置确定。
可以显著地提高转换速率的方法就是增加辅助模块[3]。辅助充放电的运放与主放大的运放结构相近，只是输入差分对不对称，且辅助充电运放只有充电管，辅助放电运放只有放电管[4]。这2个模块能灵敏地检测到2个输入信号(即是跟随器的输入和输出信号)之间的差异，如果两者相差较大，就会相应地打开辅助充放电运放。调节2个辅助运放的输入差分对，就可以调整辅助运放的灵敏度。此外，跟随器的输出端外接(在芯片外部)1 μF大电容，可以起到非常好的稳压作用。
2 跟随器的仿真和实现
在基于GSMC±9 V的0.18 μm CMOS高压工艺SPICE模型进行了模拟仿真和流片验证，仿真和测试结果都表明，本设计可以满足系统要求。
2.1 功耗分析
该跟随器供电电源为2.8 V，系统要求跟随器的静态功耗不超过40 μA。在典型的转角下，跟随器的功耗分析如表1所示。

在屏幕负载电容(约20 nF)的另一端加上模拟的列信号，跟随器的充放电情况如图3所示。

辅助放电运放的电流峰值为5.7 mA，主运放的放电电流峰值为1.9 mA。辅助充电的电流峰值为3.7 mA，主运放的充电电流峰值为1.5 mA。可见辅助运放的充放电电流较大，能使充放电时间明显改善。测试与仿真表明，采用充放电模块后，像素电容上的充放电时间可缩短5~6 μs。
2.2 瞬态分析
下面分析2种不同负载电容情况下，跟随器的瞬态响应情况。系统要求跟随器的充放电能力相对称，在屏幕上的充放电小于15 μs。
(1)外接片外1 μF大电容时，屏幕电容上的瞬态响应波形如图4所示，屏幕上的充放电时间为10 μs。由于外接电容与屏幕电容进行电荷分享，故外接电容对屏幕电容的充放电有改善作用。
(2)去掉片外1 μF电容时，屏幕电容上的充放电时间为13 μs，瞬态响应波形如图5所示。因此，本设计利用芯片内有限的面积，在输出端尽可能增加稳压电容。