低功耗的集成栅极驱动电路设计

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1、低功耗的集成栅极驱动电路设计廖聪维，陈韬，郑灿，张盛东北京大学，深圳研究生院，深圳，518055摘要：本文分析了传统集成栅极驱动电路的功耗与TFT尺寸、工作温度和存储电容的关系，发现集成栅极驱动电路的功耗与存储电容关系密切。在对传统集成栅极驱动电路低功耗分析的基础上，本文介绍了一种基于多相交叠时钟的集成栅极驱动电路。这种新电路具有低功耗的优点，且有效栅极驱动时间延长。尤其在存储电容小，高温场合，这种集成栅极驱动电路节约功耗超过60%。关键词：非晶硅（a-Si：H），薄膜晶体管（TFT），栅极驱动器1引言在TFTLCD产业界，集成栅极驱动电路

2、(GIA,gatedriverinarray)引起了广泛的兴趣[1]。这是因为它具有减少外围IC数量及其连线、降低显示模组成本、提高显示面板分辨率和弯折度等优点[2]。然而，显示器的总体功耗会由于栅极驱动器的集成而增加。尤其是移动显示中，低功耗设计对于延长电池使用时间、增强移动设备的续航能力非常必要。因此，集成栅极驱动电路的低功耗设计显得非常重要。基金项目：深圳市重点实验室提升项目(CXB201005260065A)Email:zhangsd@pku.edu.cn已有研究采用多相时钟的设计，降低时钟跳变频率减少集成栅极驱动电路的功耗[3]。

3、但是，很少有研究成果根据集成栅极驱动电路的特点做专门的低功耗优化设计。本文研究了传统集成栅极驱动电路的功耗与器件参数的关系，发现存储电容值与功耗密切相关。进而报道了一种新的低功耗集成栅极驱动电路。2电路分析图1是一种针对WXGA(800*1280)TFTLCD应用的传统的栅极驱动单元电路。其由四部分构成：预充电部分、自举上拉部分、下拉部分和低电平维持部分[4]。其中，预充电部分包括T1;自举上拉部分包括T2;下拉部分为T3和T4；低电平维持部分包括C1，C2，T5~T8。低电平维持部分的作用是抑制时钟馈通效应、防止电路的内部节点和输出节点上

4、噪声电荷积累。集成栅极驱动电路功耗包括静态功耗和动态功耗，以动态功耗为主。集成栅极驱动电路的功耗表达式：,CCK,VH/VL和fCK分别是时钟信号负载电容，时钟信号的高/低电平，时钟信号的频率。从功耗表达式可以看出，减少功耗的措施包括：(1)减少电压幅度；(2)降低时钟频率；(3)减少负载电容等。但是，减少电压幅度会导致TFT的驱动能力不足，输出信号的延迟时间增加。降低时钟频率则容易增加电路的复杂程度。同时，负载电容受限于工艺而不容易减少。图1传统栅极驱动单元电路Fig.1.aconventionala-Si:HTFTgatedrivers

5、chematic很少有研究者讨论过C1对栅极驱动电路性能的影响。图2是C1分别为1，3和5pF时，功耗(800级)随温度的变化。C1的增加能够显著地减少功耗。图2功耗随温度的变化(C1分别为1，3和5pF)。Fig.2.evolutionofpowerconsumptionfordifferenttemperaturewithC1of1,3,5pF.图3TFT栅极电容与栅极电压的关系Fig.3.CGversusgatevoltageforTFT.功耗的值之所以受C1的影响很大，是因为低电平维持阶段，VQ的跳变幅度与T2的栅-漏电容和C1之间

6、的分压有关，这就是所谓“时钟馈通”效应。另一方面，T2的栅-漏电容又受到VQ跳变电压的调制。图3是栅极电容CG(包括栅-源电容、栅-漏电容)与栅极电压的关系。若T2管工作于负栅压区或者VT以上区域，CG是一个与VG无关的常量；但是在VT附近，CG随VG有较大的变化。在低电平维持阶段，T2管由于时钟馈通效应短暂地开启。由于低电平维持电路，T2的短暂开启并不会造成输出节点上电荷的积累。但是，T2管的短暂开启足以造成T2的栅极电容非线性地增加。因此，增加C1能够抑制T2的开启程度，从而减少功耗。但是，电路的面积也会因为C1的增加而变大。因此，有必

7、要改进电路结构，在快速度、低功耗、减少电路面积等方面实现优化。3新电路的分析和讨论测试所用的a-Si:HTFT以及栅极驱动电路均在Gen4.5工艺线上完成了加工。所制作的a-Si:HTFT采用了背沟道刻蚀型的结构，沟道长度为4.5μm，栅极-源漏电极交叠宽度为2μm。根据AgilentB1500A实际测试得到的a-Si:HTFT特性，利用业界广泛认可的RPI模型(Level35)对TFT进行模拟[5],[6]。所采用的模拟工具是SmartSpice。(a)(b)(c)图4一种新的栅极驱动单元电路(a)电路图;（b）时序图；(c)模拟输出波形

8、图Fig.4.theproposedgatedrivercircuit(a)schematicofoneunitcircuit;(b)waveforms;(c)simulated