关于一种stn lcd驱动芯片的设计研究

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1、一 种 STN LCD 驱 动 芯 片 的 设 计 研 究 2003-5-14 14:11:17 介 绍 了 一 种 超 扭 曲 向 列 (STN)LCD 驱 动 芯 片 的 总 体 设 计 方 案 ， 重 点 讨 论 分 析 了 其 关 键 模 块 接 口 电 路 、 控 制 电 路 和 驱 动 电 路 以 及 电 源 电 路 的 设 计 ， 并 用 Verilog 硬 件 描 述 语 言 对 所 设计 的 驱 动 芯 片 的 功 能 进 行 了 仿 真 验 证 。 引 言液 晶 显 示 器 由 于 具 有 体 积 小 、 重 量 轻 、 低 电 压 、 低 功 耗 等 特 点 ， 因 而

2、具 有 十 分 广 阔 的 市 场 前 景， 其 中 STN LCD 在 中 小 尺 寸 LCD 领 域 占 有 很 大 的 市 场 ， 有 其 独 特 的 优 势 。 大 屏 幕 STN LCD 可 用 于 笔 记 本 电 脑 、 彩 色 文 字 处 理 机 等 ， 大 小 屏 幕 STN LCD 常 用 于 便 携 电 话 、 PHS(个人 手 持 系 统 )、 寻 呼 机 等 。 STN 与 TFT 一 样 ， 要 求 提 高 显 示 质 量 和 响 应 速 度 ， 减 少 阴 影 产 生 ，改 善 性 能 价 格 比 ， 同 时 ， 也 要 求 低 功 耗 、 高 密 度 安 装 、

3、彩 色 显 示 等 ， 并 要 求 降 低 基 材 成 本 和 提 高灵 活 性 。 因 此 ， STN LCD 的 专 用 驱 动 控 制 芯 片 要 求 较 多 的 控 制 性 能 ， 如 液 晶 显 示 器 件 的 正 常 显示 、 正 反 显 、 上 下 扫 描 、 正 反 方 向 控 制 、 闪 烁 以 及 滚 屏 等 功 能 。 根 据 所 驱 动 的 LCD 的 大 小及 所 需 功 能 的 多 少 ， 其 驱 动 控 制 芯 片 的 复 杂 程 度 不 同 ， 主 要 体 现 在 其 内 部 RAM 的 大 小 、 译码 电 路 的 复 杂 程 度 、 内 部 的 时 序 及

4、电 源 电 路 等 ， 对 外 可 体 现 在 驱 动 行 和 列 端 口 的 多 少 ， 与MPU 的 接 口 功 能 等 。 本 文 讨 论 了 一 种 功 能 较 完 备 较 复 杂 的 点 阵 STN LCD 驱 动 芯 片 的 设 计 ， 根 据 “自 顶 向 下 ”的 设 计 思 想 ， 将 芯 片 进 行 层 次 化 功 能 划 分 ， 同 时 ， 参 考 已 有 的 同 类 驱 动 芯 片 的 设 计 经 验 ， 结 合 “自底 向 上 ”的 原 理 图 输 入 设 计 方 法 对 部 分 模 块 进 行 设 计 ， 最 后 根 据 系 统 设 计 的 框 架 对 各 模 块

5、进 行 协调 设 计 ， 并 进 行 芯 片 的 整 体 功 能 验 证 ， 从 而 达 到 设 计 的 目 的 。 在 芯 片 的 功 能 验 证 中 ， 我 们 采 用 了Verilog 硬 件 描 述 语 言 ， 对 电 路 的 逻 辑 功 能 和 时 序 关 系 进 行 了 仿 真 验 证 。 本 文 研 究 的 重 点 主 要 在于 点 阵 LCD 控 制 芯 片 的 总 体 设 计 ， 并 就 点 阵 LCD 专 用 控 制 芯 片 的 关 键 模 块 电 路 ： MPU 接口 电 路 、 命 令 译 码 电 路 、 RAM 电 路 、 时 序 控 制 电 路 、 驱 动 电 路

6、、 电 源 电 路 的 设 计 作 详 细 的 描 述， 从 而 完 成 芯 片 的 前 端 设 计 ， 在 确 定 生 产 的 工 艺 后 可 以 完 成 芯 片 版 图 、 后 仿 真 ， 进 而 完 成 芯 片 的全 部 设 计 ， 最 后 进 行 试 流 片 。 设 计 要 求液 晶 显 示 控 制 驱 动 模 块 是 在 液 晶 像 素 的 两 电 极 (行 电 极 和 列 电 极 )之 间 建 立 交 变 电 场 。 在 点阵 式 液 晶 显 示 器 中 ， 像 素 的 两 电 极 是 以 矩 阵 方 式 排 列 的 ， 由 驱 动 电 路 循 环 地 给 每 行 电 极 施 加

7、选 择脉 冲 电 压 ， 同 时 ， 通 过 列 电 极 给 该 行 像 素 施 加 选 择 或 非 选 择 脉 冲 电 压 ， 以 实 现 对 像 素 的 驱 动 。 这种 行 扫 描 是 逐 行 顺 序 进 行 的 ， 循 环 一 周 期 为 一 帧 。 因 此 ， 点 阵 LCD 专 用 控 制 芯 片 的 主 要 作用 是 为 液 晶 显 示 系 统 之 间 的 接 口 。 控 制 芯 片 既 可 以 接 受 MPU 的 直 接 操 作 ， 又 可 以 脱 机 独 立控 制 并 驱 动 液 晶 显 示 。 以 上 为 液 晶 控 制 的 基 本 要 求 ， 鉴 于 当 今 LCD 显

8、示 技 术 的 实 际 需 要 ，我 们 所 设 计 的 LCD 专 用 控 制 芯 片 应 具 有 以 下 主 要 功 能 ： 以 总 线 形 式 提 供 MPU 接 口 ； 以 完 整 的 逻 辑 控 制 电 路 和 时 序 发 生 器 控 制 各 种 显 示 功 能 ； 管 理 和 控 制 RAM， 便 于 MPU 访 问 ； 为 液 晶 显 示 屏 提 供 扫 描 时 序 信 号 和 传 输 显 示 数 据 ； 提 供 功 能 齐 全 的 控 制 指 令 集 ， 便 于 MPU 编 程 ； 提 供 可 选 择 的 不 同 偏 压 比 的 驱 动 电 压 。该 驱 动 芯 片 有 133

9、 个 COM 和 SEG 输 出 ， 有 高 速 的 8 比 特 并 行 8080/6800MPU 接 口 及 串行 接 口 ， 芯 片 内 含 65132 的 RAM， 可 以 在 主 从 方 式 下 工 作 。 芯 片 采 用 CMOS 工 艺 设 计 ，内 置 电 源 产 生 电 路 ， 具 有 较 低 的 功 耗 。点 阵 LCD 驱 动 控 制 芯 片 的 设 计 分 析基 于 以 上 要 求 ， 我 们 的 设 计 流 程 为 ： 从 整 个 芯 片 的 功 能 要 求 出 发 ， 对 芯 片 功 能 进 行 层 次 化 功 能模 块 划 分 ， 直 至 较 为 简 单 的 底 层

10、 模 块 ； 然 后 完 成 各 模 块 的 功 能 描 述 、 设 计 要 求 ； 最 后 从 最 底 层 模块 开 始 ， 采 用 原 理 图 输 入 或 Verilog 的 功 能 描 述 等 方 法 对 各 模 块 进 行 具 体 的 电 路 设 计 或 描 述 ，并 进 一 步 由 底 层 次 模 块 构 成 上 一 层 次 模 块 ， 直 至 构 成 最 高 层 ， 即 实 现 整 个 芯 片 的 功 能 。 对 于 每 一层 次 的 模 块 ， 应 采 用 Verilog 语 言 或 基 于 所 设 计 的 电 路 原 理 图 ， 并 根 据 该 模 块 的 具 体 要 求 进

11、行 测试 文 件 描 述 ， 从 而 对 该 模 块 进 行 功 能 仿 真 ， 直 至 完 成 整 个 芯 片 的 功 能 仿 真 测 试 。我 们 设 计 的 LCD 驱 动 控 制 芯 片 主 要 由 六 个 模 块 组 成 ： 接 口 模 块 (MPU Interface)、 译 码电 路 模 块 (Command Decoder)、 RAM 模 块 、 时 序 控 制 模 块 (Timing Control Circuit)、 驱 动模 块 (Drivers)、 电 源 电 路 模 块 (Power Supply Circuit),各 模 块 根 据 需 要 和 具 体 的 电 路

12、设 计 要 求又 分 为 若 干 底 层 模 块 。MPU 接 口 模 块该 模 块 共 包 括 6 个 子 模 块 ： 读 写 识 别 功 能 块 、 操 作 识 别 功 能 块 、 命 令 /数 据 识 别 功 能 块 、控 制 功 能 块 、 串 /并 转 换 功 能 块 、 BUS HOLD 功 能 块 。 接 口 模 块 是 专 用 芯 片 控 制 芯 片 与 MPU 通 信 的 接 口 ， 数 据 交 换 的 通 道 。 MPU 通 过 它 对 芯 片 进 行 控 制 ， 向 芯 片 中 写 入 命 令 和 显 示 数 据， 或 从 芯 片 中 读 出 状 态 和 显 示 数 据

13、。 由 于 不 同 MPU 控 制 信 号 的 定 义 不 同 ， 读 /写 操 作 又 分 并行 、 串 行 两 种 方 式 ， 因 此 ， 为 提 高 芯 片 兼 容 性 ， 接 口 的 要 设 计 就 考 虑 多 种 情 况 。 专 用 芯 片 通 过 增加 内 部 组 合 逻 辑 的 复 杂 性 ， 可 以 兼 容 6800 series 和 8080 series 两 种 主 流 MPU 的 控 制 信 号， 支 持 串 行 、 并 行 操 作 。 下 面 就 6800 series 并 行 模 式 来 分 析 INTERFACE 模 块 的 工 作 过 程。读 写 识 别 功 能

14、块 在 引 脚 P/NS、 C86 的 控 制 下 对 6800MPU 输 出 的 E、 RD/WR 信 号 进 行 识别 ， 产 生 读 /写 标 志 信 号 ， 区 分 读 /写 操 作 。 操 作 识 别 功 能 块 在 片 选 信 号 有 效 的 情 况 下 ， 通 过 检测 读 /写 标 志 信 号 ， 对 MPU 有 无 对 控 制 芯 片 的 操 作 进 行 识 别 。 若 有 操 作 ， 则 产 生 一 个 操 作 标 志信 号 。 命 令 /数 据 识 别 功 能 块 在 指 令 输 入 的 同 时 ， 利 用 操 作 标 志 信 号 锁 存 A0 信 息 ， 作 为 Com

15、mand decoder 区 分 命 令 /数 据 的 依 据 。 控 制 功 能 块 利 用 操 作 标 志 信 号 ， 在 指 令 输 入 结 束 时 ， 产生 译 码 使 能 使 信 号 和 系 统 Busy 信 号 ， 前 者 是 指 令 执 行 的 前 提 ， 后 者 是 顺 利 执 行 的 保 障 。 并 行 I/O 电 路 的 双 向 三 态 门 连 接 着 内 部 、 外 部 的 Data bus， 由 读 /写 标 志 信 号 决 定 三 态 门 打 开 的 时 间及 方 向 。 串 /并 转 换 辅 助 电 路 和 串 /并 转 换 电 路 受 P/NS 信 号 的 箝 制

16、 ， 不 工 作 ， 与 内 部 Data bus 之 间 由 三 态 门 隔 离 。Command Decoder 译 码 产 生 模 块该 模 块 是 专 用 芯 片 的 控 制 中 心 ， 担 负 着 区 分 数 据 /命 令 ， 解 释 输 入 指 令 的 重 要 作 用 。 它 对 MPU 的 各 种 输 入 进 行 识 别 ， 向 相 关 模 块 发 出 控 制 信 号 ， 由 后 者 完 成 指 令 实 现 芯 片 的 可 编 程 。 我 们所 设 计 的 专 用 芯 片 共 设 置 了 21 条 命 令 。 译 码 器 的 作 用 是 将 外 部 输 入 的 命 令 字 转 化 为 具 有 一 定 宽度 的 高 电 位 脉 冲 ， 从 而 触 发 相 应 的 电 路 ， 使 其 状 态 发 生 改 变 ， 完 成 相 对 应 的 功 能 。 译 码 器 采 用 NMOS 与 阵 列 结 构 。 来 自 MPU 的 指 令 代 码 通 过 专 用 芯 片 的