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基于电流源控制的CNT-FED驱动电路设计

作者:刘巧平 杨延宁 白雨轩 时间:2015-07-08来源:电子产品世界
编者按:本文为了实现碳纳米管场致发射显示器(CNT-FED)的产品化,采用CNT-FED阴极电流源驱动方法,研究了CNT-FED亮度的均匀性和非线性调节问题。从分立元件驱动电路设计原理出发,采用了高稳定性阴极电流源像素驱动电路,将电流源驱动电路预先制作在硅基底上,再利用室温下生长碳纳米管(CNT)的方法,将CNT发射体和电流源驱动电路集成在同一硅衬底上,最终实现了集成CNT-FED驱动电路的设计。该驱动电路解决了CNT-FED亮度均匀性和非线性调节问题,对场射显示器驱动电路的应用研究和CNT-FED驱动电路的集成

摘要:本文为了实现场致发射显示器(CNT-FED)的产品化,采用CNT-FED阴极驱动方法,研究了CNT-FED亮度的均匀性和非线性调节问题。从分立元件设计原理出发,采用了高稳定性阴极像素,将预先制作在硅基底上,再利用室温下生长(CNT)的方法,将CNT发射体和电流源驱动电路集成在同一硅衬底上,最终实现了集成CNT-FED驱动电路的设计。该驱动电路解决了CNT-FED亮度均匀性和非线性调节问题,对场射显示器驱动电路的应用研究和CNT-FED驱动电路的集成化具有参考意义。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/276357.htm

引言

  (FED)是采用冷阴极技术的新型平板显示器[1-2]。目前FED显示技术的发展已经历了第一代金属尖锥阵列型和第二代金刚石薄膜型,正向第三代 (CNT) 薄膜型FED发展[3-4]。CNT因其优异的物理和化学性能,使其在场发射、高强度的复合材料以及纳米电子器件等诸多领域具有广阔的应用前景[5-6]。在新型显示技术领域,因CNT发射特性稳定、开启电压低、易于制作,近年来国内外诸多显示器厂家、研究机构以及高校等投入了大量资金和人力对其进行全面和系统的研究与开发,但目前研究主要集中在CNT-FED的发射材料的研究以及显示屏的设计与制作上[7-8],CNT-FED的产品化需要配套的驱动电路控制系统,这是CNT-FED实现量产的一个重要技术,而目前CNT-FED驱动控制电路的研究相对滞后,尤其亮度控制是驱动电路的关键电路,为此本文从CNT-FED的调制特性出发,研究了CNT-FED驱动电路的亮度控制的原理和实现方法。

1 CNT-FED的工作原理及存在的问题

  CNT-FED的显示原理与阴极射线管(CRT)相似[9-10],由CNT阴极向真空发射电子,然后电子在电场的作用下向阳极高速运动,因受高速电子的轰击,阳极板上的荧光粉发光。当荧光粉发光效率和电子运动的速度确定时,显示器的发光亮度主要取决于CNT阴极发射的电子数[11-13],因此,通过控制阴极电子的发射能力就能实现显示器的亮度控制,在三极型FED中[14-15],阴极电子发射的强弱受栅极电压Vg产生的电场决定,即 Vg控制着发射电流的大小,其发射特性可通过像素单元的伏安特性来表示,又叫 CNT-FED 调制特性曲线,如图1所示。通过调节栅极电压 Vg 的大小来改变发射电流,进而实现亮度控制,从图1可以看出调制特性存在严重的非线性,另外场发射存在开启电压Vt,只有当Vg大于等于Vt时,才能产生场发射。矩阵寻址是FED平板显示器通常采用的显示方式,其每个像素单元相对独立工作,但各像素单元的调制特性存在一定离散性,当采用电压驱动阴极时,就会出现两个问题:一是电压相同时会产生大小不同的电流,这将会导致亮度的不均匀;二是由于像素点间I/V特性曲线的非线性存在差异性,故不能简单地通过固定的非线性校正来改善其性能,因此,很难通过控制电压来完成亮度控制[16-17]。为了解决这一问题,本文提出了阴极电流源控制方法,即通过对在阴极添加电流源,强迫阴极的发射电流跟随恒流源变化。在电流模式下,能够很好地解决这个问题。电流驱动的原理是在阴极的驱动电路中采用恒流源电流驱动模式,恒流源输出电流Io决定了像素电流的上限,保证了各像素的发射电流大小一样,故可实现显示屏亮度的均匀一致。通过调制恒流源的导通时间来实现对灰度级的调制,其原理和电压PMW类似,由于工艺上很难实现CNT阴极的均匀制备,因此电流驱动是保证均匀显示的理想方式。恒流源输出电流Io具体值要根据CNT阴极材料的特性来决定,要能保证Io在PWM调制下,最大占空比输出电流时,显示屏的最大亮度达到要求。

2 CNT-FED驱动电路设计

2.1 高稳定电流源电路原理

  基本电流源输出电流Io依赖于参考电流大小,参考电流的大小依赖于输入电压VCC,因此VCC的稳定性决定了恒流源输出电流Io的稳定性;如果采用高输出电阻电流源,其输出电阻数量级可达到兆欧级,输出电阻越高,作为有源负载的电压增益就越大。因此,基本电流源电路不适合用作稳定性要求很高的FED阴极恒流源。为此,我们采用了一种高稳定性电流源电路,如图2所示。

  图2中稳压管的稳压值为VZ,则电流源的输出: ,此时,Io与电源电压无关。T1的作用是用来稳定 Vz

  假设某原因导致VZ升高 ,则Vgs下降,Ib 随之下降,IDZ随之下降 ,最后Vz随之下降;反之, Vz下降,Vgs升高,Ib随之升高 ,IDZ随之升高,最后Vz升高。这种电路相当于引入了一个负反馈以此来稳定Vz。可见,图2恒流源电路结构简单,并且输出电流很稳定,与输入电压基本没有关系,适合用作FED平板显示器的阴极恒流源。

2.2 分立元件的CNT-FED驱动电路设计

  分立元件电流源驱动电路原理如图3所示(只画出一个像素),该电路元器件选取时需要满足输出电流Io的要求,同时T1管要应具有良好的开关特性。


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