This thesis focuses on the high speed current-mode driving schemes for active-matrix OLED displays and design considerations of low-power area-efficient channel buffer amplifiers for active-matrix LCDs.
In Chapter 1, transient charge feedforward driver (TCFD) for high-speed current-mode data driving in AMOLED displays is presented. In order to provide charging current for the parasitic capacitance of a data (column) line, TCFD adaptively generates the required charging current by taking advantage of the parasitic capacitance of an adjacent data line. The TCFD can dramatically enhance the data driving speed by driving a data line with the summing current of data and the required charging current. The adaptive generation of the required charging current and the summing operation are realized by the simultaneous operation of negative and positive feedback loops. The loop transfer function is revealed and the stability conditions are discussed. By applying the TCFD, a 7 ㎲ driving speed was achieved for 20 ㎁ of data current. The driving speeds were almost constant for data line conditions up to 6 kohm and 40 ㎊. The TCFD was fabricated in a standard 3.3 V 0.35 ㎛ CMOS process and the performance of the TCFD was evaluated by on-chip panel emulation.
In Chapter 2, the performance criteria and corresponding design specifications for channel buffer amplifiers in state-of-the-art column driver ICs of active-matrix LCD (AMLCD) applications are presented. In addition, several display patterns and their driving waveforms that enable the prediction of the performance of channel buffer amplifiers in real panel applications are presented. Low-power area-efficient complementary push-pull buffer amplifiers are shown according to the design specifications. By adding an inverting amplifier controlled source follower and dynamic bias control of the inverting amplifier to a conventional two-stage operational amplifier, the operation voltage range was extended, as well as realizing the push-pull function. The area efficiency of the column driver can be enhanced when adopting buffer amplifiers such as DAC-embedded channel buffer amplifiers. A static current of 3.2 ㎂ was achieved as a channel buffer amplifier in a 13.5 V 0.35 ㎛ CMOS process.
In Chapter 3, simple analytical solutions for pre-emphasis driving conditions in active matrix LCD (AMLCD) applications are presented. According to the solutions presented, the column driver with a gray-level dependent pre-emphasis (GLDP) function is designed for fast settling. The GLDP column driver is implemented without using additional frame memory. Also, modifications to the display system and IC fabrication process changes are not required. The GLDP column driver provides output voltage signals with variable pre-emphasis durations according to the magnitude of the gray-level shift to be driven. By applying the GLDP column driver, 8 ㎲ reduction of the required one row line time was achieved on average. This one row line time reduction makes it possible to realize high performance and low cost AMLCDs. The 640 channel, full function GLDP column driver is fabricated by a 13.5 V 0.35 ㎛ CMOS process.
본 연구에서는 능동 매트릭스형 평판 디스플레이의 구동에 사용되는 컬럼 드라이버 IC의 설계에 관한 내용을 다루었다. AMOLED (능동 매트릭스 유기 발광 다이오드) 디스플레이용 컬럼 드라이버 IC의 설계에서는 전류 모드 구동에 있어서 구동 속도를 향상시키기 위한 구동 개념과 이를 구현한 구동회로를 소개하였다. AMLCD (능동 매트릭스 액정 디스플레이)용 컬럼 드라이버 IC의 설계에서는 컬럼 드라이버의 면적 및 파워 소모를 최소화하기 위한 채널 버퍼 앰프의 설계에 관한 내용과 고속 데이터 구동을 위한 구동 기법을 다루었다.
제 1장에서는 AMOLED 디스플레이에서 기존의 전류 모드 구동시 발생하는 구동 속도의 한계를 이론적으로 해석하고, 고속 전류 구동을 위한 transient charge feedforward driver (TCFD)의 개념을 소개하였다. TCFD는 전류 모드 구동에 있어서 구동 속도를 저하시키는 데이터 라인의 기생 정전용량을 충전시키기 위한 과도전하를 인접 데이터 라인의 기생 정전용량으로부터 발생시키고, 이 과도 전하와 데이터 전류의 합 신호로 해당 데이터 라인을 구동하여 구동 속도를 크게 향상시킬 수 있었다. TCFD의 구동 성능은 다양한 모의실험과 실험을 통해 검증하였다. 지금까지 제안되어온 다양한 구동 기술들과 상대적인 구동 성능 비교를 위해, 새로운 FOM (Figure of Merit, 성능 지표)를 정의하고 FOM 비교를 통해 TCFD의 우수성을 정량적으로 평가하였다. 또한 TCFD의 구동 속도 및 안정성에 관한 해석을 하였으며, 실제 디스플레이 시스템의 응용에 있어서 면적과 전력 소모를 50% 절감시킬 수 있도록 path exchanger (경로 변환기)의 응용 및 전체적인 시스템 동작 타이밍도를 보였다.
제 2장에서는 최신 AMLCD용 컬럼 드라이버 IC의 채널 버퍼 앰프의 성능 지표를 재구성하고 이 성능 지표에 상응하는 설계 사양을 제시하였다. 그리고, 실제의 디스플레이 응용상에서 발생하는 디스플레이 패턴과 이 패턴에 해당하는 구동 파형을 분류하여, 회로 설계 단계에서 모의실험의 범위와 설계 검증의 수준을 한층 높일 수 있도록 하였다. 본 장에서 정의된 설계 사양을 충실히 만족시키는 저 면적 저 전력 채널 버퍼앰프를 제안하고 먼저 정의된 설계 사양에 따른 모의실험을 통해 이를 검증하였다.
제 3장에서는 AMLCD의 고속 구동을 위한 pre-emphasis 구동에 있어서, 최적의 pre-emphasis 구동 조건을 해석적 해를 구하였다. 이 해에 따른 pre-emphasis 구동을 하는 Gray Level Dependent Pre-emphasis (GLDP) 컬럼 드라이버 IC 구조를 제안하고, IC의 제작 및 실제 패널응용을 통해 동작 성능을 검증하였다.
