This thesis addresses data driver ICs for the two flat panel display technologies of Active Matrix (AM) OLEDs and Active Matrix (AM) LCDs. A compact channel DAC architecture and high speed current-mode output buffers are presented for AMOLED data drivers. And an area-efficient channel DAC structure with excellent channel uniformities is proposed for AMLCD data drivers.
In Chapter 1, a compact channel DAC architecture is introduced. An area-efficient 9 bit segmented DAC is fabricated in a standard $0.35 \mu m$ CMOS process. The DAC uses a cascaded-dividing DAC structure for seven least significant bits (LSBs) which leads to a very compact chip implementation suited for channel DACs in AMOLED driver ICs. The implemented chip area of the 9 bit DAC is $65 \times 833 \mu m^2$ and the chip’s power consumption is $37 \mu W$ per DAC. Compared with the previous DAC architectures, the proposed DAC architecture performs excellently in terms of a composite DAC performance which includes chip area, power consumption, and bit-resolution.
In Chapter 2, a fast and compact output buffer suitable for small to medium AMOLED displays is presented. An improved transient current feedforward (ITCF) driver is designed for compact implementation and low power consumption by adopting de-multiplexing operation of the proposed driver, based on the fast driving speed of $6 \mu s$ for the panel load of $6k\Omega$ / 40pF which is equivalent to that of XGA AMOLED displays. The driver has structural advantages of simple frequency compensation and low power consumption which come from the elimination of an internal OTA. The chip implementation provides that the area of the driver is $32.5 \times 217 \mu m^2$, and the power consumption $6.5 \mu A$ for each channel.
In Chapter 3, a fast current-mode output buffer for full-HD AMOLED displays is addressed. A push-pull transient current feedforward (PP-TCF) driver is designed to have a complete push-pull function and a loop gain control for enhancing data current drivability. The proposed current-mode driver is insensitive to the precharge voltage levels of data lines, and ensures fast settlements for a wide range of data currents. The driver consumes static current of $4.5 \mu A$/ channel and its driving speed is within $6 \mu s$ at the data currents from 20nA to $4.98 \mu A$ in the existence of the panel parasitic load of $4k \Omega$/ 90 pF that is equivalent to the panel parasitic load of a full-HD sized AMOLED display.
A piecewise linear 10 bit DAC for AMLCD data driver with robust interpolation method of drain current modulation is presented in Chapter 4. It has higher effective bit resolution than the linear 10 bit switched-capacitor DAC when applied to nonlinear liquid crystal characteristics. By adopting a simultaneous design flow based on the estimations for the mismatch and nonlinearity effects on channel driver performance, the proposed DAC accomplishes good DNL of 0.37 LSB and excellent channel uniformity such that the mean and the standard deviation of the maximum output voltage deviations are 6.35mV and 0.54mV, respectively. The 10 bit data driver with the new interpolation shows 8.2\% shrinkage of chip area in comparison with the conventional 8 bit data driver with R-DAC.
본 학위논문에서는 AMOLED (능동 매트릭스 OLED) 디스플레이와 AMLCD (능동 매트릭스 LCD)의 두 가지 평판 디스플레이 기술을 위한 데이터 드라이버 IC들에 대해서 다루고 있다. AMOLED 데이터 드라이버에서는 칩면적 절감에 유리한 채널 DAC 아키텍쳐와 고속구동의 전류모드 출력버퍼들을 소개하였다. 그리고 면적 효율성이 우수하며 채널간 균일특성이 탁월한 채널 DAC구조를 AMLCD 데이터 드라이버와 관련하여 제안하였다.
제 1장에서는 면적 절감효과가 뛰어난 채널 DAC 아키텍쳐를 소개하였다. 9 비트 해상도의 세그먼트 구조 DAC를 standard $0.35 \mu m$ CMOS 공정을 이용하여 제작하였다. 하위 7 비트를 cascaded-dividing DAC 구조를 이용하여 구현하였으며, 매우 작은 면적 상에 제작할 수 있기 때문에 AMOLED 드라이버 IC의 채널 DAC에 적합한 구조로 판단된다. 제작된 9 비트 DAC가 점유 면적은 $65 \times 833 \mu m^2$ 이며 DAC당 $37 \mu W$의 전력을 소모한다. 기존의 DAC 구조들과 비교할 때, 칩 점유면적, 전력소모, 비트 해상도를 포함하는 포괄적인 성능평가에 의하여 제안된 DAC구조의 탁월한 성능이 입증되었다.
제 2장에서는 신속한 구동성능과 저면적 설계가 가능하여 중, 소형 AMOLED 디스플레이에 적합한 출력버퍼를 제시하였다. 제안된 improved transient current feedforward (ITCF) 드라이버는 XGA급 디스플레이 패널에 해당하는 $6k\Omega$/ 40pF의 구동부하 조건에서 $6 \mu s$의 신속한 구동성능을 보이며, 빠른 구동속도를 기반으로 한 de-multiplexing 동작을 통하여 저전력 소모와 칩 소요면적 절감을 달성할 수 있다. 기존 전류모드 구동방식 드라이버와 비교하여, ITCF 드라이버는 내부 OTA를 제거하였기 때문에 저전력 소모와 함께 간결한 주파수 보상이 가능한 회로구조적인 장점을 지니고 있다. 제작된 ITCF 드라이버는 채널당 $32.5 \times 217 \mu m^2$ 의 칩 점유면적과 $6.5 \mu A$의 소모전류를 보였다.
제 3장에서는 full-HD AMOLED 디스플레이 구동이 가능하며 신속한 구동속도를 갖는 전류모드 출력버퍼를 다루었다. Push-pull transient current feedforward (PP-TCF) 드라이버는 완전한 push-pull 기능 및 루프 이득 제어 기능에 의하여 데이터 전류 구동성능이 향상되었다. 제안된 전류모드 드라이버는 데이터 라인의 precharge 전압에 둔감하며, 넓은 데이터 전류 범위에 대하여 신속한 구동이 가능하다. 제작된 PP-TCF 드라이버는 full-HD AMOLED 디스플레이에 해당하는 구동부하 조건하에서 20nA에서 $4.98 \mu A$에 걸친 데이터 전류 영역에 대하여 $6 \mu s$ 이내의 빠른 구동성능을 보였으며, 채널당 $4.5 \mu A$의 소모전류를 갖는다.
강인한 내삽 방식인 drain 전류 변조를 이용한 구분 선형성 10 비트 DAC를 적용한 새로운 구조의 AMLCD 데이터 드라이버를 제 4장에서 소개하였다. 본 구조는 비선형적 액정특성에 적용할 때, switched-capacitor DAC를 이용한 선형성 10 비트 구조 데이터 드라이버 보다 높은 실질적 비트 해상도를 갖는다. 회로 내 부정합과 비선형 효과에 대한 예측을 기반으로 한 동시 설계 방식을 적용하여 제작된 DAC는 0.37 LSB의 우수한 DNL 특성을 얻었으며, 채널간 균일성은 정규분포 상에서 평균치와 표준편차가 각각 6.35mV와 0.54mV의 탁월한 성과를 달성하였다. 제안된 내삽 방식을 적용한 10 비트 데이터 드라이버는 기존 R-DAC 구조를 적용한 8 비트 데이터 드라이버 보다 8.2\%의 면적절감을 보였다.
