This thesis is composed of two kinds of ICs for LED backlit LCD module. The one is 10b Linear Interpolation DAC using Body-Transconductance Control for AMLCD Column Driver IC. And the other is 16 channel LED Driver IC based on fast response high impedance current source.
Since most chip area in LCD panel driving ICs is occupied by column drivers, it is one of the most important design issues to reduce the driver size and its power consumption in mobile AMLCD column driver application. Several papers on the issue have published interpolation DAC architecture [1-2]. In [1], they use extra V-I converter in order to generate coarse step current which is to be interpolated, and both [1] and [2] adopt current DAC(CDAC) to generate fine currents and to make intentional current mismatch (interpolation) in the buffer amplifier. Even though the current DAC in them are very efficient in size by successive current division scheme, such binary weighted DAC usually shows poor linearity and results in large device size. In order to reduce size burden from the interpolation block, Interpolation Embedded Buffer Amplifier (IEBA) architecture using body trans-conductance modulation for 10b AMLCD column driver is proposed. The IEBA adopts 4b control of body potential via a built-in body buffer for interpolation in the buffer amplifier. 10b DAC is realized with coarse 6b DAC, fine 3b DAC and a multiplexer. The 6b DAC generates coarse voltage references that are indicated by the upper 6b input data (D9 ~ D4), and the 3b DAC makes fine voltage references for the IEBA using lower 3b data (D2 ~ D0). One multiplexer(MUX) controlled by D3 is used to change the voltage at VLSB- terminal of the buffer input for more linear body control by reducing voltage change at the body. Measured INL and DNL are 0.36 LSB and 0.35LSB on 10b accuracy, respectively. Each channel of driver IC has a height of $295\mum$, a pitch of $14\mum$ and a static current of $1\muA$. The fabricated chip is in 90n CMOS process.
The second part of thesis is about LED driver IC for LED backlight. Many LED backlit LCD have been introduced to market. And its penetration rate will increase much in future. LED backlight has many advantages of fast response time, local dimming, wide color gamut, 3D TV capability, physical dimension and life time versus conventional CCFL backlight unit. There are two kinds of LED dimming methods. One is PAM. The other is PWM. PAM has color shift problem versus forward current on LED. So PAM is not suitable for display application. Therefore in this research, PWM dimming method is used. Many major IC companies manufacture LED driver ICs. But their ICs do not control large current more than 100mA. Nowadays many LED BLUs adopt small number of LEDs with large current spec to reduce cost. So LED driver IC with large current driving capability is needed. Proposed LED driver IC is composed of high impedance current source, high voltage switching MOS(HV MOS), buffer amp for HV MOS and switches. To implement high impedance current source, positive feedback loop is applied[ LED driver IC, 8]. For precise current mirroring ratio current source calibration scheme is applied on each channels. The current calibration circuit is composed of CDAC, comparator, digital logic and common reference current source. Adopting current calibration scheme, inter-channel current deviation is suppressed versus process mismatch. To supply power to LED arrays, boost converter is needed and its output voltage must be controlled as maintaining proper LED forward drop and current source operation range. To achieve this function auto-feedback structure is implemented. This structure makes a reference voltage for an off-chip boost converter from minimum drain voltage on each channel. Every sub blocks with digital controller are fully integrated in IC. And the fabricated chip is in $0.35\mum$ BCD process.
본 논문은 LED backlight를 가지는 LCD 모듈을 위한 두 가지 종류의 IC의 설계로 구성되어 있다. 첫 번째 부분은 바디 transconductance control을 사용한 AMLCD를 위한 10bit linear DAC column driver IC에 대한 내용으로 구성되어 있고 두 번째 부분은 fast response를 가지는 high impedance current source에 기반한 16 channel LED driver IC로 구성되어 있다.
LCD driver IC의 대부분의 chip 면적은 column driver가 차지 하기 때문에 이 driver의 면적과 파워 소모를 줄이는 것이 가장 중요한 design issue중 하나이다. Interpolation DAC에 관한 여러가지의 논문들이 발표 되었다. [1]에서는 추가적인 V-I converter를 사용해 interpolation 될 coarse current step을 만들고 CDAC을 사용해 fine current level을 만들어 출력 버퍼 앰프에 의도적인 current mismatch를 일으켜 interpolation을 구현했다. 이와 같은 구조는 CDAC을 사용해서 면적에서 효율적인 구조를 구현했지만 CDAC구조는 mismatch에 민감한 구조이기 때문에 사이즈를 줄이는데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 body trans-conductance modulation을 사용한 Interpolation Embedded Buffer Amplifier (IEBA)를 통해 interpolation buffer amp구조를 구현하였다. IEBA는 built-in body buffer를 통해 buffer amp의 input TR의 body전압을 4b control이 가능하도록 구성되어 있다. 전체적으로 10b DAC는 coarse 6b DAC, fine 3b DAC, multiplexer로 구성되어 있다. 6b DAC는 coarse voltage references전압을 상위 6비트 데이터를 통해 만들어 주고 fine 3b DAC는 하위 3비트 데이터를 통해 fine voltage references를 만들어 준다. Multiplexer는 네 번째 비트 값에 따라서 IEBA의 VLSB- terminal에 들어가는 전압을 fine 3b DAC출력 전압만큼 더하고 빼줄 수 있도록 구성해서 body 쪽 input에 걸리는 전압 차이를 줄여 선형성을 개선하는 역할을 한다. 완성된 IC를 통해 측정된 INL과 DNL은 각각 10b accuracy에서 0.36 LSB and 0.35LSB로 10bit 이상의 해상도를 가짐을 확인 하였다. 각각의 channel은 $14\mum$ pitch에서 $295\mum$ height를 가지고 channel당 1uA의 전류를 소모하며 90n CMOS 공정에서 fabrication되어 있다.
논문의 두 번째 부분은 LED backlight를 위한 LED driver IC이다. 많은 LED backlight를 채용한 LCD가 시장에 출시되었으며 이후에 LED backlight light를 채용한 LCD의 비율이 점차적으로 높아져 갈 것이다. LED backlight는 기존의 CCFL backlight에 비해 응답속도, local dimming, wide color gamut, 3D TV 적용가능성, 디자인, 수명등 많은 부분에서 강점을 가진다. LED dimming 방법에는 PAM과 PWM 방법이 있는데 PAM의 경우 LED의 밝기에 따라 color shift현상이 발생하기 때문에 display 용도로써 사용하기에는 부적합하다. 따라서 본 연구에서는 PWM방식을 사용해 LED dimming을 구현하였다. 현재 많은 IC 제조사에서 LED driver IC를 생산하고 있지만 100mA이상의 전류를 구동 할 수 있는 IC는 거의 없다. 현재 많은 LED BLU는 하나의 LED에서 높은 전류를 사용하고 적은 개수의 LED를 사용하도록 하는 추세 이기 때문에 높은 전류를 control할 수 있는 LED driver IC가 필요하다. 제안된 LED driver IC는 high impedance current source, high voltage switching MOS(HV MOS), HV MOS를 위한 buffer amp, switches로 구성되어 있다. high impedance current source를 만들기 위해 positive feedback loop으로 구성된 current source가 사용 되었다. 정확한 current source mirroring ratio를 구현하기 위해 current source calibration scheme이 적용되었다. current calibration circuit은 CDAC, comparator, digital logic, common reference current source로 구성되어 있다. current calibration을 적용 함으로써 채널간의 전류 편차를 최소화 할 수 있다. LED array에 전압을 공급하기 위해 boost converter가 필요하고 boost converter의 출력 전압은 적당한 LED forward drop을 유지하고 current source의 동작이 가능한 최소의 전압 범위로 조정되어야 한다. 이를 구현하기 위해 auto-feedback structure가 사용되었고 이 구조를 통해 off-chip boost converter의 feedback 전압을 제어하게 된다. Digital controller를 포함한 모든 서브 블록들이 하나의 IC에 집적되어 $0.35\mum$ BCD process에 fabrication되어 있다.
