아날로그-디지털 변환기를 이용한 고균일도 디스플레이 데이터 구동회로 :A High-Uniformity Display Data Driver IC Using an Analog-to-Digital Converter

이해승

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이해승 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수: 최병덕

발행연도: 2015

저작권: 한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

아날로그-디지털 변환기를 이용한 고균일도 디스플레이 데이터 구동회로

이해승 전자컴퓨터통신공 2015.01 학위논문

2014

Analog-to-Digital Converter를 이용한 고균일도 디스플레이 데이터 구동회로

이해승 , 최병덕 대한전자공학회 학술대회 2014.11 학술대회자료

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최근의 디스플레이 시장에서는 Ultra High Definition 및 3D TV를 비롯한 대면적 고해상도 디스플레이의 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 대면적, 고화질 디스플레이에 대한 요구는 더 높은 해상도와 자연스러운 색의 디스플레이에 대한 연구개발의 필요성을 증가시켜왔다. 특히 10억 가지 색상에 달하는 자연의 색을 구현하는데 있어, 데이터 구동 시스템이 보다 더 세밀하고 정확한 전압 또는 전류를 생성하는 것은 필수적이다. 그러나 채널 버퍼 연산증폭기의 오프셋 전압으로 인해 세밀하고 정확한 전압 또는 전류를 생성하는 것은 매우 어렵다. 채널 출력 버퍼 연산증폭기의 랜덤 오프셋 전압은 출력 채널들 간의 편차를 발생시켜 디스플레이의 균일도를 저하시키며, 이는 심각한 화질 저하의 요소가 된다. 이 버퍼 연산증폭기의 랜덤 오프셋 전압을 감소시키기 위한 방법으로 오토 제로잉(autozeroing) 기법과 오프셋 평균화(offset averaging) 기법이 주로 사용되고 있다. 그러나 오토 제로잉 기법은 추가적인 커패시터와 제어 신호를 필요로 하고, 이는 면적을 증가시키고 추가적인 커패시터 제조 공정 비용을 유발한다. 오프셋 평균화 기법은 추가적인 스위치 트랜지스터들과 제어 신호를 필요로 한다. 또한 수 프레임에 걸쳐 오프셋 전압을 평균화하기 때문에 플리커 노이즈를 발생시킬 수 있다는 문제점을 안고 있다.
본 논문에서는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 이용하여 디스플레이 데이터 드라이버의 출력 버퍼 연산증폭기의 오프셋 전압을 센싱하여 외부 디지털 보상하는 방법을 통해 높은 균일도를 달성할 수 있는 데이터 구동회로를 제안한다. 제안하는 데이터 구동회로는 ADC로 구성된 오프셋 센싱 로직을 이용하여 각 버퍼 연산증폭기의 오프셋 전압을 측정하여 데이터 구동회로 외부에 별도로 마련된 EEPROM에 저장한다. 오프셋 보정 로직은 원래의 RGB 영상 데이터를 입력 받아 저장된 오프셋 데이터와의 연산을 통해 보정된 RGB 영상 데이터를 구동회로로 전달하고, 데이터 구동회로는 보정된 RGB 영상 데이터에 의해 원래의 RGB 영상 데이터에 해당하는 전압에 가까운 전압을 패널에 공급한다. 이 동작을 통해 제안하는 데이터 구동회로는 높은 균일도를 달성할 수 있다.
제안하는 구동회로는 90 nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였으며, HSPICE와 LABVIEW 프로그램을 통해 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과, 제안하는 출력 버퍼의 오프셋 전압 보상방법을 통해, 보상 전 20 mV 수준이었던 채널 버퍼의 오프셋 전압을 3.5 mV이내로 감소 시켰다. 이는 DAC의 ±0.5 LSB(Least Significant Bit) 이내의 전압을 의미한다.

In a recent display market, the demand for more natural color, a larger screen and higher resolution is consistently increasing. An ultra high definition (UHD) TV is a good example to show this trend. To provide sufficient color depth for natural color expression, the display data driver should produce very fine and accurate voltages or currents. However, it is difficult to achieve very fine and accurate voltages or currents due to the offset voltage of the output buffer amplifier. This offset voltage is created due to mismatching of the characteristics between transistors constituting the data driver circuit. The random offset voltage of the output buffer amplifier is the main cause of non-uniformity between output channels. Therefore, the offset voltage of the buffer amplifier must be compensated or removed to achieve the uniformity of the display. The auto-zeroing method and the offset averaging method have been developed for reducing the offset voltage of the buffer amplifier. However, auto-zeroing method needs additional capacitor and control signals; hence, the circuit area and the fabrication cost are increased. The offset averaging method also requires additional switch transistors and signals. Moreover, it can produce a visible flicker because it averages offset voltage over a few frames.
To resolve this problem, this thesis proposes a high-uniformity data driver by compensating the offset voltage of the buffer amplifier with little increase in channel area. The proposed data driver measures offset voltage of each buffer amplifiers using an analog-to-digital converter (ADC) and stores these offset voltages in an electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM). The offset calibration logic provides the calibrated display digital data to the data driver after calibration. This calibrated data is made by subtracting the stored offset voltage data from the original display data. With this operation, the proposed data driver can achieve the high uniformity throughout the channels.
The proposed data driver is designed in a 90 nm CMOS process, and simulated using HSPICE and LABVIEW program. The simulation results with the proposed method show that the offset voltage of the channel buffer is drastically reduced from about 20 mV from before calibration to less than 3.5 mV which means the error is under 0.5 least significant bit (LSB) voltage of digital-to-analog converter (DAC). Therefore, the proposed data driver can achieve very highly uniform output voltage.

#전자회로

목 차 I
국 문 요 지 III
ABSTRACT V
그 림 목 차 VII
표 목 차 XI
제 1 장 서 론 1
1.1 연구의 필요성 1
1.2 논문의 구성 3
제 2 장 데이터 구동 회로 개요 4
2.1 데이터 구동 회로의 구조와 동작 4
2.2 버퍼 연산증폭기 7
2.3 연산증폭기의 오프셋 에러 12
2.4 기존의 랜덤 오프셋 전압 제거 기법 14
2.4.1 오토 제로잉(Auto zeroing) 기법 14
2.4.2 오프셋 평균화(offset averaging) 기법 15
2.5 디스플레이 드라이버용 연산증폭기 19
제 3 장 제안하는 고균일도 데이터 드라이버 설계 26
3.1 제안하는 랜덤 오프셋 전압 보상 기법 26
3.2 제안하는 데이터 드라이버의 구성 요소 30
3.2.1 채널 버퍼 30
3.2.2 디지털-아날로그 변환기 (DAC) 48
3.2.3 아날로그-디지털 변환기 (ADC) 50
3.3 채널 버퍼의 오프셋 전압 보상 로직 59
3.3.1 제안하는 오프셋 전압 보상 기법 59
제 4 장 시뮬레이션 결과 64
4.1 시뮬레이션 조건 및 구성 64
4.2 시뮬레이션 결과 65
4.2.1 최종 오프셋 보상 시뮬레이션 결과 65
4.2.2 채널 버퍼 시뮬레이션 결과 68
4.2.3 반전 구동 시뮬레이션 결과 71
4.2.4 ADC 시뮬레이션 결과 79
4.2.5 Layout 83
제 5 장 결 론 84
참 고 문 헌 86

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