電視、顯示器以及平板電腦中，最關(guān)鍵的元器件莫過于液晶 (LCD及OLED) 顯示面板。隨著顯示面板的廣泛應(yīng)用，降低面板功耗以及降低面板共用級電壓(VCOM)來源——VCOM放大器的結(jié)溫變得越來越重要。
液晶顯示通過打開和關(guān)閉玻璃基板上獨立的薄膜晶體管來控制每個像素。液晶面板采用逐行掃描技術(shù)，依次打開每一行像素的柵極電壓，以允許源極電壓（由源極驅(qū)動芯片產(chǎn)生）流向每個像素。改變像素電容上面的電壓差，可以控制每個像素對光的透過率，從而顯示整個圖像。這些TFT電路使用銦錫氧化物（ITO）電極，這是一種半透明的金屬層。由于這些晶體管陣列采用薄膜沉積技術(shù)，因此其作為開關(guān)器件的質(zhì)量，遠遠不夠理想。
如圖1所示，是像素尋址電路的簡化電路圖。每個LCD像素，由一個等效電容器（C）表示，每當(dāng)柵極電壓(Gate)變高從而打開TFT時，像素電容連接到源電壓(Source Voltage)。源電壓值取決于面板尺寸，對于30"~70"的LCD面板來說，其電壓范圍為0V~24V；而對于平板電腦尺寸大小的面板來說，其電壓范圍為0V~8V。所有像素電容的另一極，連接到共同的節(jié)點電壓，稱為共用電壓，或VCOM。VCOM電壓可以調(diào)整，并作用于整個面板區(qū)域。為了延長面板的使用壽命和降低圖像的閃爍，VCOM通常設(shè)置為略低于最大源電壓的二分之一。
圖1：TFT背板的簡化像素尋址電路
即使在相同的生產(chǎn)線上，不同面板由于TFT背板的生產(chǎn)差異性也可能導(dǎo)致VCOM電壓的顯著差異。因此，面板模塊組裝的最后一道質(zhì)量檢驗測試就是調(diào)整VCOM電壓，使每塊面板VCOM電壓達到最佳。當(dāng)面板因像素信息發(fā)生變化而動態(tài)變化時，在整個面板上保持均恒的VCOM電平同樣重要。為了保持出廠電壓設(shè)置，通常需要1到12個通道的運算放大器，通常稱為VCOM緩沖器，連接到包含出廠VCOM設(shè)置的數(shù)字電位器的DAC輸出端，來穩(wěn)定VCOM電壓。圖2顯示了數(shù)字電位器和單個VCOM緩沖器的典型框圖。
圖2：LCD面板中數(shù)字電位器和VCOM放大器的典型示意圖
VCOM緩沖器介紹
在圖1中，每個像素被簡化為無極電容器。因此，加在像素兩端的電壓絕對值不變，其亮度并不會因為極性的改變而發(fā)生變化。圖像也不會因像素電容器極性的周期性反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生不利影響。
VCOM放大器具有電流流入和流出能力，可以通過COMMEN極板，給等效電容充電或者放電。峰峰值瞬態(tài)電流，取決于每個像素的亮度和圖像特性。
為了理解VCOM放大器的電氣行為，可以使用圖3所示的簡化模型。在該模型中，LCD面板由分布式RC負載表示，方波驅(qū)動器表示施加到像素電容器的變化的電荷。當(dāng)液晶電容發(fā)生改變時，VCOM輸出用于補償變化并且恢復(fù)共用極板的原始電壓。輸出電壓必須在水平周期結(jié)束之前穩(wěn)定，可以此定義VCOM放大器的壓擺率和帶寬要求。
圖3：VCOM放大器和LCD仿真模型
VCOM放大器有兩個反饋網(wǎng)絡(luò)。本地直流反饋（RFB2）將放大器配置為跟隨器。附加的遠端AC反饋（RFB1，CFB）將LCD共用極板的中間連接到運算放大器的負端輸入，提高共用極板VCOM響應(yīng)時間。
傳統(tǒng)的VCOM緩沖設(shè)計
傳統(tǒng)的VCOM放大器由單個模擬電源AVDD供電，其特定值取決于面板尺寸和制造商。對于平板電腦大小的面板，AVDD大概8 V，VCOM大概為3 V。在像素充電瞬態(tài)，很大的峰值電流從AVDD流向共用極板，或者從共用極板回流到地。放大器的總功耗將取決于峰值電流和VCOM輸出電壓。
圖4中的模擬仿真結(jié)果說明了VCOM電壓隨著面板的水平頻率變化及放大器的輸出電流變化情況。電流波形和畫面有關(guān); 然而，對于所有圖像，負載的瞬態(tài)特性，會使放大器的功耗增加，從而降低其總體效率，并增加放大器結(jié)溫。
圖4：簡化的VCOM輸出電壓和電流波形
GVCOMTM放大器可提供穩(wěn)定性和功率節(jié)省
可以使用G級放大器來解決與傳統(tǒng)VCOM放大器相關(guān)的損耗，它可利用多個電源軌（AVDD，VP，VN和GND）來驅(qū)動放大器的輸出級。VCOM緩沖器將需要兩個獨立的輸出級連接到四個電源電壓。對于使用8 V AVDD電壓的平板電腦面板示例，VP可以使用平板電腦的鋰離子電池（標(biāo)稱3.7 V）電壓，VN使用平板電腦數(shù)字IC的1.2 V內(nèi)核電壓。
GVCOMTM緩沖器實現(xiàn)的一個例子如圖5所示。每個輸出級的MOSFET通過4個開關(guān)連接到放大器輸出端，標(biāo)號為SW1至SW4。該電路還包括輸出檢測比較器，以提供輸出電壓電平和所有電源軌的實時比較結(jié)果。當(dāng)VCOM輸出電壓低于VP時，SW1關(guān)閉，SW2導(dǎo)通，由VP電壓為輸出級供電。在瞬態(tài)負載下，當(dāng)VCOM輸出上升到VP軌之上時，開關(guān)SW1和SW2反轉(zhuǎn)，輸出電流由較高的AVDD電壓提供。
圖5：GVCOMTM放大器的簡化原理
類似地，當(dāng)運算放大器吸收電流時，也會自動選擇負端電源。當(dāng)輸出電壓高于VN軌時，SW3導(dǎo)通，SW4關(guān)閉。對于穩(wěn)態(tài)3 V VCOM輸出，輸出級始終在VN和VP電壓軌之間供電，這顯著降低了輸出級兩端的峰峰值電壓，從而大幅降低了放大器的功耗。
圖6說明了瞬態(tài)負載時放大器的輸出電流。最初，輸出電流由VP電壓（綠色軌跡）提供。隨著輸出電流的增加，第二個輸出級導(dǎo)通，導(dǎo)致輸出電流從較高的AVDD電壓（紅色跡線）流出。當(dāng)輸出恢復(fù)到原始值時，輸出電流緩慢轉(zhuǎn)移到由VP電壓提供。當(dāng)輸出電壓下降到VN電壓或接地時，會發(fā)生相同的過程。通過這些結(jié)果，可以理解如何顯著降低放大器的總功耗。
圖6：GVCOM放大器輸出電壓和電流波形
單芯片GVCOM放大器解決方案
iML作為全球領(lǐng)先的電源管理和色彩校準(zhǔn)的平板顯示和LED照明市場的解決方案供應(yīng)商，主要產(chǎn)品為可編程伽瑪校正緩沖電路芯片/公共驅(qū)動芯片、電源管理芯片、LED 照明芯片等，其P-GAMA產(chǎn)品和VCOM產(chǎn)品具有行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位，相關(guān)產(chǎn)品市場份額遙遙領(lǐng)先。2016年11月9日，集創(chuàng)北方與亦莊國投共同出資設(shè)立的屹唐集創(chuàng)，正式完成對iML的并購。至此，雙方強強聯(lián)合，將加速極具創(chuàng)新性、高度差異化的產(chǎn)品進程。本文所主要介紹的單芯片GVCOM運算放大器技術(shù)，就是極具創(chuàng)新性的技術(shù)典范。
GVCOMTM實現(xiàn)的一個例子如圖7所示。iML2911單芯片解決方案僅使用現(xiàn)有的平板電源（1.2 V，3.7 V和7.6 V）。電源輸入VP連接到標(biāo)稱電壓為3.7V的鋰離子電池。
圖7：使用單芯片GVCOM放大器解決方案的GVCOM設(shè)計
與平板電腦應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)iML7831 VCOM放大器相比，iML2911 GVCOMTM放大器的輸出功率節(jié)省情況如表1所示。為了解決鋰離子電池在其充電期間的不同電壓水平，使用VP電壓范圍為3.0 V至5.0 V來測量總功耗。如果VP連接到固定電源而不是電池，該方法也將為VP電壓確定最佳值。
我們測試了三種不同的顯示模式：靜態(tài)，垂直像素和垂直亞像素。靜態(tài)圖案是標(biāo)準(zhǔn)平板電腦主屏幕; 垂直像素和垂直亞像素圖案是黑色（暗）豎線和白色（亮）豎線水平交替的序列。 盡管垂直像素和垂直亞像素圖案通常不會遇到，但它們通常在業(yè)界用于測試LCD面板，用于評估最壞情況下的發(fā)熱。
表 1: GVCOMTM iML2911和標(biāo)準(zhǔn)iML7831放大器的功耗比較
