基于電流源控制的CNT-FED驅動電路設計

摘要：本文為了實現碳納米管場致發射顯示器(CNT-FED)的產品化，采用CNT-FED陰極電流源驅動方法，研究了CNT-FED亮度的均勻性和非線性調節問題。從分立元件驅動電路設計原理出發，采用了高穩定性陰極電流源像素驅動電路，將電流源驅動電路預先制作在硅基底上，再利用室溫下生長碳納米管(CNT)的方法，將CNT發射體和電流源驅動電路集成在同一硅襯底上，最終實現了集成CNT-FED驅動電路的設計。該驅動電路解決了CNT-FED亮度均勻性和非線性調節問題，對場射顯示器驅動電路的應用研究和CNT-FED驅動電路的集成化具有參考意義。

引言

　　場發射顯示器(FED)是采用冷陰極技術的新型平板顯示器^[1-2]。目前FED顯示技術的發展已經歷了第一代金屬尖錐陣列型和第二代金剛石薄膜型，正向第三代碳納米管 (CNT) 薄膜型FED發展^[3-4]。CNT因其優異的物理和化學性能，使其在場發射、高強度的復合材料以及納米電子器件等諸多領域具有廣闊的應用前景^[5-6]。在新型顯示技術領域，因CNT發射特性穩定、開啟電壓低、易于制作，近年來國內外諸多顯示器廠家、研究機構以及高校等投入了大量資金和人力對其進行全面和系統的研究與開發，但目前研究主要集中在CNT-FED的發射材料的研究以及顯示屏的設計與制作上^[7-8]，CNT-FED的產品化需要配套的驅動電路控制系統，這是CNT-FED實現量產的一個重要技術，而目前CNT-FED驅動控制電路的研究相對滯后，尤其亮度控制是驅動電路的關鍵電路，為此本文從CNT-FED的調制特性出發，研究了CNT-FED驅動電路的亮度控制的原理和實現方法。

1 CNT-FED的工作原理及存在的問題

　　CNT-FED的顯示原理與陰極射線管(CRT)相似^[9-10]，由CNT陰極向真空發射電子，然后電子在電場的作用下向陽極高速運動，因受高速電子的轟擊，陽極板上的熒光粉發光。當熒光粉發光效率和電子運動的速度確定時，顯示器的發光亮度主要取決于CNT陰極發射的電子數^[11-13]，因此，通過控制陰極電子的發射能力就能實現顯示器的亮度控制，在三極型FED中^[14-15]，陰極電子發射的強弱受柵極電壓Vg產生的電場決定，即 Vg控制著發射電流的大小，其發射特性可通過像素單元的伏安特性來表示，又叫 CNT-FED 調制特性曲線，如圖1所示。通過調節柵極電壓 Vg 的大小來改變發射電流，進而實現亮度控制，從圖1可以看出調制特性存在嚴重的非線性，另外場發射存在開啟電壓Vt，只有當Vg大于等于Vt時，才能產生場發射。矩陣尋址是FED平板顯示器通常采用的顯示方式，其每個像素單元相對獨立工作，但各像素單元的調制特性存在一定離散性，當采用電壓驅動陰極時，就會出現兩個問題：一是電壓相同時會產生大小不同的電流，這將會導致亮度的不均勻;二是由于像素點間I/V特性曲線的非線性存在差異性，故不能簡單地通過固定的非線性校正來改善其性能，因此，很難通過控制電壓來完成亮度控制^[16-17]。為了解決這一問題，本文提出了陰極電流源控制方法，即通過對在陰極添加電流源，強迫陰極的發射電流跟隨恒流源變化。在電流模式下，能夠很好地解決這個問題。電流驅動的原理是在陰極的驅動電路中采用恒流源電流驅動模式，恒流源輸出電流I_o決定了像素電流的上限，保證了各像素的發射電流大小一樣，故可實現顯示屏亮度的均勻一致。通過調制恒流源的導通時間來實現對灰度級的調制，其原理和電壓PMW類似，由于工藝上很難實現CNT陰極的均勻制備，因此電流驅動是保證均勻顯示的理想方式。恒流源輸出電流I_o具體值要根據CNT陰極材料的特性來決定，要能保證I_o在PWM調制下，最大占空比輸出電流時，顯示屏的最大亮度達到要求。

2 CNT-FED驅動電路設計

2.1 高穩定電流源電路原理

　　基本電流源輸出電流I_o依賴于參考電流大小，參考電流的大小依賴于輸入電壓V_CC，因此V_CC的穩定性決定了恒流源輸出電流I_o的穩定性;如果采用高輸出電阻電流源，其輸出電阻數量級可達到兆歐級，輸出電阻越高，作為有源負載的電壓增益就越大。因此，基本電流源電路不適合用作穩定性要求很高的FED陰極恒流源。為此，我們采用了一種高穩定性電流源電路，如圖2所示。

　　圖2中穩壓管的穩壓值為V_Z，則電流源的輸出： ,此時，I_o與電源電壓無關。T1的作用是用來穩定 V_z ， 。

　　假設某原因導致V_Z升高 ，則Vgs下降，I_b 隨之下降，I_DZ隨之下降 ，最后V_z隨之下降;反之， V_z下降，Vgs升高，I_b隨之升高 ，I_DZ隨之升高，最后V_z升高。這種電路相當于引入了一個負反饋以此來穩定V_z。可見，圖2恒流源電路結構簡單，并且輸出電流很穩定，與輸入電壓基本沒有關系，適合用作FED平板顯示器的陰極恒流源。

2.2 分立元件的CNT-FED驅動電路設計

　　分立元件電流源驅動電路原理如圖3所示(只畫出一個像素)，該電路元器件選取時需要滿足輸出電流Io的要求，同時T1管要應具有良好的開關特性。