저온 Poly-Si TFT를 이용한 모바일 디스플레이용 저소비전력 레벨쉬프터 설계

Abstract

저온 poly-Si thin film transistors(LTPS-TFTs)를 이용한 시스템-온-패널(SoP)은 디스플레이 시스템의 주변회로를 유리 기판 위에 집적하여 생산 공정을 단순화 시킬 수 있고 가격 경쟁력을 갖출 수 있어 많은 각광을 받고 있다. 하지만 poly-Si TFT의 특징인 낮은 이동도와 높은 문턱 전압으로 인해 높은 공급 전압을 사용하고, 이로 인해서 단결정 실리콘을 사용하는 회로에 비해 더 많은 전력을 소비 한다. 레벨 쉬프터는 제어신호, 클락, 디지털 데이터 신호등의 낮은 전압 레벨의 신호를 유리기판 위에 집적된 높은 전압을 사용하는 패널 내부 회로에 전달하기 위해서 높은 전압 레벨의 신호로 변환하는 역할을 한다. 또한, 해상도가 증가할수록 레벨 쉬프터의 수는 급격히 증가하게 되고, 저소비전력과 빠른 동작 속도가 요구된다. 하지만, poly-Si TFT를 사용하여 회로를 설계할 경우, poly-Si TFT의 열악한 전기적 특성으로 인해서 출력전압이 바뀔 때 큰 단락 전류가 발생해서 전력 소모가 크다는 단점이 있다. 게다가 LTPS TFTs의 열악한 전기적 특성으로 인해서 정, 부 신호간의 skew가 회로 설계 시 고려되어야 할 또 하나의 문제점으로 대두 되고 있다. 레벨 쉬프터는 입력되는 정, 부 신호간의 skew가 존재해도 안정적인 동작을 하며, 출력 전압과 소비전력에 영향을 주지 않는 것이 필요한데, 입력 신호간의skew가 레벨 쉬프터의 동작에 미치는 영향을 최소화하여 정, 부 신호간의 skew 변화에도 안정적인 출력과 저소비전력 특성을 가지는 것이 중요하다. 따라서 본 논문에서는 입력 신호간의 skew가 레벨 쉬프터에 미치는 영향을 최소화하여 안정적인 출력 전압과 빠른 전달 지연 시간을 갖는 레벨 쉬프터를 제안하되, 한정된 배터리 전원 용량으로 장시간 사용이 가능한 휴대용 전자기기를 위한 저소비전력 레벨 쉬프터를 설계하고자 한다. 제안한 레벨 쉬프터 설계를 위해 일반적인 레벨 쉬프터의 동작 원리와 설계 방법을 먼저 언급하고, 이를 토대로 입력 신호의 skew 영향력이 작으며, 빠른 전달 지연 시간을 갖는 저소비전력 레벨 쉬프터에 대하여 다루기로 한다. 제안한 레벨 쉬프터는 종래의 cross-coupled 구조를 사용하는 대신 inverter 구조와 커패시터를 이용한 capacitive-coupled 구조이며, 단락 전류를 줄여, 빠른 전달 지연 시간과 저 소비전력을 구현하였다. 제안한 레벨 쉬프터는 10㎒의 입력 신호간의 skew가 20ns일 때, 전달 지연 시간은 7.8ns이며, 소비전력은 7.2㎼/㎒로 종래의 cross-coupled 구조의 레벨 쉬프터에 비해서 전달 지연 시간은 약40%, 소비전력은 약 12% 수준에 불과하다.; System-on-Panel(SoP) technology using Low-Temperature Polycrystalline Silicon Thin Film Transistors(LTPS TFTs) is getting lots of spotlights since it can provide the possibility of compact and low-cost display system by integrating the peripheral circuits of the display system on the glass substrate. But LTPS TFTs circuits require high supply voltages because of the low mobility and high threshold voltages, which causes more power consumption compared to single crystalline silicon circuits. The level shifter circuits convert low-voltage signals such as a control signal, clocks, digital data signal into high-voltage signals for LTPS TFTs circuits. The number of level shifter increases as the display resolution increases, and low power consumption and high-speed operation are highly desirable. But in case of level shifter circuit design using LTPS TFTs, high power can be consumed due to the short circuit current when the output voltage is changed because of its poor electrical characteristic. Especially, due to the poor electrical characteristic of LTPS TFTs, the skew between the input signals of IN and INb is another issue that has to be considered, because it can cause high power consumption, slow switching speed and even malfunction of the circuit. Thus, It is very important that to minimize the impact of skewed input signals on the operation of the level shifter for the stable output and low power consumption even which the skew of IN and INb signals. Therefore, we propose the level shifter that minimizes the impact of the skewed input signals on level shifter and gets short propagation delay time with low power consumption. The proposed level shifter uses a capacitive-coupled structure consisting of an inverter and capacitor instead of the conventional cross-coupled structure, which can decrease the short circuit current and reduce the propagation delay time and power consumption. The propagation delay is 7.8ns when there is a skew of 20ns between 10㎒'s input signals, the power consumption is 7.2㎼/㎒. There are only about 40% of the propagation delay time and about 12% of the power consumption of the conventional cross-coupled level shifter.