原创 有望替代液晶显示，等离子显示——CNT-FED显示驱动电路的设计研究

摘  要：目的 通过纳米碳管场致发射特性来研究CNT-FED型驱动电路的设计。方法 根据CNT-FED结构和特点设计了以51单片机为逻辑控制核心，以移位寄存器、锁存器、计数器和后级放大电路为辅助驱动电路，运用汇编语言对51单片机进行控制口的控制，实现汉字点阵的动态显示。结果 设计出了完整的驱动CNT-FED结构的驱动电路。 结论 为CNT-FED型平板显示器驱动电路的设计提供了一定的理论基础。  <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

关键词：纳米碳管；场致发射；平板显示器；驱动电路；点阵

1   引  言

场致发射显示器（Field Emission Display，FED）是平板显示器中极具发展潜力的新型显示器件。FED兼有阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）和液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）的优点，此外还有体积小、重量轻、电流密度高、能耗低、色彩饱和度好、响应快、视角宽、寿命长、耐高温及微辐射等优良特性，显示出极富潜力的应用前景，是未来有可能替代LCD和PDP的理想显示终端^[1]。FED可分为碳纳米管型（CNT）、表面传导型（SED）、圆锥发射体型（Spindt）和弹道电子放射型（BSD）等类型。由于纳米碳管具有发射电流密度大、功函数小、阈值电场低以及发射电流稳定性好等优点，可以作为电子冷阴极发射的理想材料，因此纳米碳管型场致发射显示器（CNT-FED）成为目前最为看好显示系统。

FED的原理和CRT的基本相同,都是由阴极发射电子经加速后轰击荧光粉的主动发光型显示。FED按其结构可分为二极管型和三极管型结构，二级管型是由两个靠的很近的阴阳极板构成，中间抽成真空，并用绝缘柱支撑。当所加电压足够大时，激发阴极向阳极发射电子，轰击荧光粉而发光。三极管型的CNT-FED主要是由纳米碳管冷阴极场发射阵列、控制栅极和荧光粉的阳极屏组成，其间抽成真空，并用绝缘柱支撑，其结构如图１所示。电子的场发射是通过阴极和栅极之间施加几百伏的电压激发纳米碳管发射电子，并在阳极电压加速后轰击到涂敷在阳极表面的荧光粉而发光^[1，2]。如图2所示为CVD法^[3，4]制备的纳米碳管。

2   驱动电路的设计研究

2.1 硬件设计

CNT-FED的驱动与LCD，PDP等一样, 采用通用的行列矩阵寻址驱动方式,当需要点亮某一像素时, 同时选中该点所在的行列电极并施加适当电压即可实现选通点亮。行驱动电路主要是产生扫描信号，可由74HC4514或74154等4-16线译码器和驱动输出电路组成。列驱动电路是整个驱动电路的关键部分，可由8位并入串出移位寄存器74HC165和具有数据存储器功能的8位串入并出的74HC595或者是74164组成^[6]。列显示数据由MCS-51或MCU输出给控制器，再由控制器传输给各列驱动电路^{[ 2，5]}。因为由本实验所得的CNT-FED发射电子的阈值电压约在300V左右，一般的数字电路输出不能满足要求，所以必须加上后级放大电路才行。

　　本实验是在以Altera的Quartus II 5.0基础上进行仿真的，依次致使行电极为低电平进行扫描。当第一行为低电平时，所有列电极根据需要输出高电平，使相应的点发光；然后第二行为低电平，相应的所有列电极根据需要输出高电平，致使相应点发光；接着是第三行，就这样循环，最后就会使整个显示屏显示，完成一个循环。接着，再进行相同的过程，最终就可以完整地显示所需要的不同画面。由于是动态扫描，所以扫描刷新频率必须高于人眼的临界频率，这样人眼才能够感觉不到闪烁^[6]。

2.2 软件设计

    本文采用汇编语言对单片机控制口进行控制操作，来实现对整个屏幕的行、列电极的扫描。

2.2.1 软件流程图

基本的软件流程图如图3所示，目的是依次显示“预祝博客大赛圆满成功”这10个汉字。一个汉字由32个16进制代码构成，每显示输出一个汉字后，调用延时子程序进行延时，直到256个代码依次从P0、P2端口输出，最终显示完毕。如图4所示，是所构成的16×16汉字点阵。

预：

00H,04H,7DH,0FEH,04H,20H,08H,44H

29H,0FEH,11H,04H,0FFH,24H,15H,24H

11H,24H,11H,24H,11H,24H,11H,24H

11H,24H,10H,58H,50H,84H,23H,02H

祝：

20H,08H,13H,0FCH,12H,08H,02H,08H

0FEH,08H,0AH,08H,12H,08H,3BH,0F8H

56H,0A8H,90H,0A0H,10H,0A0H,11H,20H

11H,22H,12H,22H,14H,1EH,18H,00H

博：

20H,50H,20H,48H,2FH,0FEH,20H,40H

27H,0FCH,0FCH,44H,27H,0FCH,24H,44H

27H,0FCH,24H,44H,20H,10H,2FH,0FEH

22H,10H,21H,10H,20H,50H,20H,20H

客：

02H,00H,01H,00H,7FH,0FEH,48H,02H

8FH,0F4H,08H,20H,14H,40H,23H,80H

0CH,60H,30H,1EH,0CFH,0E4H,08H,20H

08H,20H,08H,20H,0FH,0E0H,08H,20H

大：

01H,00H,01H,00H,01H,00H,01H,00H

01H,04H,0FFH,0FEH,01H,00H,02H,80H

02H,80H,02H,40H,04H,40H,04H,20H

08H,10H,10H,0EH,60H,04H,00H,00H

赛：

01H,00H,7FH,0FEH,44H,42H,9FH,0F4H

04H,40H,1FH,0F0H,04H,40H,7FH,0FCH

08H,20H,1FH,0F0H,28H,2EH,0C9H,24H

09H,20H,01H,00H,06H,0C0H,18H,30H

圆：

00H,04H,7FH,0FEH,40H,04H,4FH,0E4H

48H,24H,4FH,0E4H,40H,04H,5FH,0F4H

50H,14H,51H,14H,51H,14H,52H,94H

44H,44H,48H,24H,7FH,0FCH,40H,04H

满：

41H,20H,31H,24H,1FH,0FEH,01H,20H

80H,08H,6FH,0FCH,21H,20H,01H,24H

1FH,0FEH,29H,24H,0E9H,24H,2AH,0D4H

2CH,0CH,28H,04H,28H,14H,28H,08H

成：

00H,80H,00H,0A0H,00H,90H,3FH,0FCH

20H,80H,20H,80H,20H,84H,3EH,44H

22H,48H,22H,48H,22H,30H,2AH,20H

24H,62H,40H,92H,81H,0AH,00H,06H

功：

00H,80H,00H,80H,08H,80H,0FCH,80H

10H,84H,17H,0FEH,10H,84H,10H,84H

10H,84H,10H,84H,1DH,04H,0F1H,04H

41H,04H,02H,44H,04H,28H,08H,10H

2.3 完整的驱动电路

图5为完整的驱动电路框图，由图可知，主要包括MCS-51单片机或MCU控制器、逻辑控制器、存储器、行列驱动电路、后级功率放大电路和电源电路。MCS-51单片机或MCU控制器和控制器主要是控制行列信号逻辑；行列驱动电路负责行列信号的产生与输出；后级功率放大电路主要负责满足高电压驱动的要求。因为一般的FED阴阳极电压较高，对于二极管型一般在几百上千伏，而三极管型也需要几百伏的电压，故后级功率放大电路也非常重要；电源模块主要是给各个部分提供适当的电压，因为开关电源发热小、体积小、效率高等优点，通常选用开关电源电路。经这几部分相互协调、相互作用，最终即可完整的驱动CNT-FED显示。

3   结束语

平板显示器一般由显示屏和驱动电路组成，驱动电路的设计在很大程度上依赖于显示屏的显示单元结构、显示电极引出方式及驱动方法和驱动波形的选择等，因而好的驱动电路设计对平板显示器是十分重要的。本文在以纳米碳管场发射研究的基础上，根据CNT-FED结构和特点设计了以51单片机为逻辑控制核心，以移位寄存器、锁存器、计数器和后级放大电路为辅助驱动电路，运用汇编语言对51单片机进行控制口的控制，实现汉字点阵的动态显示，为平板显示器驱动电路的设计奠定了一定的理论基础。CNT-FED作为目前研究的热点显示系统，能否高质量的驱动显示也成为未来几年的研究方向之一。

参考文献

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[2]邓记才，张兵临，姚宁. 场致发射平板显示器常用驱动电路分析[J].电视技术，2005（12）：15~18.

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[4]朱春晖，李俊涛，张晓兵，等. 纳米碳管场致发射冷阴极的研究[J]. 电子器件,2004,27（1）：57~59.

[5]S.Z. Deng, Z.S. Wu, N.S. Xu, et al. Characterization of a high voltage flat panel display unit using nanotube-based emitters. Ultramicroscopy 89 (2001) 105~109.

[6]李震梅，董传岱. 无源有机电致发光显示驱动电路的研究[J]. 电视技术，2005（2）：39~43.

[7]戴丽娟，碳纳米管场发射显示器件驱动电路的研究[D]，硕士论文，2006年5月

The Study of  CNT-FED Driving Circuit

Abstract: Aim To study the driving circuits of CNT-FED through carbon nanotube field emission characteristic. Methods According to CNT-FED structures and features, it designs the logic control center based 51 singlechip and the auxiliary driving circuits based shift registers, latches, counters and back-amplifying circuits. Using assembly language to 51 singlechip controls interfaces to realize the dynamic display of the Chinese matrix. Results A complete driving circuit for CNT-FED structure has already designed. Conclusion It has provided a theoretical basis for the driving circuit design of CNT-FED-flat panel display.

Keywords: carbon nanotube; field emission; flat panel display; driving circuit; matrix