應(yīng)用LCD驅(qū)動芯片實現(xiàn)OLED驅(qū)動電路設(shè)計

金 薇，吳振英

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

有機發(fā)光顯示器(OLED)具有對比度高、亮度高、能耗低、視角寬、響應(yīng)快、工藝簡單、小薄輕、全彩堅固等優(yōu)點，是當今平板顯示領(lǐng)域研究的熱點。OLED在手機、掌上PDA、數(shù)碼產(chǎn)品、車載設(shè)備、電視以及軍事儀器儀表等方面的高質(zhì)量顯示中應(yīng)用前景廣泛。

OLED通過包含R，G，B三基色的OLED亞像素組成基本彩色像素單元。OLED顯示器的驅(qū)動方式分為無源驅(qū)動(Passive Matrix，PM)和有源驅(qū)動(Active Matrix，AM)。PM－OLED結(jié)構(gòu)簡、成本小、價格低主要用于低質(zhì)要求的簡單信息顯示。AM－OLED適用于信息含量大、分辨率高的全彩色高品質(zhì)畫面顯示設(shè)備。AM－OLED顯示屏應(yīng)用多晶硅薄膜晶體管(p－Si TFT)將外圍驅(qū)動電路集成在其周邊，使每一個像素都保持選通并由TFT驅(qū)動點亮，又稱 TFT－OLED［1］。

雖然TFT－OLED顯示技術(shù)在相關(guān)器件的穩(wěn)定性和可靠性方面取得了一些成績，但其配套驅(qū)動電路的開發(fā)還相對較少，市場的專用驅(qū)動芯片品牌稀少，品種單一，價格昂貴。因此如何基于現(xiàn)有較為成熟完善的TFT－LCD驅(qū)動芯片進行改進設(shè)計，并將其運用于TFT－OLED的驅(qū)動現(xiàn)實中具有重要的現(xiàn)實意義。

本文設(shè)計了基于FPGA和TFT－LCD芯片的外圍驅(qū)動電路，實現(xiàn)了AM－OLED的64×3×80顯示屏的彩色圖像顯示。

1 AM－LCD驅(qū)動原理

LCD的工作機理是:LCD加載外電場時，液晶分子方向布局的改變引起通透光透過率的變化，其外部表現(xiàn)為顯示屏的亮度變化。圖1是AM－LCD像素驅(qū)動電路原理。掃描線端口輸入高電平啟動開關(guān)管T，與此同時，數(shù)據(jù)線端口同步輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)電壓信號，驅(qū)動點亮像素并向電容C充電。當掃描線端口換接低電壓時T截止，像素靠電容C放電維持透光［2］。TFT－LCD矩陣采用逐行掃描方式工作。

圖1 AM－LCD像素驅(qū)動原理圖

2 AM－OLED驅(qū)動原理

圖2所示為AM－OLED像素驅(qū)動原理圖。與圖1相比，圖2中多了一個晶體管T2，掃描線端口輸入高電平啟動開關(guān)管T1，與此同時，數(shù)據(jù)線端口同步輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)電壓信號，一方面向電容C充電，另一方面控制流過T2的電流的大小。當掃描線端口換接低電壓、T1截止時，由電容C為T2管提供柵極電壓，通過控制T2的漏極電流，可以維持像素發(fā)光并調(diào)節(jié)亮度［1］。

圖2 AM－OLED像素驅(qū)動原理

R，G，B三基色OLED像素需要進行白平衡亮度調(diào)節(jié)來實現(xiàn)彩色顯示［3］。表1中是白平衡時實測的3種顏色OLED的工作范圍和驅(qū)動電路數(shù)據(jù)線的輸入電壓范圍。

表1 白平衡時OLED工作范圍與驅(qū)動電壓范圍

OLED被施加外電壓負荷時，從“+”“－”極進入的電子與空穴相遇并激發(fā)發(fā)光分子，經(jīng)輻射弛豫發(fā)出可見光。圖3為OLED的R像素的V－L(電壓－亮度)和V－J(電壓－電流密度)關(guān)系曲線，從中可以看出，OLED中LV不呈線性比例，因此在圖像數(shù)據(jù)編碼時不能通過調(diào)節(jié)電壓來改變其發(fā)光亮度。但是OLED作為一種電流型半導(dǎo)體發(fā)光器件，它隨電流變化較為穩(wěn)定，L－J大致成正比例關(guān)系。通過控制流過OLED的電流可以改變OLED像素的亮度，從而實現(xiàn)彩色AM－OLED顯示［4］。

圖3 OLED的R像素的V－L和V－J關(guān)系曲線

3 OLED驅(qū)動電路設(shè)計

3.1 顯示屏驅(qū)動原理

AM－OLED顯示屏顯示方式為逐行掃描，通過把行、列掃描驅(qū)動電路集成到AM－OLED顯示屏周邊，達到精簡結(jié)構(gòu)、減少引線的目的。AM－OLED顯示屏原理如圖4所示。驅(qū)動電路在行、列掃描有效時為各個像素提供相應(yīng)的驅(qū)動電壓，即產(chǎn)生行、列驅(qū)動移位脈沖和移位起始脈沖［5］。

圖4 AM－OLED顯示屏原理圖

3.2 驅(qū)動芯片選擇［2］

用LCD驅(qū)動芯片實現(xiàn)OLED的驅(qū)動，必須滿足以下要求:LCD顯示屏和OLED顯示屏的驅(qū)動原理相似;LCD驅(qū)動芯片的驅(qū)動能力符合OLED顯示屏對驅(qū)動電路的要求。圖1和圖2表明LCD和OLED顯示屏都是有源矩陣結(jié)構(gòu)，采用逐行掃描的動態(tài)驅(qū)動，驅(qū)動原理類似。LCD的驅(qū)動芯片常用的是SUMSUNG公司開發(fā)的行驅(qū)動芯片S6C0655和列驅(qū)動芯片S6C0671，這兩種芯片的相關(guān)參數(shù)均能滿足OLED顯示屏對驅(qū)動電路的要求。

3.2.1 列驅(qū)動芯片S6C0671

圖5是列驅(qū)動芯片S6C0671的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)。該芯片主要由64 bit移位寄存器、數(shù)據(jù)控制器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)鎖存器、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)輸出緩沖器組成。

Y001－Y384為輸出驅(qū)動端口，每個管腳輸出64級灰度。每個彩色像素由3個R、G、B子像素組成，每個子像素由一個管腳單獨控制，每個像素有256級灰度，這樣，可顯示16777 216種顏色;SHL控制數(shù)據(jù)位移方向，當其為高電平時，DIO1為初始脈沖輸入端，DIO2為初始脈沖輸出端，輸入數(shù)據(jù)方向由Y001向Y384。當其為低電平時則相反;POL是極性輸入端口，當其為低電平時，所有奇數(shù)列輸出電壓范圍是VGMA1～VGMA9，所有偶數(shù)列輸出電壓范圍是VGMA10～VGMA18，當其為高電平時，奇偶數(shù)列情況顛倒;CLK1脈沖用于鎖存數(shù)據(jù);CLK2脈沖用于將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)存儲器中;VDD1用于邏輯電壓的輸入;VDD2用于驅(qū)動電壓的輸入。

圖5 S6C0671芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

3.2.2 行驅(qū)動芯片S6C0655

S6C0655是SUMSUNG公司開發(fā)的TFT液晶顯示器行驅(qū)動芯片，內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖6所示。該芯片由128 bit移位寄存器、輸出端狀態(tài)控制器、輸出緩沖器組成。

圖6 S6C0655芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

S6C0655有2種輸出模式，當120/128端為低電平時，芯片為128路輸出模式;當120/128口為高電平時，芯片為120路輸出模式(其中G061～G68空置)。U/D是移位方向控制端，當端口為高電平時，移位方向是:初始脈沖→DI/O→G001→G002→…→G127→G128→DO/I;當端口為低電平時則相反。CPV是移位時鐘輸入端，移位寄存器由CPV上升沿觸發(fā)。

3.3 驅(qū)動電路設(shè)計

OLED驅(qū)動電路的基本原理是:當行選通信號處于使能狀態(tài)期間，列驅(qū)動芯片S6C0671中的數(shù)據(jù)線塊依次呈選通狀態(tài)，在此期間外部不同的電壓水平數(shù)據(jù)輪番施加在各個OLED像素電路上，從而導(dǎo)致流過OLED的電流也呈現(xiàn)波動狀態(tài)，最終實現(xiàn)顯示屏亮度顯示差異。

基于以上論述，選用 FPGA控制器、驅(qū)動芯片S6C0671和S6C0655、外圍電路(由譯碼器、鎖存器等組成)構(gòu)成AM－OLED驅(qū)動電路，其原理圖如圖7所示［6］。

圖7 AM－OLED驅(qū)動電路原理圖

圖8 FPGA工作流程圖

在圖7驅(qū)動電路原理圖中，F(xiàn)PGA控制器是電路的核心，提供E2PROM，外圍電路，S6C0655和S6C0671所需的控制信號，并完成數(shù)據(jù)的傳輸，工作流程如圖8所示。電路工作時，F(xiàn)PGA從E2PROM中讀取X字節(jié)數(shù)據(jù)經(jīng)外圍電路傳給S6C0671，S6C0671芯片將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)寄存器中，F(xiàn)PGA控制S6C0655發(fā)出行掃描信號和Block信號，并給S6C0671輸人CLK1，CLK1上升前沿到來，數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)被鎖存并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后經(jīng)輸出緩沖器傳輸給顯示屏，即完成了一幀的顯示，這個過程周而復(fù)始即形成了連續(xù)的顯示畫面［7］。

4 結(jié)語

本文基于OLED的應(yīng)用情況，對AM－LCD和AMOLED的驅(qū)動原理進行了深入的闡述，并結(jié)合理論進行了基于TFT－LCD芯片的AM－OLED驅(qū)動電路設(shè)計。本文對基于現(xiàn)有成熟完善的TFT－LCD驅(qū)動芯片進行改進應(yīng)用于TFT－OLED的電路驅(qū)動設(shè)計方面具有一定的參考價值。

通過本文的分析研究，TFT－LCD驅(qū)動芯片經(jīng)以少許改動后可以方便的應(yīng)用于AM－OLED顯示屏的驅(qū)動電路中。實際應(yīng)用中還有許多方法可以實現(xiàn)此類設(shè)計目的，本文中的闡述僅是這方面應(yīng)用的一個簡單舉例，希望能夠起到拋磚引玉的作用。

［1］李震梅，董傳岱.AM－OLED像素驅(qū)動電路的研究［J］.電視技術(shù)，2004，28(12):49－54.

［2］程加力，司玉娟，李春星，等.用液晶驅(qū)動芯片驅(qū)動有機發(fā)光顯示屏的設(shè)計［J］.發(fā)光學(xué)報，2004，25(5):597－601.

［3］才華，司玉娟，郎六琪，等.彩色有源OLED顯示屏上像素仿真及外圍驅(qū)動電路設(shè)計［J］.發(fā)光學(xué)報，2006，27(4):618－623.

［4］鄭方，陳章進.高灰度級彩色OLED驅(qū)動電路的研究［J］.電視技術(shù)，2006，30(8):47－50.

［5］朱艷菊，唐寧，駱揚.AMOLED屏上驅(qū)動電路的設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2011，35(7):66－67.

［6］程加力.有機發(fā)光顯示屏驅(qū)動電路的設(shè)計［D］.吉林:吉林大學(xué)，2004.

［7］張輝，李黎國，趙志超.基于FPGA的OLED真彩色顯示的實現(xiàn)［J］.電子科技，2012，25(5):4－7.