一種新型的電壓型AMOLED像素補(bǔ)償電路

嚴(yán)利民，郭麗媛，龍?jiān)乞v

(上海大學(xué)微電子研究與開(kāi)發(fā)中心，上海200072)

一種新型的電壓型AMOLED像素補(bǔ)償電路

嚴(yán)利民，郭麗媛，龍?jiān)乞v

(上海大學(xué)微電子研究與開(kāi)發(fā)中心，上海200072)

針對(duì)常用3T1C結(jié)構(gòu)的AMOLED像素補(bǔ)償電路容易受到閾值電壓漂移影響的問(wèn)題，介紹了一種新型電壓型4T2C結(jié)構(gòu)的AMOLED像素補(bǔ)償電路，闡明了該電路的工作原理，并對(duì)OLED的驅(qū)動(dòng)電流作了定性分析。結(jié)果顯示該驅(qū)動(dòng)電流值只與驅(qū)動(dòng)電壓及電源電壓有關(guān)，從而有效地解決了因閾值電壓變化而造成的顯示器亮度不均勻的問(wèn)題。該電路已通過(guò)Spectre仿真軟件驗(yàn)證了其有效性。

有機(jī)發(fā)光二極管;有源矩陣;像素補(bǔ)償

有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light Emitting Diode，OLED)作為一種新型顯示技術(shù)，具有自發(fā)光、全彩色顯示、高亮度、高對(duì)比度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為顯示界的新寵。而有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管(Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED)相比較于無(wú)源矩陣驅(qū)動(dòng)顯示器(Passive Matrix Organic Light Emitting Diode，PMOLED)，更易實(shí)現(xiàn)高分辨率和大尺寸面板顯示，在近幾年更是倍受關(guān)注［1］。與液晶顯示不同，OLED的亮度與通過(guò)每個(gè)像素的驅(qū)動(dòng)電流有直接關(guān)系，因此其像素驅(qū)動(dòng)電路必須在整幀周期內(nèi)為其提供持續(xù)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流［2］。

理想的AMOLED顯示像素驅(qū)動(dòng)電路大多采用2T1C結(jié)構(gòu)，即1個(gè)開(kāi)關(guān)TFT、1個(gè)驅(qū)動(dòng)TFT、1個(gè)存儲(chǔ)電容。這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、開(kāi)口率高的像素電路在一開(kāi)始得到了廣泛的好評(píng)和應(yīng)用，然而隨著AMOLED屏幕使用時(shí)間的增長(zhǎng)或制作工藝的不同，其缺點(diǎn)也相繼出現(xiàn)。研究表明，這種像素電路對(duì)TFT的閾值電壓Vth和溝道遷移率μ、OLED的啟動(dòng)電壓和量子效率以及供電電壓的瞬變過(guò)程等因素都很敏感［3］。為避免因上述因素而導(dǎo)致的亮度不均，各種像素補(bǔ)償技術(shù)相繼出現(xiàn)。

本文介紹了一種新型的4T2C結(jié)構(gòu)電壓型像素補(bǔ)償電路，能夠有效地改善顯示器亮度不均，該電路已通過(guò)仿真驗(yàn)證了其可行性。

1 理想的像素驅(qū)動(dòng)電路

理想的AMOLED顯示器的像素驅(qū)動(dòng)電路大多采用2T1C結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中T1為開(kāi)關(guān)TFT，T2為驅(qū)動(dòng)TFT，Cs為存儲(chǔ)電容。

圖1 理想的像素驅(qū)動(dòng)電路

其工作原理是:當(dāng)掃描線Vscan為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)TFT T1導(dǎo)通，外部電路送入電壓信號(hào)VDATA經(jīng)由T1存儲(chǔ)在電容Cs中，此電壓信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)TFT T2導(dǎo)通，流過(guò)T2的電流大小，也就決定了OLED的灰階;當(dāng)掃描線截止時(shí)，存儲(chǔ)于Cs中的電壓仍能保持T2處于導(dǎo)通的狀態(tài)，因此能在一個(gè)畫(huà)面時(shí)間內(nèi)維持OLED的固定電流。

根據(jù)圖1所示電路可以得出，流過(guò)OLED的飽和電流I的計(jì)算公式［3］為

式中:μ為載流子遷移率;COX為柵氧化層電容;W/L為驅(qū)動(dòng)管T2的溝道寬長(zhǎng)比;Vgs為T(mén)2的柵源電壓;Vth為T(mén)2的閾值電壓。

從式(1)可以看出，這種像素電路對(duì)TFT的閾值電壓Vth非常敏感，而這項(xiàng)因素很容易因?yàn)轱@示屏老化或制作工藝不同而發(fā)生漂移［4］。因此，為避免因上述因素而導(dǎo)致的亮度不均，像素補(bǔ)償技術(shù)便顯得尤為重要。

2 改進(jìn)的像素驅(qū)動(dòng)電路

具有補(bǔ)償功能的像素驅(qū)動(dòng)電路又被稱為像素補(bǔ)償電路。像素補(bǔ)償電路根據(jù)其驅(qū)動(dòng)方式的不同，可分為電流補(bǔ)償電路和電壓補(bǔ)償電路。電流補(bǔ)償是指像素電路以電流作為輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)方式，電壓補(bǔ)償是指像素電路以電壓作為輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)方式［5］。由于電壓補(bǔ)償電路成本低、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，故而得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹一個(gè)電壓補(bǔ)償電路。

2.1 常用的3T1C型像素補(bǔ)償電路

電壓型AMOLED像素補(bǔ)償電路發(fā)展至今，電路結(jié)構(gòu)既有簡(jiǎn)單的二管結(jié)構(gòu)(2T)，也有較為復(fù)雜的三管結(jié)構(gòu)到十管結(jié)構(gòu)(3T－10T)，并且依然在不斷改進(jìn)中。常用的像素補(bǔ)償電路有3T1C、3T2C、4T1C、4T2C等類型的電路。

圖2所示為一種常用的3T1C電壓型像素補(bǔ)償電路，該電路使用3個(gè)TFT和1個(gè)電容控制與驅(qū)動(dòng)OLED，并帶有像素補(bǔ)償功能。其中T2、T3為開(kāi)關(guān)TFT，T1為驅(qū)動(dòng)TFT，Cs為存儲(chǔ)電容。

圖2 3T1C電壓型像素補(bǔ)償電路

式中:W/L為驅(qū)動(dòng)管T1的溝道寬長(zhǎng)比;Vgs為驅(qū)動(dòng)管T1的柵源電壓;Vth為驅(qū)動(dòng)管T1的閾值電壓;ΔV為VDATA發(fā)生的變化量。

根據(jù)式(2)可以看出，流經(jīng)OLED的電流不受T1閾值電壓Vth的影響，從而有效地避免因閾值電壓漂移引起的亮度不均。

但是，該電路中數(shù)據(jù)線VDATA直接與存儲(chǔ)電容Cs相連，當(dāng)數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)多個(gè)像素點(diǎn)時(shí)，容易因驅(qū)動(dòng)力不足而影響器件開(kāi)關(guān)速度;且數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生的IR壓降，會(huì)導(dǎo)致A點(diǎn)電壓不穩(wěn)定，引起Cs充電不足進(jìn)而導(dǎo)致像素點(diǎn)之間灰度不均勻。

2.2 新型4T2C型像素補(bǔ)償電路

本文在分析了大量相關(guān)電壓型補(bǔ)償電路的基礎(chǔ)上，介紹了一種新型的電壓型補(bǔ)償電路，能夠有效地避免因閾值電壓漂移引起的亮度不均。

如圖3所示為一種新型4T2C結(jié)構(gòu)的電壓型像素補(bǔ)償電路及其輸入波形。其中，T1，T2和T3均為開(kāi)關(guān)TFT，T4為驅(qū)動(dòng)TFT，C1和C2為存儲(chǔ)電容。相較于3T1C型電路，該電路增加了VDATA與存儲(chǔ)電容C1之間的開(kāi)關(guān)晶體管T1，可以有效地避免因數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)力不足而引起的開(kāi)關(guān)過(guò)慢;且增加存儲(chǔ)電容C2，可以穩(wěn)定A點(diǎn)電壓，使C1可以充分充電。該像素補(bǔ)償電路的工作過(guò)程可劃分為4個(gè)階段。

圖3 新型4T2C電壓型像素補(bǔ)償電路及其時(shí)序圖

S1為初始化階段，此時(shí)Vscan，EN和GN信號(hào)均為低電平，T1，T2和T3均導(dǎo)通;數(shù)據(jù)電壓信號(hào)VDATA為高電平，數(shù)值等于VDD。VDATA通過(guò)T1傳輸至A點(diǎn)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電容C1和C2中，并對(duì)OLED的寄生電容進(jìn)行清除。

式中:W/L為驅(qū)動(dòng)管T4的溝道寬長(zhǎng)比;Vgs為驅(qū)動(dòng)管T4的柵源電壓;Vth為驅(qū)動(dòng)管T4的閾值電壓;V0為數(shù)據(jù)信號(hào)在第3階段的電壓值。

由式(3)可以看出，流經(jīng)OLED的驅(qū)動(dòng)電流不再是驅(qū)動(dòng)管T4的閾值電壓的函數(shù)，電容上存儲(chǔ)的電壓與驅(qū)動(dòng)管T4的閾值電壓進(jìn)行了抵消。因此，達(dá)到了補(bǔ)償閾值電壓漂移的目的。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證該電路的功能，本文使用Cadence公司的Spectre電路仿真軟件，采用Chart的0.35μm 18 V 2P4M工藝對(duì)該電路進(jìn)行了仿真。得到的輸出電流仿真波形圖如圖4所示。

其中，(A)、(B)、(C)、(D)4個(gè)波形分別對(duì)應(yīng)4個(gè)輸入信號(hào)VDATA，Vscan，GN和EN，其橫坐標(biāo)為時(shí)間(單位s)，縱坐標(biāo)為電壓值(單位V)。波形(E)為輸出電流的波形圖，其橫坐標(biāo)為時(shí)間(單位s)，縱坐標(biāo)為電流值(單位A)。

對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)所劃分的階段不同，輸出的電流信號(hào)也相應(yīng)地被分為4個(gè)階段，即S1(初始化階段)，S2(補(bǔ)償階段)，S3(寫(xiě)數(shù)據(jù)階段)，S4(顯示階段)。其中，S1階段的主要作用是對(duì)OLED的寄生電容進(jìn)行清除，由于此時(shí)開(kāi)關(guān)晶體管T3的導(dǎo)通，致使OLED上有一個(gè)較小的電流通過(guò)，由仿真可知，該電流的大小為0.4μA。根據(jù)紅、綠、藍(lán)3種OLED器件的發(fā)光特性可得到它們工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流值，其中驅(qū)動(dòng)電流最小的為綠光，其驅(qū)動(dòng)電流值為Igreen=0.447μA［6］。因此，S1階段的電流值不足以驅(qū)動(dòng)OLED，而S4階段即顯示階段的電流值為0.9μA，可驅(qū)動(dòng)OLED平穩(wěn)的發(fā)光。

圖4 輸出電流仿真結(jié)果(截圖)

4 結(jié)論

隨著AMOLED越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的像素驅(qū)動(dòng)電路已無(wú)法滿足產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的需求，因而像素補(bǔ)償電路的研究應(yīng)運(yùn)而生。本文在研究了像素補(bǔ)償電路原理的基礎(chǔ)上，介紹了一種新的電壓型像素補(bǔ)償電路，并對(duì)OLED的電流值進(jìn)行了定性分析，證明了該電流值只與驅(qū)動(dòng)電壓及電源電壓有關(guān)，從而有效地改善了因閾值電壓變化而造成的顯示器亮度不均勻，最后通過(guò)Spectre仿真軟件驗(yàn)證了其可行性。

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Novel Voltage AMOLED Com pensation Pixel Circuit

YAN Limin，GUO Liyuan，LONG Yunteng
(Microelectronic Research＆Development Center，Shanghai University，Shanghai200072，China)

The common AMOLED compensation pixel circuit based on 3T1C structure is easily influenced by the unsteady threshold voltage.In this paper，according to the problem，a novel voltage AMOLED compensation pixel circuitwhich based on 4T2C structure is introduced，the principle of operation of the circuit is clarified，and a qualitative analysis of the OLED drive current ismade.The results show that this drive current is only related to the drive voltage and the supply voltage，which can protect the display luminance from the unsteady threshold voltage.The circuit is verified through spectre simulation software.

OLED;activematrix;pixel compensation

TN949.199

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2014－01－14

【本文獻(xiàn)信息】嚴(yán)利民，郭麗媛，龍?jiān)乞v.一種新型的電壓型AMOLED像素補(bǔ)償電路［J］.電視技術(shù)，2014，38(13).

嚴(yán)利民(1971— )，副教授，從事平板顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究;

郭麗媛(1989— )，女，碩士生，研究方向?yàn)樾滦推桨屣@示技術(shù);

龍?jiān)乞v(1989— )，碩士生，研究方向?yàn)樾滦惋@示技術(shù)。