OLED像素驅(qū)動電路的實驗研究

魏 芬，劉銀春

(1.福建農(nóng)林大學金山學院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學機電工程學院，福建 福州 350002)

引言

OLED(Organic Light Emitting Diode)又稱為有機電致發(fā)光顯示器(Organic Electroluminescence Display)，它是用有機半導體發(fā)光材料在電驅(qū)動下產(chǎn)生的發(fā)光來實現(xiàn)顯示和照明的技術，被美國政府列為21世紀最具產(chǎn)業(yè)化前景的25項高科技之一[1]。與液晶顯示器(LCD)相比，它具有全固態(tài)、主動發(fā)光、高亮度、高對比度、超薄、低成本、低功耗、快速響應、寬視角、工作溫度范圍寬、易做柔性顯示等諸多優(yōu)點，被認為是最具發(fā)展前景的新型顯示技術之一[2-3]。隨著OLED光效的提高，以及白光OLED工藝的發(fā)展，OLED出現(xiàn)了應用于照明的趨勢。與傳統(tǒng)的LED點光源相比，它具有發(fā)光均勻、色彩鮮艷、發(fā)光材料豐富、無散熱問題等特點，有望成為未來照明的新主流[4，5]。OLED是一種電流型的有機發(fā)光器件，是通過載流子的注入和復合而發(fā)光的現(xiàn)象，發(fā)光強度與注入的電流成正比[6]。因此無論OLED是用于平板顯示還是照明，驅(qū)動發(fā)光中都會出現(xiàn)一些類似的特點，如電流大小不一致造成的溫度不均勻、亮度不均勻和顏色不均勻等問題[7]。

本文針對OLED在平板顯示中驅(qū)動亮度的不均勻性問題，對傳統(tǒng)兩管驅(qū)動的源極跟隨型和恒定電流型電路及其改進的四管電流編程型驅(qū)動電路進行實驗研究，希望在提高OLED顯示質(zhì)量的同時，也為OLED照明技術的開發(fā)提供參考。

1 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動電路的設計

1.1 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動電路的工作原理

有源驅(qū)動顯示技術已經(jīng)成為當前平板顯示技術的主流，OLED有源驅(qū)動技術與LCD有源驅(qū)動相似，不同的是LCD為電壓型器件，OLED為電流型器件。這就要求OLED像素驅(qū)動電路中至少要有兩個MOS管：一個作為開關管，另一個作為驅(qū)動管，OLED可放在驅(qū)動管的源極和漏極，分別稱為源極跟隨型和恒定電流型，這就是最簡單的傳統(tǒng)兩管驅(qū)動方案，如圖1所示。其中M1是開關管，M2是驅(qū)動管，這里的MOS管與TFT管的工作原理相似，但是MOS的制作工藝較TFT簡單，物理特性也更穩(wěn)定；CS是存儲電容，保證像素在整個幀周期內(nèi)一直處于點亮狀態(tài)；Vscan是行掃描線上的掃描電壓，Vdata是列數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)電壓。其工作原理是：當Vscan是高電平時，M1管導通，此時數(shù)據(jù)電壓Vdata通過M1管給存儲電容CS充電，當CS兩端電壓大于M2管閾值電壓時，M2管導通，OLED 發(fā)光；當Vscan是低電平時，M1管關斷，這時存儲電容CS上的電壓維持M2管的柵極電壓恒定，驅(qū)動M2管輸出恒定的電流，從而使OLED像素在整個幀周期內(nèi)一直發(fā)光。

圖1 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動電路Fig.1 Traditional two-MOS driving circuits(a) Source follower configuration；(b) Constant current configuration

根據(jù)MOS的I-V特性，當M2管工作在飽和區(qū)時，其工作電流，即流過OLED的電流IOLED由柵源電壓VGS2決定。對于源極跟隨型電路，M2管的柵源電壓VGS2約為Vdata-VOLED，其中VOLED為OLED導通時本身存在的壓降，而恒定電流型柵源電壓VGS2約為Vdata。

1.2 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動電路的實驗設計

為了精確地研究源極跟隨型和恒定電流型兩種電路的區(qū)別，在設計的實驗電路中需排除元件的參數(shù)差異所引起的誤差，換句話說要設計出一個集兩種電路為一體，共用元件的電路，如圖2所示。設計的電路中增加了三個單刀雙擲開關S1、S2和S3，其他的元件都是共用，當三個開關都閉合于1時為源極跟隨型電路，當三個開關都閉合于3時為恒定電流型電路。

圖2 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動的實驗電路原理圖Fig.2 SCH of traditional two-MOS driving circuit

圖3 源極跟隨型(S型)和恒定電流型(D型)的工作電流曲線圖Fig.3 IOLED of source follower configuration (S configuration) and constant current configuration (D configuration)

1.3 測試結(jié)果

圖3是兩種傳統(tǒng)兩管驅(qū)動電路的實驗測試結(jié)果，從圖中可以看出：在實現(xiàn)流經(jīng)OLED像素的電流IOLED相同的情況下，源極跟隨型所需的數(shù)據(jù)電壓Vdata遠大于恒定電流型。比如，要使IOLED都為0.47mA，源極跟隨型所需Vdata是4.9V，而恒定電流型是3.3V，具體見表1和表2。這差值就是VOLED，因此從功耗角度看，恒定電流型電路更節(jié)能。不過源極跟隨型電路更主要的問題是VOLED存在分散性，而且在長時間工作下會發(fā)生漂移，這都會引起VGS2的輕微變化，使M2管的工作電流產(chǎn)生漂移從而引起整個屏幕顯示亮度的不均勻和灰度的不準確[8]，恒定電流型電路則不會有類似的問題。

表1 源極跟隨型電路的工作電流數(shù)據(jù)Table 1 IOLED of source follower driver

表2 恒定電流型電路的工作電流數(shù)據(jù)Table 2 IOLED of constant current driver

綜上所述，恒定電流型電路優(yōu)于源極跟隨型電路，因此在后續(xù)的改進電路中采取恒定電流型接法，即OLED放在驅(qū)動管的漏極。

2 四管電流編程型驅(qū)動電路的實驗設計

2.1 四管電流編程型驅(qū)動電路的工作原理

恒定電流型電路雖然能夠解決OLED本身的閾值分散性和閾值漂移所引起的亮度不均勻問題，但無法克服驅(qū)動管M2閾值電壓漂移所造成的顯示屏亮度不一致的缺點，并且其閾值電壓依賴于溫度的變化[9-10]，另外，從圖3中我們也可以看到，IOLED與Vdata不成線性關系，而且是很陡的I-V特性：Vdata很小的變化將引起IOLED很大的變化，這樣不利于灰度的準確調(diào)節(jié)，這些因素都將影響顯示效果[11]。因此，一些研究人員提出了多種補償方案[12-14], 目前獲得廣泛應用的是以電流鏡為基礎的電流編程型像素驅(qū)動電路[15]，每個像素配有4個MOS管，如圖4所示。Vscan是行掃描線上的掃描電壓，Idata是列數(shù)據(jù)線上的電流數(shù)據(jù)；M1、M2是P型MOS管，作為開關管；M3、M4是參數(shù)相同的N型MOS管，構成電流鏡的基礎，完成電流跟隨的功能；存儲電容CS接在驅(qū)動管M3、M4柵極和地之間，保證OLED 像素在整個幀周期內(nèi)一直發(fā)光，OLED放在驅(qū)動管M4的漏極。其電路的工作原理：Vscan是低電平時，此像素被選中，M1、M2導通，Idata通過M1、M2管對電容CS充電。當電容CS兩端電壓大于M3閾值電壓時，Idata都通過M3，由于M3、M4管的柵極電壓相等，M3的電流數(shù)據(jù)Idata被鏡像到M4的工作電流，即IOLED等于Idata。當此像素未被選中時，由電容CS兩端所存儲的電壓維持M4管的柵極電壓，驅(qū)動其輸出恒定的電流來驅(qū)動OLED。

圖4 四管電流編程型驅(qū)動電路的原理圖Fig.4 SCH of four-MOS current-programmed driving circuit

相對于傳統(tǒng)兩管電路，四管電流編程型電路有兩大特點：一是用電流數(shù)據(jù)信號Idata替換電壓數(shù)據(jù)信號Vdata；二是電流鏡的設計。其主要思想是：讓Idata為驅(qū)動管M3、M4的柵極充電使兩管導通而發(fā)揮電流鏡的作用，同時也讓電流Idata全部流進M3漏極，由于鏡像作用，驅(qū)動管M4的工作電流IOLED都等于Idata，實現(xiàn)跟隨功能。因為OLED是電流驅(qū)動型器件，驅(qū)動電流相同，則發(fā)光亮度也相同，從而不僅克服了驅(qū)動管閾值電壓不均勻和閾值電壓漂移而引起的顯示器亮度不均勻的問題，而且因為直接輸入的是電流數(shù)據(jù)信號，容易實現(xiàn)顯示灰度的準確調(diào)節(jié)。

圖5 四管電流編程型驅(qū)動電路的工作電流曲線圖Fig.5 IOLED of four-MOS current-programmed driving circuit

2.2 測試結(jié)果

圖5是四管電流編程型驅(qū)動電路的傳輸特性，從圖中可以看出：在選通期間，IOLED與電路中驅(qū)動管和OLED的參數(shù)無關，僅與輸入Idata相關，表現(xiàn)出很好的跟隨能力，實驗測試數(shù)據(jù)見表3。由此表明：該四管電流編程型驅(qū)動電路基本上比較圓滿地解決了各像素的閾值問題[16]。

表3 四管電流編程型驅(qū)動電路的工作電流數(shù)據(jù)Table 3 IOLED of four-MOS current-programmed driving circuit

3 結(jié)果討論與分析

針對OLED有源驅(qū)動中顯示亮度的不均勻性問題，進行電路設計和測試分析，并設計制作了具體的實驗裝置。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：恒定電流型電路更穩(wěn)定更節(jié)能；四管電流編程型驅(qū)動電路能夠較好地補償因驅(qū)動管閾值漂移和OLED閾值分散性和閾值漂移導致的發(fā)光亮度非均勻性，并且能容易地實現(xiàn)顯示灰度的準確調(diào)節(jié)，這將為OLED照明系統(tǒng)中燈光的準確調(diào)節(jié)提供了技術參考，特別是在植物特征光譜試驗儀的光源設計中得到具體的應用，以滿足實驗對光強連續(xù)性調(diào)節(jié)的需要。這種四管電流編程型驅(qū)動電路的缺陷在于對驅(qū)動管的工藝要求很高，必須要M3和M4管的各項參數(shù)一致，這在實際生產(chǎn)中有一定的難度；同時在低亮度顯示時，充電時間長，會出現(xiàn)信號滯后問題，這將在下一步的工作中繼續(xù)進行研究。

[1] 陳大華, 陳枕流, 居家奇, 等. 從LS 13會議探討我國照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢[J]. 中國照明電器, 2013, 5:10-14.

[2] 王少偉, 朱艷華, 陳敏澤, 等. OLED顯示控制與驅(qū)動技術專利申請狀況分析[J]. 統(tǒng)計分析, 2013, 7:53-56.

[3] 劉銀春. 平板顯示技術基礎[M]. 杭州:浙江大學出版社, 2013:271.

[4] 張敏. 照明用OLED技術進展[J]. 光電子技術. 2013, 33(1):64-67.

[5] 劉 剛, 方旭東, 卞成芬, 等. 基于專利視角的我國OLED照明技術發(fā)展態(tài)勢分析[J]. 照明工程學報, 2013, 24(4):8-13.

[6] 劉艷艷, 耿衛(wèi)東, 代永平, 等. 硅基OLED像素及驅(qū)動電路研究[J]. 光電子技術, 2009, 29(3):201-205.

[7] 施宇飛, 楊潔翔, 朱文清, 等. OLED照明模組的光電衰減特性研究[J]. 照明工程學報， 2012, 23(6):107-110.

[8] J H Lee, J H Kim, M K Han. A new a-Si:H TFT pixel circuit compensating the threshold voltage shift of a-Si:H TFT and OLED for active matrix OLED[J]. IEEE Electron Device Letters, 2005, 26(12):897-899.

[9] G R Chaji, C Ng, A Nathan, et a1. Electrical compensation of OLED luminance degradation[J].IEEE Electron Device Letters, 2007, 28(2):1108-1110.

[10] C L Lin，Y C Chen.A novel LTPS-TFT pixel circuit compensating for TFT threshold-voltage shift and OLED degradation for AMOLED[J].IEEE Electron Device Letters, 2007, 28(2):129-131.

[11] 張彤, 郭小軍, 趙毅, 等. a-Si TFT OLED 有源驅(qū)動陣列參數(shù)的優(yōu)化與布圖設計[J]. 液晶與顯示, 2003, 18(5):332-337.

[12] W J Wu, L Zhou, R H Yao, et al. A new voltage-programmed pixel circuit for enhancing the uniformity of AMOLED displays[J]. IEEE Electron Device Letters, 2011, 32(7):931-933.

[13] A Nathan, A Kumar, K Sakariya, et al. Amorphous silicon thin film transistor circuit integration for organic LED displays on glass and plastic[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2004, 39(9):1477-1486.

[14] Y He, R Hattori, J Kanicki. Improved a-Si:H TFT pixel electrode circuits for active-matrix organic light emitting displays[J]. IEEE Transactions on Electron Device, 2001, 48(7):1322-1325.

[15] 朱儒暉, 李宏建, 閆玲玲. TFT-OLED像素單元電路及驅(qū)動系統(tǒng)分析[J]. 中國集成電路，2005,11:70-76.

[16] 周雷, 張立榮, 宋小峰, 等. 新型有源矩陣有機發(fā)光顯示電流編程像素電路[J]. 液晶與顯示, 2013, 28(3):386-391.