一種新型的電壓型AMOLED像素補償電路

嚴利民，郭麗媛，龍云騰

(上海大學微電子研究與開發(fā)中心，上海200072)

一種新型的電壓型AMOLED像素補償電路

嚴利民，郭麗媛，龍云騰

(上海大學微電子研究與開發(fā)中心，上海200072)

針對常用3T1C結(jié)構(gòu)的AMOLED像素補償電路容易受到閾值電壓漂移影響的問題，介紹了一種新型電壓型4T2C結(jié)構(gòu)的AMOLED像素補償電路，闡明了該電路的工作原理，并對OLED的驅(qū)動電流作了定性分析。結(jié)果顯示該驅(qū)動電流值只與驅(qū)動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題。該電路已通過Spectre仿真軟件驗證了其有效性。

有機發(fā)光二極管;有源矩陣;像素補償

有機發(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、高對比度、低功耗等優(yōu)點，已逐漸成為顯示界的新寵。而有源矩陣有機發(fā)光二極管(Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED)相比較于無源矩陣驅(qū)動顯示器(Passive Matrix Organic Light Emitting Diode，PMOLED)，更易實現(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的亮度與通過每個像素的驅(qū)動電流有直接關(guān)系，因此其像素驅(qū)動電路必須在整幀周期內(nèi)為其提供持續(xù)穩(wěn)定的驅(qū)動電流［2］。

理想的AMOLED顯示像素驅(qū)動電路大多采用2T1C結(jié)構(gòu)，即1個開關(guān)TFT、1個驅(qū)動TFT、1個存儲電容。這種設計簡單、開口率高的像素電路在一開始得到了廣泛的好評和應用，然而隨著AMOLED屏幕使用時間的增長或制作工藝的不同，其缺點也相繼出現(xiàn)。研究表明，這種像素電路對TFT的閾值電壓Vth和溝道遷移率μ、OLED的啟動電壓和量子效率以及供電電壓的瞬變過程等因素都很敏感［3］。為避免因上述因素而導致的亮度不均，各種像素補償技術(shù)相繼出現(xiàn)。

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

1 理想的像素驅(qū)動電路

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

圖1 理想的像素驅(qū)動電路

其工作原理是:當掃描線Vscan為高電平時，開關(guān)TFT T1導通，外部電路送入電壓信號VDATA經(jīng)由T1存儲在電容Cs中，此電壓信號控制驅(qū)動TFT T2導通，流過T2的電流大小，也就決定了OLED的灰階;當掃描線截止時，存儲于Cs中的電壓仍能保持T2處于導通的狀態(tài)，因此能在一個畫面時間內(nèi)維持OLED的固定電流。

根據(jù)圖1所示電路可以得出，流過OLED的飽和電流I的計算公式［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)動管T2的溝道寬長比;Vgs為T2的柵源電壓;Vth為T2的閾值電壓。

從式(1)可以看出，這種像素電路對TFT的閾值電壓Vth非常敏感，而這項因素很容易因為顯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致的亮度不均，像素補償技術(shù)便顯得尤為重要。

2 改進的像素驅(qū)動電路

具有補償功能的像素驅(qū)動電路又被稱為像素補償電路。像素補償電路根據(jù)其驅(qū)動方式的不同，可分為電流補償電路和電壓補償電路。電流補償是指像素電路以電流作為輸入信號的驅(qū)動方式，電壓補償是指像素電路以電壓作為輸入信號的驅(qū)動方式［5］。由于電壓補償電路成本低、競爭力強，故而得到了廣泛的應用。本文主要介紹一個電壓補償電路。

2.1 常用的3T1C型像素補償電路

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

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

圖2 3T1C電壓型像素補償電路

式中:W/L為驅(qū)動管T1的溝道寬長比;Vgs為驅(qū)動管T1的柵源電壓;Vth為驅(qū)動管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直接與存儲電容Cs相連，當數(shù)據(jù)線驅(qū)動多個像素點時，容易因驅(qū)動力不足而影響器件開關(guān)速度;且數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生的IR壓降，會導致A點電壓不穩(wěn)定，引起Cs充電不足進而導致像素點之間灰度不均勻。

2.2 新型4T2C型像素補償電路

本文在分析了大量相關(guān)電壓型補償電路的基礎上，介紹了一種新型的電壓型補償電路，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)的電壓型像素補償電路及其輸入波形。其中，T1，T2和T3均為開關(guān)TFT，T4為驅(qū)動TFT，C1和C2為存儲電容。相較于3T1C型電路，該電路增加了VDATA與存儲電容C1之間的開關(guān)晶體管T1，可以有效地避免因數(shù)據(jù)線驅(qū)動力不足而引起的開關(guān)過慢;且增加存儲電容C2，可以穩(wěn)定A點電壓，使C1可以充分充電。該像素補償電路的工作過程可劃分為4個階段。

圖3 新型4T2C電壓型像素補償電路及其時序圖

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

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

由式(3)可以看出，流經(jīng)OLED的驅(qū)動電流不再是驅(qū)動管T4的閾值電壓的函數(shù)，電容上存儲的電壓與驅(qū)動管T4的閾值電壓進行了抵消。因此，達到了補償閾值電壓漂移的目的。

3 仿真驗證

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

其中，(A)、(B)、(C)、(D)4個波形分別對應4個輸入信號VDATA，Vscan，GN和EN，其橫坐標為時間(單位s)，縱坐標為電壓值(單位V)。波形(E)為輸出電流的波形圖，其橫坐標為時間(單位s)，縱坐標為電流值(單位A)。

對應輸入信號所劃分的階段不同，輸出的電流信號也相應地被分為4個階段，即S1(初始化階段)，S2(補償階段)，S3(寫數(shù)據(jù)階段)，S4(顯示階段)。其中，S1階段的主要作用是對OLED的寄生電容進行清除，由于此時開關(guān)晶體管T3的導通，致使OLED上有一個較小的電流通過，由仿真可知，該電流的大小為0.4μA。根據(jù)紅、綠、藍3種OLED器件的發(fā)光特性可得到它們工作時的驅(qū)動電流值，其中驅(qū)動電流最小的為綠光，其驅(qū)動電流值為Igreen=0.447μA［6］。因此，S1階段的電流值不足以驅(qū)動OLED，而S4階段即顯示階段的電流值為0.9μA，可驅(qū)動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越來越廣泛的應用，傳統(tǒng)的像素驅(qū)動電路已無法滿足產(chǎn)品日益增長的需求，因而像素補償電路的研究應運而生。本文在研究了像素補償電路原理的基礎上，介紹了一種新的電壓型像素補償電路，并對OLED的電流值進行了定性分析，證明了該電流值只與驅(qū)動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Spectre仿真軟件驗證了其可行性。

［1］周志敏，紀愛華.OLED驅(qū)動電源設計與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［2］王龍彥，王中健，馬仙梅，等.幾種電流型AMOLED像素電路及其電流縮放比的分析［J］.液晶與顯示，2010，24(2):204-208.

［3］應根裕.AM-OLED的像素電路集錦(一)［J］.現(xiàn)代顯示，2011，22 (5):11-21.

［4］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.

［5］楊佳，王英志.一種有源四管OLED像素驅(qū)動電路的研究與設計［J］.黑龍江科技信息，2010(27):17.

［6］夏志強.Poly-Si TFT有源驅(qū)動OLED像素電路的參數(shù)設計與仿真［D］.長春:吉林大學，2007.

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

B

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2014－01－14

【本文獻信息】嚴利民，郭麗媛，龍云騰.一種新型的電壓型AMOLED像素補償電路［J］.電視技術(shù)，2014，38(13).

嚴利民(1971— )，副教授，從事平板顯示驅(qū)動技術(shù)的研究;

郭麗媛(1989— )，女，碩士生，研究方向為新型平板顯示技術(shù);

龍云騰(1989— )，碩士生，研究方向為新型顯示技術(shù)。