一種新型的OLED像素補償驅動電路

嚴利民，龍云騰，郭麗媛

（上海大學 微電子研究與開發中心，上海 200072）

1 引 言

近年來，人們對平板顯示裝置的需求越來越大，例如LCD、PDP、OLED等顯示器已得到廣泛的應用。與其它顯示器相比，OLED顯示裝置因為具有自發光、全彩色顯示、寬視角、高亮度、高對比度、低功耗等優勢而有著廣闊的市場［1－2］。

OLED顯示裝置的亮度是由流過OLED自身的電流決定的，因此，在OLED發光的過程中，為了要保證OLED發光的均勻性，其像素驅動電路必須在整幀周期內為其提供持續穩定的驅動電流，這需要將電流的不均勻性控制在一定范圍內。由于大部分的IC電路傳輸的是電壓信號，而不是電流信號，所以OLED像素電路需要將電壓信號轉變為電流信號來驅動OLED發光［3］。

本文介紹了一種新型的5T1C結構的像素補償驅動電路，該電路能夠有效地改善顯示器亮度不均等缺點。

2 通用的像素驅動電路

AMOLED的通用型的像素驅動電路結構如圖1所示［4－5］，該電路是2T1C 結構，其中，T1為選址TFT，T2為驅動TFT，Cs為存儲電容。

該電路的工作原理為：當掃描信號scan為高電平時，T1導通，Vdata傳遞到驅動管T2的柵極上，存儲在電容Cs中，當掃描信號scan為低電平時，T1截止，由于存儲電容Cs的存在，Vdata將保持在T2的柵極，可以維持一個周期內OLED電流的穩定。

圖1 通用的像素驅動電路Fig.1 Common pixel driving circuit

這種電路結構可以實現將電壓信號轉變為電流信號而驅動OLED發光的目的。然而，這種電路較簡單，會對驅動TFT的閾值電壓、溝道遷移率、電源線上的IR壓降等因素很敏感［6］，從而引起發光不均勻，嚴重影響顯示效果。而這些問題可以通過對每一個像素增加補償電路的方法來解決［7］，補償電路的作用是對每一個像素中的驅動TFT的參數（包括閾值電壓、溝道遷移率）進行補償，使得輸出的電流不會因這些參數的惡化以及電源線上的IR壓降而改變。目前，對OLED像素補償驅動電路的研究已成為一大研究熱點。

3 改進的像素驅動電路

在模擬驅動電路中，根據驅動方式的不同，OLED像素補償電路可分為電壓補償電路和電流補償電路。電壓補償電路只能補償驅動TFT的閾值電壓和電源線上的IR壓降引起的亮度不均勻，對于溝道遷移率引起的不均勻現象則無能為力。而電流補償電路能夠補償各驅動TFT的閾值電壓和溝道遷移率引起的亮度不均勻，還有電源線上的IR壓降引起的亮度不均勻［8］。

已有的補償電路有3T1C、3T2C、4T1C、4T2C等各種類型的電路。傳統的3T類型的電路大多都有充電電流小而導致充電時間長或者對于電源線上的IR壓降沒有很好的補償效果的缺點。目前，使用較多的補償電路主要是4T結構的電路。

3.1 4T1C型像素補償電路

本文以韓國三星公司的一種電流型像素補償電路為例［9］，介紹市場上應用較多的4T1C型的電流補償驅動電路。其電路結構和時序圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 4T1C像素補償電路Fig.2 Pixel compensation driving circuit of 4T1C

圖3 4T1C像素補償電路工作時序圖Fig.3 Timing chart of 4T1Cpixel compensation circuit

其工作可分為2個時期：在s1時期，scan為低電平，EM為高電平，此時，T1和T2導通，T3截止，該階段為數據寫入階段。數據信號Idata經過T1對存儲電容Cs充電。當存儲電容Cs被充電至驅動管Td的閾值電壓Vth時，驅動管Td開始導通，驅動管Td的閾值電壓被存儲在電容Cs中，此時，進入了s2時期，scan為高電平，EM為低電平，T1和T2處于截止狀態，T3處于導通階段，Idata停止為存儲電容Cs充電，該階段為顯示階段。由于存儲電容Cs存儲了驅動管Td的閾值電壓Vth，使得電流Ids只受存儲電容上存儲的電壓的控制，而不會受驅動管Td的閾值電壓漂移的影響，從而使輸出電流Ids保持穩定。輸出電流Ids的計算公式如下：

其中：μ為載流子遷移率，Cox為柵氧化層電容，W／L為驅動管Td的溝道寬長比。由式（1）可以看出，輸出電流Ids只受到器件本身的尺寸、遷移率、柵氧化層電容等自身因素以及電源電壓的影響，與驅動管的閾值電壓無關，因此，達到了補償閾值電壓的目的，保證了OLED發光的均勻性。

圖2所示的電路可以解決因為驅動管的閾值電壓漂移而造成的OLED發光不均勻的現象，可以實現像素補償的目的。但是，在低亮度顯示的過程中，由于輸入電流比較小，會造成充電時間很長，顯示信號會有很長時間的延時，這會嚴重影響顯示的效果［10］。而且，由于最后的輸出電流Ids的大小受到了電源電壓Vdd的影響，因此會影響OLED發光的穩定性和壽命［11］。

3.2 改進的5T1C型像素補償電路

本文在分析、研究了大量像素補償電路的基礎上，介紹了一種新的5T1C的像素補償電路，能夠有效地避免因閾值電壓漂移和電源電壓變化而引起的亮度不均勻的現象，其像素補償電路及其時序圖如圖4、圖5所示。

圖4 5T1C像素補償電路Fig.4 Pixel compensation driving circuit of 5T1C

圖5 5T1C像素補償電路工作時序圖Fig.5 Timing chart of 5T1Cpixel compensation circuit

由圖5可知，5T1C像素補償電路工作分為3個時期，在s1時期，scan為高電平，EM為低電平，此階段為初始化階段。此時，T1、T2和T3導通，T4處于截止狀態，A點電壓，即驅動管Td的柵極電壓為Vdata，C點直接與電源端相連，電壓為Vdd，B點直接與地相連，電壓為0V，即電容Cs間存儲的電壓為Vdd。

在s2時期，scan和EM均為高電平，此階段為閾值電壓補償階段。此時，T2和T3導通，T1和T4截止，驅動管Td的柵極電壓仍為傳輸到A點的數據電壓，即Vdata，C點開始放電，電壓下降為Vdata＋，變化量為由于電容Cs的作用，B點電壓由0V變為Vdd－此時，驅動管Td的柵源電壓Vgs＝

其中：μ為載流子遷移率，Cox為柵氧化層電容，W／L為驅動管Td的溝道寬長比。由式（3）可以看出，輸出電流Ids只受到器件本身的尺寸、遷移率、柵氧化層電容等自身因素的影響，與驅動管的閾值電壓及電源電壓的變化無關，因此，達到了補償閾值電壓漂移和電源電壓不穩定的目的。而且，在該電路中，由于是由電源電壓為電容充電，可以極大地縮短充電時間。

4 仿真結果

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0.35 μm 18V2P4M工藝對該電路進行了仿真。其中，OLED模型根據實驗數據利用Verilog－A編寫［12］，得到的輸出電流仿真波形圖和溫度對輸出電流影響的仿真圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 輸出電流仿真結果Fig.6 Simulation results of output currents

在圖6中，從上向下4個波形分別對應著輸出電流Ids、掃描信號scan、控制信號EM和數據信號Vdata。由仿真結果可知，在顯示階段，輸出電流Ids穩定在2μA，可以驅動OLED穩定發光。

在圖7中，從上到下4個波形分別對應著驅動管漏端電壓、柵端電壓、源端電壓和輸出電流。由仿真結果可知，在從－50～150℃，輸出電流的變化范圍是2.127μA～2.094μA，變化率為1.5%，基本可以保證輸出電流不受溫度變化的影響。

圖7 不同溫度下的輸出電流Fig.7 Output currents at different temperatures

5 結 論

隨著AMOLED的應用越來越廣泛，對像素驅動電路的研究也成為了熱點，但僅有電壓電流轉換功能的電路會對驅動TFT的閾值電壓、溝道遷移率、電源線上的IR壓降等因素很敏感，從而引起發光不均勻，嚴重影響顯示效果。本文介紹了一種新的5T1C結構的像素驅動電路，根據仿真結果，輸出電流Ids為2μA，通過補償閾值電壓漂移及電源電壓的變化，基本可以改善OLED顯示器亮度不穩定和不均勻的缺點。

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