有源OLED顯示驅動控制電路分析與設計

摘要：提高OLED圖像顯示質量，是AMOLED驅動電路設計中的重點。文章闡述了AMOLED顯示驅動電路的基本工作原理，在給出顯示驅動系統的基本結構后分析了門閥電壓補償、OLED衰退補償、電源線IR Drop補償等改進型像素電路結構，最后提出一種新型的像素電路設計并驗證其改進效果。

關鍵詞：AMOLED；薄膜晶體管；像素驅動電路；驅動電路設計；驅動系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN873 文章編號：1009-2374（2017）02-0024-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.011

1 概述

有機電致發光二極管（OLED）屬于一種新型電流型半導體發光器件，是通過控制該器件載流子的注入和復合激發有機材料發光顯示，可分為有源驅動（AMOLED）和無源驅動（PMOLED）兩種驅動方式。與無源驅動相比，有源驅動為每個子像素配備薄膜晶體管（TFT）和電荷貯存電容，以提高負載驅動能力，易于實現高分辨率和高亮度，具有工作效率高和功耗低等優點。AMOLED驅動便于集成在顯示屏內，更易于提高電路集成度實現大面積顯示，是低功耗大尺寸顯示終端的理想器件。

2 AMOLED顯示概述

OLED顯示使用的是自主發光技術。與被動發光的液晶（LCD）顯示器相比，自主發光的OLED顯示器具有響應速度快、對比度高、視角廣等優點，并且容易實現柔性顯示，被業內普遍看好。一致認為OLED顯示器極有可能成為下一代顯示技術的主流產品。

AMOLED與LCD兩種面板的顯示原理基本相同，都是通過控制每個子像素的TFT開關狀態實現顯示的。兩者的區別在于：AMOLED顯示是通過TFT控制OLED上的電流改變其發光亮度；LCD顯示則是通過TFT控制加載在液晶盒兩端電壓調整其背光的透射率。兩者相比，對通過TFT驅動電流能力，AMOLED要求更高。OLED對其驅動電流非常靈敏，微弱的電流變化會影響其發光強度，因此要求TFT驅動管能持續穩定地提供工作電流。這對AMOLED驅動電路的穩定性提出了嚴格的要求，該要求也提高了對AMOLED驅動電路的設計目標。所以在AMOLED技術的研究工作中，像素驅動電路的設計質量至關重要，具有實用價值和重要意義。

3 AMOLED像素驅動

3.1 AMOLED顯示面板驅動電路基本結構

AMOLED面板顯示驅動系統的結構示意圖如圖1所示。根據接收到的圖像信號，每個像素驅動電路獨立調控單點像素OLED的發光強弱，使得顯示面板發光后重現圖像內容。當前，驅動芯片的集成化程度很高，已經實現將諸如源極驅動模塊、柵極驅動模塊等多個功能模塊集成在一顆芯片中。驅動芯片內部各個功能模塊由電源管理模塊提供穩定的直流工作電壓。各個功能模塊之間、圖像信號處理器與驅動芯片之間的信號傳輸由時序控制模塊完成。

柵極驅動器負責輸出行掃描信號，該信號加載到各個像素驅動電路中開關管M1的柵極，逐行開啟像素陣列中的每個像素電路。源極驅動器同時提供每個像素所需要的灰度信號電壓。當開啟某一行柵極開關管M1后，每個子像素灰度信號通過源極驅動器輸出，以電流形式流入驅動管M2，使OLED發光。此時，每個子像素的灰度信號會以電壓形式保持在電容C中進行存儲，直到下一幀圖像顯示信號進行刷新。R、G、B三個子像素驅動電路中OLED的發光強弱和占比決定每個像素色彩和亮度。時序控制模塊向源極驅動器和柵極驅動器提供輸出到像素矩陣的圖像顯示信號和控制信號。

圖1中顯示的像素驅動電路是最基本的雙TFT結構，其驅動管M2的門閾電壓（Vth）偏移后會導致在面板不同位置的像素驅動管M2產生差異，引起各個像素OLED上的驅動電流發生偏差，致使屏幕畫面出現顯示均勻性問題。這種Vth偏移問題對于現在量產的a-Si、LTPS以及IGZO幾種類型的TFT都會存在，需要設計高性能的像素補償電路來解決。

3.2 門閥電壓補償電路

AMOLED像素電路需要對TFT驅動管的Vth偏移進行補償，改善各管Vth的一致性。LG公司在國際信息顯示學會（SID）2009年學術會議上發表的一篇關于AMOLED像素電路的論文，設計出一種門閥電壓補償電路。如圖2（a）所示，其像素電路包括5個TFT和1個電容（后稱5T1C結構）。因驅動管T4與OLED串接，OLED上的電流與T4的漏極電流相等，依據TFT在飽和區的工作特性，OLED上的電流IOLED如下：

在式（1）和式（2）中，K為常量。可見OLED上的電流跟TFT驅動管的門閥電壓無關，從而保證OLED面板顯示質量。

3.3 OLED衰退補償電路

在前述的兩種像素驅動電路中，OLED的陽極直接和TFT驅動管的源極相連。對于N型構造的TFT，流經TFT的漏極電流取決于柵-源極之間電壓差（Vgs）。OLED在工作一段時間后性能衰退會引起參數發生變化，其跨壓變大，造成Vgs電壓變化。由式（1）可以看出，Vgs電壓變化后OLED上的電流就會隨之變化，導致其發光亮度變化。顯示面板上各個像素OLED衰退狀態不同，造成顯示均勻性變差。所以在像素驅動電路設計時必須考慮對OLED衰退后的影響，進行補償。

臺灣國立交通大學設計出的一種針對OLED衰退進行補償的像素驅動電路，如圖2（b）所示。該電路包括5個TFT和1個電容，和前文給出的門閥電壓補償電路一樣，都是5T1C電路結構，但具體連接方式不同。將該電路中提供對應的柵極和源極的電壓代入式（1）后，可得到如下結果：

由式（3）可見，OLED上的電流與其跨壓變化無關，不會因OLED衰退而影響其發光亮度。

3.4 IR Drop補償電路

常溫下，金屬導體電阻為非零值，經過該導體的電流會產生一定的電壓降，這一現象被稱為IR Drop。金屬導線上的IR Drop會導致在距離輸入端的不同位置存在電位差異。在大面積顯示的面板上，這種IR Drop使得處于不同的位置的OLED上的電流產生差異，導致面板發光不均勻，影響圖像顯示質量。所以在設計像素電路時，如何消除供電導線上的IR Drop是需要考慮的一個重點問題。

各家OLED研究機構和面板廠商都在積極研究，尋找消除IR Drop不利影響的技術方案。圖2（c）是在2009年的SID會議上由三星公司推出的一個帶IR Drop補償功能的像素電路。該電路采用5T2C結構，包含了5個TFT和2個電容，通過補償消除了OLED陽極供電（ELVDD）線上IR Drop的影響。當處于顯示階段時，流經OLED的電流公式如下：

將該電路中對應的柵極和源極的電壓代入式（4）可以得到：

由式（5）可見，該電路OLED電流僅僅與Vsus以及信號電壓有關，與ELVDD無關，從而消除了陽極電壓信號線上IR Drop的影響。

4 新型AMOLED像素驅動電路的設計

由于存在TFT門閥電壓偏移、OLED衰退以及信號線IR Drop三大因素的影響，在設計AMOLED像素驅動電路時，必須考慮同時消除它們的不利影響，從而獲得較優的顯示圖像品質。驅動電路的設計目標就是要實現消除這三種因素對像素OLED工作電流的不利影響。

4.1 設計新型像素驅動電路

圖2（a）給出的TFT門閥補償電路具有一定的局限性。它采用獲得Vth的方法如圖3（a）所示，將TFT的柵極和漏極相連。獲取Vth時，首先使TFT的漏-源極電壓（Vds）大于Vth，然后將漏極和柵極浮接，開啟TFT后，漏極有電流流入，隨后Vds下降，直至TFT關閉。當Vth≥0V時，柵源極電壓（Vgs）變為Vth，TFT關閉，Vds不變，就可以獲得Vth的值。當Vth<0V時，Vds電壓若為零，TFT無電流，此時，Vgs=0V，沒有獲得Vth值。因此，當TFT的Vth<0V時，該電路無法獲得Vth值進行補償。

改變TFT的連接方式可以解決這個缺憾。如圖3（b）所示，將TFT柵極和漏極分別被設定為不同的電壓，對源極需先設定一個初始電壓，該電壓滿足Vds>Vth條件，然后使源極處于浮接狀態。此時TFT處于開啟狀態，漏極有電流流向源極，源極電位隨之升高，源極電位的最終值會由柵極電壓（V2）和漏極電壓（V3）的以下兩種狀態決定，即：（1）當V2-Vth>V3時，源極電位為V3；（2）當V2-Vth≤V3時，源極電位為V2-Vth。

當我們設定V2-Vth≤V3后，無論Vth為正或為負值都能被獲得。

根據獲取Vth的這種新方法，在結合前文給出的幾種補償電路基礎上，我們設計出一種新的像素驅動電路。該電路如圖4（a）所示，采用7T1C電路結構，包括7個TFT和1個電容，可以同時消除前文所述的TFT門閥電壓偏移、OLED衰退以及導線上IR Drop三種因素產生的不利影響。

參照圖4（b）中給出的工作時序，分析該電路各個時序階段的工作情況：（1）t1階段：前一行掃描線控制信號（Scan_n-1）端輸入高電平，開關管M1和M2被開啟，對儲存電容C兩端的電壓進行初始化。此時，驅動管M_Drive各極電壓被設置為初始值，設定Vds>Vth；（2）t2階段：當前行掃描線控制信號（Scan_n）端輸入高電平，開關管M5和M6被開啟，驅動管M_Drvie的柵極PG點通過M6接通VSUS，數據信號電壓（Vdata）加載到儲存電容C左端的PD點。此時，Emit_n端輸入為低電平，M4關閉，驅動管M_Drive的源極（PS點）處于浮接狀態，符合前文給出的獲取Vth改進后方式的條件。PS點電位被設置為，儲存電容C兩端的壓差為；（3）t3階段：Emit_n端輸入高電平，同時開啟M3和M4，PG和PD兩點通過M3相連，電位相等。開啟M4后，PS點的電位發生變化。由于PG和PD兩點電位相等無電流進出，經電容C耦合，PD和PS之間的電壓差維持在。此時，驅動管M_Drive的Vgs電壓為，將該值代入式（1）后，可以得到OLED上的電流為：

由式（6）可以看出，OLED上的電流與驅動管門閥值、OLED門閥值以及供電電壓均無關聯，可以滿足電路設計要求。

4.2 新型像素驅動電路仿真

為了驗證電路的實際補償效果，使用模擬軟件對上述新型像素電路進行了仿真。分別按驅動管閥值偏移、OLED閥值偏移以及供電線的IR Drop三種情況進行了模擬，觀測OLED上電流的變化。模擬時設置的具體TFT和OLED模型參數是由器件廠商從實物中萃取。三種模擬結果分別參見圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）：（1）TFT閥值偏移的模擬結果：如圖5（a）所示，Vth被設定從

-3～2V之間變化，OLED上電流的變化率小于5%；（2）OLED衰退的模擬結果：因OLED衰退會引起其門閥電壓變化，而門閥電壓和陰極電位（VSS）的變化對于驅動電路的影響是等效的，所以我們是通過調整VSS電位進行模擬的。如圖5（b）所示，設定VSS從0V到3V的之間變化，OLED上電流變化率小于1%，基本維持不變；（3）供電線上IR Drop模擬結果：可以通過設定不同供電端電壓VDD來觀察OLED上電流的變化，如圖5（c）所示，調整VDD電壓在1.3～1.5V之間變化，OLED上電流變化率小于3%。

5 結語

像素驅動電路的穩定性是AMOLED圖像顯示品質的關鍵，因此在電路設計之初需要考慮克服三種因素的不利影響，包括TFT門閥電壓偏移、OLED衰退以及信號線上IR Drop。本文在綜合了現有的幾種像素電路結構的基礎上，設計出一種改進型7T1C結構的驅動電路。經過仿真模擬，結果表明該電路基本不受上述三種因素的影響，達到像素驅動電路設計初衷的目的。

當前，彩色AMOLED顯示屏主要分為白光+彩色濾光膜和RGB子像素獨立發光兩種方式。與前者相比，后者有許多優勢。但是由于RGB三種不同發光材料的退化周期不同，將會破壞圖像色彩的白平衡。因此，在使用采用后者方式的OLED面板時，還需針對因三基色退化引起的白平衡變差現象進行補償。以亮度衰減一半所需的時間定義為發光器件的半衰期，不同有機發光材料的半衰期是不同的。紅光OLED的半衰期最短，綠光OLED次之，藍光OLED比較穩定。RGB子像素獨立發光的OLED面板在工作一段時間后，屏幕圖像紅色逐漸減弱，顏色會偏藍，引起圖像色度坐標變化和亮度衰減。使用線性補償法可以實現對三基色退化造成的白平衡影響進行補償，但這種方法是以犧牲亮度為代價的。

隨著社會和科技的進步，用戶對圖像顯示品質有更高的要求。在新一代的OLED顯示領域中，本文所做的工作只是冰山一角，還有許多難點亟需繼續探討和完善。

參考文獻

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作者簡介：劉明（1974-），男，南京中電熊貓家電有限公司研發中心高級工程師，碩士，研究方向：新一代平板顯示智能影音系統。

（責任編輯：黃銀芳）