AMOLED像素驅動電路及其驅動系統

周志偉

（維沃移動通信有限公司 廣東省東莞市 523003）

1 引言

眾所周知，在經歷了幾十年的高速發展后，顯示技術從早期的陰極射線管技術不斷跨越到等離子技術、液晶顯示技術、激光顯示技術、量子點顯示技術、有機發光二極管（OLED, Organic Light-Emitting Diode）顯示技術、Micro-OLED顯示技術、全息投影技術等等，液晶顯示屏（LCD，Liquid Crystal Display）作為當前最為成熟的商用顯示屏，幾乎一度占據了面板行業的高中低市場。隨著近些年來OLED技術的推廣普及，不斷有OLED屏被應用到電視、電腦、手機等電子產品中，形成了與LCD爭雄的局面。相比于LCD屏而言，OLED屏幕存在著諸多優異的性能表現，比如：

（1）對比度極高，由于LCD屏是通過每個液晶分子的旋轉來實現明暗對比度，而某些液晶分子并不能形成百分百地遮光，導致會有部分白光透過而導致整個畫面的對比度比OLED差很多，然而OLED顯示黑色畫面時是通過晶體管直接關閉該區域的像素點電流，幾乎可以達到純黑的效果；

（2）OLED更為輕薄，由于LCD屏幕是采用屏后的白光燈組作為光源，在增大整機重量的同時，其屏幕厚度也大大增加，而OLED屏幕是通過在陰陽兩極加載電壓，OLED材料在電流作用下自發光，因此，該電致發光并不需要額外的光源；

（3）OLED屏是通過有機聚合物作為襯底，并在其上沉積各種圖形，具有良好的柔性，可制作成一定的曲面而成為異形屏，但LCD屏幕難以實現折疊，卷曲等形變；

（4）OLED功耗更低，由于OLED屏的每個像素點都是通過獨立的晶體管開關來控制的，在熄屏等情況下可以單獨點亮部分像素點，其余不必要的區域全部關閉，而LCD屏則是通過控制整體的液晶分子旋轉來實現的不同灰階，無法單獨控制某個液晶分子的開合，顯然，LCD屏的功耗會更高；

（5）屏幕響應時間OLED屏比LCD屏幕更為優異，由于LCD屏在接收到電壓信號時需要通過對液晶分子進行傾轉成像，而OLED屏幕接收到電壓信號后直接激發有機材料發光，因此，OLED屏的響應時間迅速，拖影現象較少；

盡管OLED屏幕存在上述諸多優勢，但決定于其發光原理，其劣勢也非常明顯，諸如：

（1）燒屏問題，由于OLED屏幕是有機材料發光實現成像，但是該材料的紅綠藍三種材料的發光效率，使用壽命都相差很大，尤其是藍光材料壽命短，長時間點亮后其藍光發光效率大大降低，導致色彩偏紅；

（2）閃屏問題，由于OLED是控制每個像素點的電壓，其控制畫面的整體亮度是通過對每個像素點的電壓進行不停地開關，當開關頻率足夠高的時候肉眼無法識辨，但是在低灰階的情況下，隨著PWM的開啟，其亮屏時間的縮短，就會讓肉眼感覺到閃屏；

圖1：AMOLED有效顯示區驅動原理示意圖

（3）色彩均一性問題，正是由于OLED屏幕的每一個像素都是獨立控制的，而每個像素對應的驅動電路的制程均一性難以保證，再加上壓降的存在，導致OLED不可避免地出現了色彩不均的問題[1]。

顯然，OLED屏幕之所以存在上述優勢與劣勢，與其發光原理以及電路控制強相關，而最終體現在屏幕上的顯示效果又是深受驅動控制電路的影響。一般，OLED屏幕按照驅動方式主要分為主動矩陣有機發光二極體（AMOLED，Active Matrix Organic Light-Emitting Diode）以及被動矩陣有機發光二極體（PMOLED，Passive Matrix Organic Light-Emitting Diode）。如圖1所示，AMOLED是采用獨立的薄膜晶體管（TFT, Thin Film Transistor）去控制每個像素電流值的大小與通斷，進而實現每個像素的連續且獨立的驅動發光，其背板工藝可以采用低溫多晶硅（LTPS: Low Temperature Poly-Silicon）技術或者低溫多晶氧化物（LTPO, Low Temperature Polycrystalline Oxide）驅動。AMOLED屏幕的顯著優點是其像素電路的驅動電壓低，但是工藝復雜且開口率較低。PMOLED的結構相對來就比較簡單，它是通過陰極、陽極構成矩陣狀并以掃描方式點亮矩陣中的像素，每個像素在短脈沖模式下瞬間高亮度發光。顯然，制程更為簡單的PMOLED，其缺點也非常明顯，為維持整個面板的亮度，需提高每一個像素點的亮度，進而就需要更高的像素驅動電壓[2]。

圖2：AMOLED屏2T1C像素驅動電路簡易工作流程圖

因此，相比于PMOLED，AMOLED更適合應用在各類大、中、小、型顯示器上。本文也將針對AMOLED屏幕的像素驅動電路及其補償電路進行討論分析。

2 像素電路及其補償電路

2.1 傳統2T1C像素電路

AMOLED像素驅動電路發展至今，已經走過2T1C(T：TFT; C：Capacity)，3T1C，4T1C，5T1C，6T1C直至7T1C的路程，目前商用的主流的像素驅動電路是帶有閾值電壓補償功能的7T1C電路，本文中主要在2T1C無補償電路的基礎上討論其他的具有補償功能的像素驅動電路。AMOLED屏幕的每個像素都有一個或者多個TFT器件以及存儲電容組成相應的驅動電路，而像素驅動電路的需要實現的功能就是在信號的采集階段，將一定的電能存儲到電容中，該電能直接與該處像素所呈現的亮度值有強相關性，而在信號的保持階段，原來存儲在電容中的電能釋放出來保證該像素點發光所需要的電信號，因此，基于該電路的最基本原理可以實現像素點的連續發光。

AMOLED屏早期是采用兩個薄膜晶體管與一個電容組成的2T1C電路來實現屏幕的持續點亮，其工作原理與流程如圖2所示：外部電源提供VDD的電信號給屏幕一個持續性的電流，而該電流值的大小受到驅動管T1控制，也即驅動管上的柵極電壓控制著電流能否流過T1管地溝道進入有機發光二極管OLED中，當驅動管柵極電壓不足以開啟T1管，則該管處于關斷狀態，無電流進入有機發光二極管OLED中，該像素點表現為未點亮狀態。顯然，T1的柵極電壓成為一個重要的開關，那么這個開關又是由存儲在電容C中的信號決定的。因此，整個驅動電路的工作過程可以大致分為三個步驟[3]：

步驟一：行掃描電路Scan開啟，T2導通；

步驟二：在步驟一的基礎上同時輸入像素驅動信號，驅動管T1導通，并同步將像素信號存儲進電容C中；

步驟三：掃描信號Scan關閉，原來存儲在電容C中的電壓可以保持驅動管T1導通，因而VDD便可給OLED

提供持續性電流，使其發光；

基于上述電路原理與工作流程，最終流入OLED發光器件的電流滿足公式（1）：

圖4：AMOLED屏7T2C像素驅動電路簡易工作流程圖

公式中，VDD提供驅動電壓，W/L為薄膜晶體管溝道的寬長比，μ為溝道載流子遷移率，Cox為柵級單位面積電容，Vdata為輸入的數據信號，Vth為驅動管T1的閾值電壓。顯然，根據公式推導，決定電流值大小有諸多影響因素，但受限于早期的LTPS與LTPO背板制程能力與工藝一致性的影響最嚴重，制備的薄膜晶體管（TFT）都極不穩定且電特性的均一性非常差，進而導致閾值電壓Vth漂移引起AMOLED屏幕亮度變化。盡管上述2T1C驅動電路實現了亮屏的持續性要求，但還有諸多問題需要解決，尤其是對于工藝一致性引起電學參數的變化，需要進行最大程度的弱化，十分有必要對該電路進行內部補償設計，以彌補閾值電壓漂移產生的負面效果。

2.2 5T1C像素補償電路

事實上，AMOLED屏除了因制程均一性難以保證幾百萬個薄膜晶體管的閾值電壓Vth完全一致而引起屏幕亮度不均的問題之外，還存在著諸如IR Drop、OLED器件閾值漂移等問題，基于此，人們通過不同的電路補償設計進行優化改進，本文僅摘選5T1C與7T2C補償電路進行討論分析。

圖3所示為一種AMOLED屏5T1C的電路架構及其工作流程的原理圖，其中T1管為驅動管，T2、T3、T4、T5管均為電路開關管，T2管主要用于Vdata信號的寫入，T5管用主要于控制OLED器件的發光，其工作過程大致可以分為三個階段。

（1）EM輸入高電平，T5管開啟，同時，Scan線與Vdata線輸入高電平，T2管與T3管均開啟，電容C1充電。

（2）保持Scan線與Vdata線的高電平信號，EM線變為低電平，T5管關閉，此時電容C1為Vdata+Vth，且驅動管T1柵極保持Vdata信號。

（3）Scan線與Vdata線輸入低電平，EM線變為高電平，T4管與T5管均導通，驅動管柵極變為VDD-Vdata-Vth。

2.3 7T2C像素補償電路

目前，對于閾值電壓進行補償的電路非常多，其原理基本不外乎通過增加多個薄膜晶體管并配合其中的電容來消除閾值電壓對流經OLED器件上電流值大小的影響，盡量降低工藝不穩定因素帶來的器件性能波動。除此之外，隨著屏幕尺寸的越來越大，不可避免地在Vdata、VDD等線路上出現電壓降，導致OLED器件流過的電流越來越小，進而引起屏幕遠端亮度下降的現象。因此，有必要考慮該部分的負面影響，本文介紹一種同時增加晶體管和電容數量進行多種補償的驅動電路，即7T2C結構的AMOLED像素電路，如圖4所示，整個驅動電路的工作過程可以大致分為三個步驟：

步驟一：初始化階段。Scan-1低電平開啟T6及T7，T7與OLED陽極導通，給OLED一個負電壓，對OLED進行初始化。Scan-1低電平開啟T6并對電容C1和C2充電，此刻T2管的柵極輸入為負的初始電壓。

步驟二：存儲階段。Scan輸入低電平后，由于步驟一中T2管的柵極輸入為負壓，處于開啟狀態，因此Vdata信號通過T1，T2，T3給C1和C2電容充電。需要說明的是，由于存儲到電容C1與C2中的Vdata信號在經過T2管的時候，也會受到T2管的閾值電壓Vth的影響，因此實際給電容充入的電壓為Vdata-|Vth|。

步驟三：OLED發光階段。在該階段，EM輸入的低電平信號開啟T4管和T5管，此時T2管的柵極電壓由前兩步驟中存儲的電容C1和C2提供，其大小為Vdata-|Vth|。

顯然，由外部電路提供的ELVDD電流能否進入OLED器件中，或者流進OLED器件中的電流值僅取受控于T2管的調制，而此時的電流取決于Vgs-Vth，由于Vgs的大小等于VDD-(Vdata-|Vth|)，因此Vgs-|Vth|=VDD-Vdata，顯然，最終的器件電流與Vth值無關，因此，該電路設計，將決定OLED器件發光的電流值進行了與閾值電壓Vth分割處理，不管屏幕上的幾百萬個甚至上千萬個TFT是否存在因制程工藝的波動，都可以較好地保證電流的均一性，同樣也有效地降低了ELVDD在經過大量晶體管后出現壓降的負面影響。需要說明的是，由于薄膜晶體管與電容等器件的數量會嚴重影響面板的開口率，導致整體分辨率與像素密度的降低，因此，在商用AMOLED的像素驅動電路設計中，需要恰當考慮電路補償的器件數量，綜合評估亮度均一性與分辨率的最終顯示效果[4]。

3 AMOLED有源驅動系統

一般而言，OLED亮屏的驅動方式主要是基于無源驅動方式（PMOLED）和有源驅動方式（即AMOLED）。無源驅動方式屬于電壓驅動型，它的驅動方式結構簡單，一般對于小尺寸、普通顯示屏上，其分辨率和像素密度尚能接受，但是，對于大尺寸、高畫質、低功耗等更高層次的要求，無源驅動難以實現，應考慮有源驅動的解決方式[5]。有源驅動屬于一種電流驅動類型，在采用低溫多晶硅（LTPS）TFT背板技術時，電流可以通過阻抗較低的小型TFT，所需驅動電壓較低，更加符合現今人們對于大尺寸、高畫質的OLED顯示需求[6]。

基于上述討論，要實現AMOLED完美顯示，不僅僅需要合理的像素驅動電路以及用于改善畫質的補償電路，也需要有效顯示區之外的外圍驅動電路及其完整的有源驅動顯示系統，主要包括顯示驅動IC（行驅動控制電路與列控制驅動電路）、CPU控制電路等等。在AMOLED有源驅動系統的典型驅動中，一般CPU模塊發出指令，控制所屬電路產生總的控制信號，分配給行控制電路與列控制電路后進而分別產生基本的行信號與基本的列信號，然后傳遞給驅動IC產生行掃描信號和列數據信號，將原本存儲在ROM或RAM模塊中的圖像內容完整地呈現在顯示屏上。

顯示屏的各路輸入信號中既有模擬信號也有數字信號，對于芯片數字視頻信號，一般其接口是擁有三路8bit大小的數據通道，因此可以容納接收24bit的R、G、B視頻訊號。與此同時，對于Gamma校正電路，往往會將8bit寬度的信號通道擴展至10bit數據信號寬度，然后輸出到下一級的列驅動模塊電路中，此時，列驅動電路模塊會進一步對比這10bit的擴展數據信號及其產生DAC電壓的10bit計數器信號，一旦該計數信號等于視頻數據信號時，比較器的輸出便會發生翻轉進而開啟列驅動電路的開關，顯示屏有效顯示區（AA區）中的各個像素電路的柵極就會收到對比后的DAC電壓信號，使得AMOLED像素電路產生與此對應的電流進入OLED器件中，與此同時，再配合相應的Vcom電壓，即可實現像素發光，接著，由于行驅動電路逐層不斷提供行移位寄存信號，使得每行像素就可不斷重復地實現快速逐行掃描[7]。

4 小結

本文討論并研究了AMOLED屏幕的像素驅動電路的概念與發展過程，針對傳統2T1C電路中存在的問題，分析了工藝制程的穩定性與均一性導致薄膜晶體管的閾值電壓Vth發生漂移以及由于外部電路提供的電壓在經過大量TFT器件過程中的壓降等問題所帶來的負面影響，通過對幾種較為典型的像素電路及其補償電路的結構與工作原理進行分析，明確了AMOLED屏幕亮度均一性與器件電性能的關聯性以及像素電路的補償設計需要同時兼顧補償電路增加的器件數量與電路設計的復雜程度，避免過度影響屏幕的開口率而導致分辨率與像素密度的嚴重下降。與此同時，簡要介紹了AMOLED屏正常顯示所需要的外圍驅動電路、系統架構及其大概的工作過程。