一種新型硅基OLED微顯示像素電路

張新華，陳文彬

（電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，四川 成都610054）

1 引 言

硅基OLED 微顯示器是指把OLED 制作在硅片上的一種顯示器［1］，利用了成熟的CMOS工藝，在單晶硅片上制作驅(qū)動電路，并結(jié)合OLED視角大、響應(yīng)速度、功耗低、全固態(tài)等優(yōu)點，既可應(yīng)用于個人娛樂設(shè)備，又可應(yīng)用于飛行員的頭盔顯示 器 等［2］。OLED 微 顯 示 器 的 尺 寸 一 般 小 于1.5cm（0.6in）［3］，而顯示器的分辨率卻可以達到SXVGA（1 280×1 024）的水平［4］。與以TFT為背板的AMOLED 顯示器件相比，其像素面積要小得多，流過像素的電流也很小，大約在在幾百皮安到幾十納安之間［3］。

如何實現(xiàn)OLED 微顯示像素驅(qū)動電路所需的小電流是設(shè)計像素驅(qū)動電路的重點和難點。為了解決這個問題，提出了以下幾個方案：

（1）亞閾值電壓調(diào)節(jié)電流法［3］，在目前的IC工藝下，MOS管的亞閾工作特性一致性差，導(dǎo)致顯示的均勻性存在問題，對電路的設(shè)計和工藝要求高；

（2）源極跟隨結(jié)構(gòu)法［5］，此方法的缺點是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；

（3）增 加 分 流MOS 法［6］，其 缺 點 是 造 成MOS管支路電流的浪費，增加了系統(tǒng)功耗。

本文提出了一種新型的像素電路。OLED 只處于兩種狀態(tài)：發(fā)光或者不發(fā)光，并且當(dāng)OLED發(fā)光時流過OLED 的電流是恒定的?；叶日{(diào)節(jié)是通過時間比率灰度法實現(xiàn)的，即通過控制OLED 的發(fā)光時間來實現(xiàn)不同的灰度等級，發(fā)光時間的長短決定了灰度等級的高低［7］。此像素電路結(jié)構(gòu)簡單、完全是由數(shù)字信號控制、發(fā)光時流過OLED 的電流是恒定的并且不隨MOS的閾值電壓變化而改變。

2 像素電路及工作過程

像素電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中P1、P2為PMOS，N1、N2為NMOS，CS為存儲電容，OLED為發(fā)光單元。P1和N1構(gòu)成反相器，P2和N2作為開關(guān)。A 點是CS的左端，B 點是CS的右端和反相器的輸入端，C 點是反相器的輸出端、P1的漏極以及OLED 的陽極。

圖1 像素電路原理圖Fig.1 Schematic of the pixel circuit

由反相器的特性可知，如果VB（B 點的電壓）足夠小，則可使N1關(guān)斷、P1導(dǎo)通。此時相當(dāng)于VDD經(jīng)過P1來驅(qū)動OLED，會有一個恒定的電流流過，使得OLED 發(fā)光。

如果VB足夠大，則可使P1關(guān)斷、N1導(dǎo)通，此時C 點通過N1接地，沒有電流流過OLED，OLED 不發(fā)光。

此電路可以實現(xiàn)恒定的電流流過OLED，灰度的實現(xiàn)是通過控制OLED 的發(fā)光時間實現(xiàn)的。在本論文中，將一幀信號分為6個子場。如果在某一子場中，OLED 可以發(fā)光，則此子場稱為開啟子場。如果在某一子場中，OLED 始終不發(fā)光，則此子場稱為關(guān)閉子場。圖2是開啟子場中各信號的時序圖，圖3 是關(guān)閉子場中各信號的時序圖。從圖中可以看出，所有的信號均為數(shù)字信號。

下面對兩種情況進行說明：

圖2 開啟子場中各信號時序圖Fig.2 Signals timing diagram（on－state sub－frame）

（1）開啟子場

第一階段：SCAN 信號處于高電平，SELECT信號處于低電平，DATA 信號處于高電平。N2和P2均處于開啟狀態(tài)。A 點的電壓為VDATA，B點的電壓為VDD，電容兩端的電壓為VDD－VDATA。由于B 點處于高電平，P1處于關(guān)閉狀態(tài)，N1處于開啟狀態(tài)。C 點的電壓為0，OLED 不發(fā)光；

第二階段：SCAN 信號仍然處于高電平，SELECT 信號變?yōu)楦唠娖剑珼ATA 信號仍然處于高電平。N2仍然處于開啟狀態(tài)，P2處于關(guān)閉狀態(tài)。B 點懸空，由于A 點電壓仍然為VDATA，所以B 點電壓仍然為VDD。P1處于關(guān)閉狀態(tài)，N1處于開啟狀態(tài)。C 點的電壓為0，OLED 不發(fā)光；

圖3 關(guān)閉子場中各信號時序圖Fig.3 Signals timing diagram（off－state sub－frame）

第三階段：SCAN 信號仍然處于高電平，SELECT 信號仍然處于高電平，DATA 變?yōu)榈碗娖?。N2仍然處于開啟狀態(tài)，P2處于關(guān)閉狀態(tài)。B點懸空，由于A 點電壓變?yōu)?，所以B 點電壓變?yōu)閂DD－VDATA。并使得此電壓使P1處于開啟狀態(tài)，N1處于關(guān)閉狀態(tài)。C 點的電壓為VDD，OLED發(fā)光；

第四階段：SCAN 信號變?yōu)榈碗娖?，SELECT信號仍然處于高電平。N2和P2均關(guān)閉狀態(tài)。A點和B 點均懸空，A 點電壓保持在0，所以B 點保持在VDD－VDATA。此電壓使P1處于開啟狀態(tài)，N1處于關(guān)閉狀態(tài)。C 點的電壓仍然為VDD，OLED 繼續(xù)發(fā)光。

（2）關(guān)閉子場

關(guān)閉子場中，在第三階段，由于DATA 信號電壓沒有發(fā)生變化，即不能把B 點的電壓拉低，B點的電壓仍維持在VDD，C 點的電壓為0，OLED不發(fā)光。進入第四階段后，此狀態(tài)仍然不變。

如果需要的灰度等級數(shù)目為n（n＝2k），那么一幀信號需要分為k 個子場SF1，SF2，SF3......SFk。如果幀周期是T，那么各個子場對應(yīng)的時間為：

在本文中，n＝64，T＝20ms。

需要注意的是，即使在開啟子場的第一和第二階段，OLED 也是不發(fā)光的，但是這段不發(fā)光的時間小于每一行的掃描時間，如圖3所示。對于一個SVGA（600×800）的微顯示器，設(shè)開啟子場中OLED 的發(fā)光時間為tL－SFi，不發(fā)光時間為tNL－SFi，所以有：

表1 開啟子場，發(fā)光時間，灰度等級的關(guān)系Tab.1 Relationship of on－state sub－frame，light－emitting time and grayscale

3 仿真及分析

由于仿真軟件中沒有OLED 模型，我們使用一個二極管D 和一個電容C 的并聯(lián)來代替OLED［8］。我們使用的OLED 的I－B－V 特性曲線如圖4所示，其中亞像素面積為10μm×30μm。

二極管主要的模型參數(shù)是：反向飽和電流密度Is＝35μA／cm2，發(fā)射系數(shù)n＝33.20，串聯(lián)電阻Rs＝0，level＝1。并聯(lián)電容C＝25nF／cm2×300μm2＝0.075pF［8］。

圖4 OLED 的I－B－V 特性曲線圖Fig.4 OLED luminance and I－Vcharacteristics

表2 主要仿真參數(shù)Tab.1 Main simulation parameters

對于幀周期為20ms，子場SF6的時間最長為10.158ms。存儲電容CS應(yīng)該在這段時間內(nèi)保持住電壓，有公式t＝RC＝VCS／I得到CS＝tI／V。p型晶體管的關(guān)態(tài)電流的大小為pA 級別，電壓為5V，所以存儲電容CS＝0.5pF。氧化層的厚度為125nm，電容所需的面積為：

考慮到亞像素面積為300μm2，這樣大小的電容是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

該仿 真 是 基 于TSMC 的0.35 μm CMOS 5V工藝，利用Hspice的level＝49 模型來完成的。表2 是仿真用的主要參數(shù)。

圖5是21級灰度的仿真結(jié)果，對于21級灰度，OLED 在第1，3，5子場是開啟子場，第2，4，6子場是關(guān)閉子場。并且OLED 發(fā)光時流過OLED 的電流是恒定的。原因如下：

當(dāng)OLED發(fā)光時，N1處于關(guān)閉狀態(tài)，P1處于導(dǎo)通狀態(tài)，B 點處于低電平，C 點處于高電平，P1處 于線性區(qū)。流過OLED的電流等于流過P1的電流：

OLED 是高阻器件，當(dāng)IOLED為nA 級時，P1的漏極和源極之間的電壓VDS小于10－8V ，即使P1的閾值電壓由于襯底偏置效應(yīng)和溫度效應(yīng)在一定范 圍 內(nèi)變 化 時［9］，VDS仍 然 是 小 于10－8V。也就是說閾值電壓變化時P1的漏極電壓（OLED的陽極電壓）的變化小于10－7V，這樣小的電壓變化對OLED 的電流的影響可以忽略不計。

通過分析，可以看出只需改變各信號的時序，便可實現(xiàn)不同的開啟子場的組合，所以64級灰度（0～63）即可以實現(xiàn)。當(dāng)OLED 發(fā)光時，流過OLED 的電流為35.3nA，電流密度為11.8mA／cm2，對應(yīng)的亮度為1 500cd／m2。

圖5 21級灰度的信號時序圖和OLED 的發(fā)光時間Fig.5 Signals timing diagram and OLED emitting time of 21grayscale

4 結(jié) 論

提出了一種用于硅基OLED微顯示用的像素驅(qū)動電路，通過分子場掃描的方法來控制OLED的發(fā)光時間，進而實現(xiàn)不同的灰度等級。并且在像素電路中，OLED 發(fā)光時流過的電流是恒定的，并且對閾值電壓的變化不敏感。相對于傳統(tǒng)的硅基OLED的像素驅(qū)動電路，此方案結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、完全由數(shù)字信號控制，能實現(xiàn)精確的灰度調(diào)節(jié)。

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