OLED像素驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)研究

魏 芬，劉銀春

(1.福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

引言

OLED(Organic Light Emitting Diode)又稱為有機(jī)電致發(fā)光顯示器(Organic Electroluminescence Display)，它是用有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光材料在電驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的發(fā)光來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示和照明的技術(shù)，被美國(guó)政府列為21世紀(jì)最具產(chǎn)業(yè)化前景的25項(xiàng)高科技之一[1]。與液晶顯示器(LCD)相比，它具有全固態(tài)、主動(dòng)發(fā)光、高亮度、高對(duì)比度、超薄、低成本、低功耗、快速響應(yīng)、寬視角、工作溫度范圍寬、易做柔性顯示等諸多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的新型顯示技術(shù)之一[2-3]。隨著OLED光效的提高，以及白光OLED工藝的發(fā)展，OLED出現(xiàn)了應(yīng)用于照明的趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的LED點(diǎn)光源相比，它具有發(fā)光均勻、色彩鮮艷、發(fā)光材料豐富、無(wú)散熱問(wèn)題等特點(diǎn)，有望成為未來(lái)照明的新主流[4，5]。OLED是一種電流型的有機(jī)發(fā)光器件，是通過(guò)載流子的注入和復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象，發(fā)光強(qiáng)度與注入的電流成正比[6]。因此無(wú)論OLED是用于平板顯示還是照明，驅(qū)動(dòng)發(fā)光中都會(huì)出現(xiàn)一些類似的特點(diǎn)，如電流大小不一致造成的溫度不均勻、亮度不均勻和顏色不均勻等問(wèn)題[7]。

本文針對(duì)OLED在平板顯示中驅(qū)動(dòng)亮度的不均勻性問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)兩管驅(qū)動(dòng)的源極跟隨型和恒定電流型電路及其改進(jìn)的四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，希望在提高OLED顯示質(zhì)量的同時(shí)，也為OLED照明技術(shù)的開發(fā)提供參考。

1 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動(dòng)電路的工作原理

有源驅(qū)動(dòng)顯示技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前平板顯示技術(shù)的主流，OLED有源驅(qū)動(dòng)技術(shù)與LCD有源驅(qū)動(dòng)相似，不同的是LCD為電壓型器件，OLED為電流型器件。這就要求OLED像素驅(qū)動(dòng)電路中至少要有兩個(gè)MOS管：一個(gè)作為開關(guān)管，另一個(gè)作為驅(qū)動(dòng)管，OLED可放在驅(qū)動(dòng)管的源極和漏極，分別稱為源極跟隨型和恒定電流型，這就是最簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)兩管驅(qū)動(dòng)方案，如圖1所示。其中M1是開關(guān)管，M2是驅(qū)動(dòng)管，這里的MOS管與TFT管的工作原理相似，但是MOS的制作工藝較TFT簡(jiǎn)單，物理特性也更穩(wěn)定；CS是存儲(chǔ)電容，保證像素在整個(gè)幀周期內(nèi)一直處于點(diǎn)亮狀態(tài)；Vscan是行掃描線上的掃描電壓，Vdata是列數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)電壓。其工作原理是：當(dāng)Vscan是高電平時(shí)，M1管導(dǎo)通，此時(shí)數(shù)據(jù)電壓Vdata通過(guò)M1管給存儲(chǔ)電容CS充電，當(dāng)CS兩端電壓大于M2管閾值電壓時(shí)，M2管導(dǎo)通，OLED 發(fā)光；當(dāng)Vscan是低電平時(shí)，M1管關(guān)斷，這時(shí)存儲(chǔ)電容CS上的電壓維持M2管的柵極電壓恒定，驅(qū)動(dòng)M2管輸出恒定的電流，從而使OLED像素在整個(gè)幀周期內(nèi)一直發(fā)光。

圖1 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動(dòng)電路Fig.1 Traditional two-MOS driving circuits(a) Source follower configuration；(b) Constant current configuration

根據(jù)MOS的I-V特性，當(dāng)M2管工作在飽和區(qū)時(shí)，其工作電流，即流過(guò)OLED的電流IOLED由柵源電壓VGS2決定。對(duì)于源極跟隨型電路，M2管的柵源電壓VGS2約為Vdata-VOLED，其中VOLED為OLED導(dǎo)通時(shí)本身存在的壓降，而恒定電流型柵源電壓VGS2約為Vdata。

1.2 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了精確地研究源極跟隨型和恒定電流型兩種電路的區(qū)別，在設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路中需排除元件的參數(shù)差異所引起的誤差，換句話說(shuō)要設(shè)計(jì)出一個(gè)集兩種電路為一體，共用元件的電路，如圖2所示。設(shè)計(jì)的電路中增加了三個(gè)單刀雙擲開關(guān)S1、S2和S3，其他的元件都是共用，當(dāng)三個(gè)開關(guān)都閉合于1時(shí)為源極跟隨型電路，當(dāng)三個(gè)開關(guān)都閉合于3時(shí)為恒定電流型電路。

圖2 傳統(tǒng)兩管驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)電路原理圖Fig.2 SCH of traditional two-MOS driving circuit

圖3 源極跟隨型(S型)和恒定電流型(D型)的工作電流曲線圖Fig.3 IOLED of source follower configuration (S configuration) and constant current configuration (D configuration)

1.3 測(cè)試結(jié)果

圖3是兩種傳統(tǒng)兩管驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出：在實(shí)現(xiàn)流經(jīng)OLED像素的電流IOLED相同的情況下，源極跟隨型所需的數(shù)據(jù)電壓Vdata遠(yuǎn)大于恒定電流型。比如，要使IOLED都為0.47mA，源極跟隨型所需Vdata是4.9V，而恒定電流型是3.3V，具體見表1和表2。這差值就是VOLED，因此從功耗角度看，恒定電流型電路更節(jié)能。不過(guò)源極跟隨型電路更主要的問(wèn)題是VOLED存在分散性，而且在長(zhǎng)時(shí)間工作下會(huì)發(fā)生漂移，這都會(huì)引起VGS2的輕微變化，使M2管的工作電流產(chǎn)生漂移從而引起整個(gè)屏幕顯示亮度的不均勻和灰度的不準(zhǔn)確[8]，恒定電流型電路則不會(huì)有類似的問(wèn)題。

表1 源極跟隨型電路的工作電流數(shù)據(jù)Table 1 IOLED of source follower driver

表2 恒定電流型電路的工作電流數(shù)據(jù)Table 2 IOLED of constant current driver

綜上所述，恒定電流型電路優(yōu)于源極跟隨型電路，因此在后續(xù)的改進(jìn)電路中采取恒定電流型接法，即OLED放在驅(qū)動(dòng)管的漏極。

2 四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路的工作原理

恒定電流型電路雖然能夠解決OLED本身的閾值分散性和閾值漂移所引起的亮度不均勻問(wèn)題，但無(wú)法克服驅(qū)動(dòng)管M2閾值電壓漂移所造成的顯示屏亮度不一致的缺點(diǎn)，并且其閾值電壓依賴于溫度的變化[9-10]，另外，從圖3中我們也可以看到，IOLED與Vdata不成線性關(guān)系，而且是很陡的I-V特性：Vdata很小的變化將引起IOLED很大的變化，這樣不利于灰度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，這些因素都將影響顯示效果[11]。因此，一些研究人員提出了多種補(bǔ)償方案[12-14], 目前獲得廣泛應(yīng)用的是以電流鏡為基礎(chǔ)的電流編程型像素驅(qū)動(dòng)電路[15]，每個(gè)像素配有4個(gè)MOS管，如圖4所示。Vscan是行掃描線上的掃描電壓，Idata是列數(shù)據(jù)線上的電流數(shù)據(jù)；M1、M2是P型MOS管，作為開關(guān)管；M3、M4是參數(shù)相同的N型MOS管，構(gòu)成電流鏡的基礎(chǔ)，完成電流跟隨的功能；存儲(chǔ)電容CS接在驅(qū)動(dòng)管M3、M4柵極和地之間，保證OLED 像素在整個(gè)幀周期內(nèi)一直發(fā)光，OLED放在驅(qū)動(dòng)管M4的漏極。其電路的工作原理：Vscan是低電平時(shí)，此像素被選中，M1、M2導(dǎo)通，Idata通過(guò)M1、M2管對(duì)電容CS充電。當(dāng)電容CS兩端電壓大于M3閾值電壓時(shí)，Idata都通過(guò)M3，由于M3、M4管的柵極電壓相等，M3的電流數(shù)據(jù)Idata被鏡像到M4的工作電流，即IOLED等于Idata。當(dāng)此像素未被選中時(shí)，由電容CS兩端所存儲(chǔ)的電壓維持M4管的柵極電壓，驅(qū)動(dòng)其輸出恒定的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)OLED。

圖4 四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路的原理圖Fig.4 SCH of four-MOS current-programmed driving circuit

相對(duì)于傳統(tǒng)兩管電路，四管電流編程型電路有兩大特點(diǎn)：一是用電流數(shù)據(jù)信號(hào)Idata替換電壓數(shù)據(jù)信號(hào)Vdata；二是電流鏡的設(shè)計(jì)。其主要思想是：讓Idata為驅(qū)動(dòng)管M3、M4的柵極充電使兩管導(dǎo)通而發(fā)揮電流鏡的作用，同時(shí)也讓電流Idata全部流進(jìn)M3漏極，由于鏡像作用，驅(qū)動(dòng)管M4的工作電流IOLED都等于Idata，實(shí)現(xiàn)跟隨功能。因?yàn)镺LED是電流驅(qū)動(dòng)型器件，驅(qū)動(dòng)電流相同，則發(fā)光亮度也相同，從而不僅克服了驅(qū)動(dòng)管閾值電壓不均勻和閾值電壓漂移而引起的顯示器亮度不均勻的問(wèn)題，而且因?yàn)橹苯虞斎氲氖请娏鲾?shù)據(jù)信號(hào)，容易實(shí)現(xiàn)顯示灰度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

圖5 四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路的工作電流曲線圖Fig.5 IOLED of four-MOS current-programmed driving circuit

2.2 測(cè)試結(jié)果

圖5是四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路的傳輸特性，從圖中可以看出：在選通期間，IOLED與電路中驅(qū)動(dòng)管和OLED的參數(shù)無(wú)關(guān)，僅與輸入Idata相關(guān)，表現(xiàn)出很好的跟隨能力，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。由此表明：該四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路基本上比較圓滿地解決了各像素的閾值問(wèn)題[16]。

表3 四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路的工作電流數(shù)據(jù)Table 3 IOLED of four-MOS current-programmed driving circuit

3 結(jié)果討論與分析

針對(duì)OLED有源驅(qū)動(dòng)中顯示亮度的不均勻性問(wèn)題，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和測(cè)試分析，并設(shè)計(jì)制作了具體的實(shí)驗(yàn)裝置。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：恒定電流型電路更穩(wěn)定更節(jié)能；四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路能夠較好地補(bǔ)償因驅(qū)動(dòng)管閾值漂移和OLED閾值分散性和閾值漂移導(dǎo)致的發(fā)光亮度非均勻性，并且能容易地實(shí)現(xiàn)顯示灰度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，這將為OLED照明系統(tǒng)中燈光的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)提供了技術(shù)參考，特別是在植物特征光譜試驗(yàn)儀的光源設(shè)計(jì)中得到具體的應(yīng)用，以滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)光強(qiáng)連續(xù)性調(diào)節(jié)的需要。這種四管電流編程型驅(qū)動(dòng)電路的缺陷在于對(duì)驅(qū)動(dòng)管的工藝要求很高，必須要M3和M4管的各項(xiàng)參數(shù)一致，這在實(shí)際生產(chǎn)中有一定的難度；同時(shí)在低亮度顯示時(shí)，充電時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)滯后問(wèn)題，這將在下一步的工作中繼續(xù)進(jìn)行研究。

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