2T1C像素電路的AM OLED數(shù)字驅(qū)動方法研究

賈一鳴，屠震濤，張小寧*，梁志虎，李純懷，溫亦謙，彭威臣，朱立偉

2T1C像素電路的AM OLED數(shù)字驅(qū)動方法研究

賈一鳴1，屠震濤1，張小寧1*，梁志虎1，李純懷2，溫亦謙2，彭威臣2，朱立偉2

(1．西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點實驗室，陜西西安710049; 2．深圳市華星光電技術(shù)有限公司，廣東深圳518132)

為了改善由于像素間TFT特性不同導(dǎo)致的有源矩陣有機發(fā)光顯示(AM OLED)亮度不均勻現(xiàn)象，研究了基于2T1C像素電路的邊尋址邊顯示(Address While Display，AWD)數(shù)字驅(qū)動方法，該方法采用等權(quán)重的11子場累積式發(fā)光方式，并用有序抖動方法實現(xiàn)256灰度級。通過在14 cm(5．5 in)的AM OLED模組上對該方法的實現(xiàn)和驗證，結(jié)果表明，數(shù)字驅(qū)動方法在0～255灰度區(qū)間的不均勻性最大為28%，對灰度變化不敏感，而模擬驅(qū)動的不均勻性隨灰度級的降低顯著增大，最大為133%。數(shù)字驅(qū)動顯示圖像的均勻性顯著優(yōu)于模擬驅(qū)動，且采用基本的2T1C像素電路即可實現(xiàn)，降低了對像素電路和制備成本的要求。

AM OLED;像素電路;數(shù)字驅(qū)動;FPGA

1 引言

有機發(fā)光顯示(OLED，Organic Light Emitting Display)具有輕薄、寬視角、低功耗、響應(yīng)速度快等特點，最有希望實現(xiàn)柔性顯示［1-3］。根據(jù)驅(qū)動方式的不同，OLED可分為無源矩陣(PM OLED)和有源矩陣(AM OLED)兩種［4］。AM OLED最簡單的像素電路由2個具有開關(guān)功能的薄膜晶體管(TFT)和1個儲存電荷的電容(C)組成，根據(jù)TFT和C的數(shù)量，可把像素電路簡稱為2T1C［5］。AM OLED的驅(qū)動方法可分為模擬驅(qū)動和數(shù)字驅(qū)動兩種，驅(qū)動IC和比較簡單的外圍電路一般集成在同一玻璃基板上［6］。在AM OLED模擬驅(qū)動方法中，通過控制TFT柵極電壓來控制流過像素發(fā)光單元的電流，從而實現(xiàn)所需的灰度級顯示。由于不同像素間的TFTs特性參數(shù)很難完全一致，因此在相同的數(shù)據(jù)信號電壓下，每個發(fā)光單元的電流大小不同，這會導(dǎo)致同一灰度級在屏的不同位置顯示的亮度不均勻。為了解決該問題，可在像素電路中增加額外的TFT和電容組成補償電路［7-11］。此外，還可以通過AM OLED顯示屏的外部電路對數(shù)據(jù)信號進行分離、存儲、處理及補償［12］。然而，各種補償電路的存在增加了工藝的復(fù)雜度，降低了像素單元的透過率，增加了成本，也限制了面板分辨率的提高。

AM OLED數(shù)字驅(qū)動方法不同于模擬驅(qū)動方法，數(shù)字驅(qū)動中的數(shù)據(jù)信號電壓只取獲得最大電流和最小電流的兩個電壓值，在這兩個電壓下，不同像素點間的電流因閾值電壓漂移引起的差異很小，所以像素點間具有很高的一致性。因此，數(shù)字驅(qū)動方法對像素電路的均勻性要求大大降低。論文在只有綠色發(fā)光層的14 cm(5．5 in)2T1C像素電路、720×1280分辨率的AM OLED模擬驅(qū)動模組上，研究并實現(xiàn)了邊尋址邊顯示(Address While Display，AWD)的數(shù)字驅(qū)動方法，并比較了數(shù)字驅(qū)動和模擬驅(qū)動的圖像顯示效果和在不同灰度級下的不均勻性，結(jié)果表明數(shù)字驅(qū)動的均勻性明顯優(yōu)于模擬驅(qū)動，可用于簡單的2T1C像素電路。由于數(shù)字驅(qū)動尋址的次數(shù)多于模擬驅(qū)動，因此功耗增加。

2 AM OLED數(shù)字驅(qū)動方法

2．1AM OLED數(shù)字驅(qū)動方法原理

數(shù)字驅(qū)動方法采用發(fā)光時間調(diào)制方式實現(xiàn)不同的灰度級，即:單位時間內(nèi)發(fā)光時間越長，占空比越大，人眼感知的亮度越高。通常的實現(xiàn)方式是:將一幀圖像分為幾個子場，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)信號控制每個像素在每個子場是否發(fā)光，通過子場組合產(chǎn)生不同的灰度等級。AM OLED可用的數(shù)字驅(qū)動方法主要有兩種:尋址與顯示分離(Address Display Separate，ADS)方法和AWD兩種。ADS驅(qū)動方法中，每個子場的所有行依次尋址，待所有行尋址全部完成后，全屏統(tǒng)一開始進行顯示。對于AWD方法來說，每個子場的任一行尋址過后，就立即開始發(fā)光顯示，直到下一子場被尋址后才改變顯示狀態(tài)。

圖1為論文數(shù)字驅(qū)動采用的AM OLED模組及等權(quán)重AWD方法的原理。其中，圖1(a)的模組信息主要包括:2T1C像素電路原理，實現(xiàn)灰度顯示的方法和時序。因為模組全屏R、G、B都是綠色發(fā)光層，因此尋址時，R、G、B同時尋址，具體工作原理是:尋址信號GATE使T1導(dǎo)通，數(shù)據(jù)信號SOURCE加載到T2的柵極控制流過OLED的電流，實現(xiàn)不同灰度級;由于電容C的存在，數(shù)據(jù)信號SOURCE將保持在T2的柵極直到下一次尋址。對于數(shù)字驅(qū)動，數(shù)據(jù)信號SOURCE只取最大和最小兩個值，分別使T2工作在TFT轉(zhuǎn)移特性曲線的截止區(qū)和飽和區(qū)，即工作在狀態(tài)‘0’和狀態(tài)‘1’?；?T1C像素電路AM OLED模組沒有用于擦除的掃描電極，被點亮的像素會持續(xù)發(fā)光到再次被尋址時，因此，每一子場的發(fā)光長度取決于下一次尋址到來的時間。

由于圖1(a)模組工作在灰度顯示模式下，掃描一行的最快速率為1．139 μs，掃描全屏1 280行所需的時間1．458 ms，對于60 Hz的場頻，最多可以分為11個子場。如果采用ADS驅(qū)動方法，一場顯示的理論時間只有大約0．6 ms，即使通過減小子場數(shù)增加顯示時間，也比模擬驅(qū)動的顯示時間短很多，導(dǎo)致顯示亮度大幅度降低。同時，ADS驅(qū)動時，全屏同時發(fā)光或熄滅，流經(jīng)OLED面板電流的突變?nèi)菀讓?dǎo)致電流沖擊、干擾、散熱等問題。

如果采用AWD的數(shù)字驅(qū)動方法，顯示時間和模擬驅(qū)動相當(dāng)，同時也避免了全屏同時發(fā)光或熄滅。如圖1(b)所示，為了使控制時序簡單，可以使AWD各子場的權(quán)重相同，每個子場的顯示時間都為1．458 ms。為了達到消除動態(tài)假輪廓的目的，采用累積式編碼來實現(xiàn)不同灰度級，通過控制每個像素在11個子場中的發(fā)光情況，可以實現(xiàn)12個灰度級，其它不能直接顯示的灰度級采用有序抖動的方法實現(xiàn)。

圖1 AM OLED模組及等權(quán)重AWD方法的原理Fig．1AM OLED module and principle of AWD method

2．2AM OLED數(shù)字驅(qū)動方法設(shè)計與實現(xiàn)

AWD數(shù)字驅(qū)動方法的驅(qū)動電路基本架構(gòu)如圖2所示，驅(qū)動控制模塊以FPGA為核心，包含了動態(tài)存儲器DDR、HDMI解碼、LVDS編碼、FLASH以及OLED驅(qū)動IC輸出等。輸入的HDMI視頻信號解碼為數(shù)字視頻信號，再經(jīng)過FPGA的處理與DDR的讀寫分離，輸出適用于數(shù)字驅(qū)動的子場圖像數(shù)據(jù)和控制信號。電壓輸出模塊主要由3組基于I2C的可編程電源芯片組成，為OLED面板提供多種工作電壓以及Gamma參考電壓。在模擬驅(qū)動方法中，Gamma的9個參考電壓取值由圖像數(shù)據(jù)、加在像素單元的電壓、以及對應(yīng)的顯示亮度三者之間的關(guān)系確定，使輸入灰度級和輸出亮度的關(guān)系滿足Gamma曲線。在數(shù)字驅(qū)動方法中，由于Gamma變換通過FPGA實現(xiàn)，因此，只需要最大和最小2個Gamma參考電壓。為使像素電路穩(wěn)定地工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，即‘0’和‘1’狀態(tài)，數(shù)字驅(qū)動方法中較小和較大Gamma參考電壓取值應(yīng)比模擬驅(qū)動方法中最小和最大Gamma參考電壓值分別小一些和大一些，一般差值約為1 V左右。

圖2 OLED驅(qū)動電路硬件架構(gòu)示意圖Fig．2Hardware structure of OLED driving circuit

實現(xiàn)數(shù)字驅(qū)動的FPGA軟件架構(gòu)如圖3所示，其主要功能就是接收數(shù)字視頻信號數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行處理并轉(zhuǎn)化為數(shù)字驅(qū)動所需要的子場編碼數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生數(shù)字驅(qū)動所需要的控制信號。FPGA軟件主要由圖像處理、數(shù)據(jù)處理以及驅(qū)動控制三個相對獨立的模塊構(gòu)成。圖像處理模塊負責(zé)對輸入圖像進行處理:把輸入圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到FPGA系統(tǒng)時鐘下;RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為灰度顯示所需的數(shù)據(jù);數(shù)字驅(qū)動的Gamma轉(zhuǎn)換;采用有序抖動的方法將11子場無法直接顯示出來的灰度級表達出來;圖像數(shù)據(jù)到AWD尋址數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理模塊負責(zé)對尋址數(shù)據(jù)的時序進行處理，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為子場數(shù)據(jù)，并將子場數(shù)據(jù)存入DDR進行緩存，同時負責(zé)讀取上一子場數(shù)據(jù)送入后續(xù)模塊進行顯示。這些功能主要通過子場分離，DDR初始化，讀寫模塊和讀寫選擇子模塊來實現(xiàn)。驅(qū)動控制模塊負責(zé)根據(jù)Source Driver和Gate Driver的時序需求將尋址數(shù)據(jù)和控制信號發(fā)送給OLED面板完成圖像顯示，其輸入是由數(shù)據(jù)處理模塊輸出的尋址數(shù)據(jù)，輸出是Source Driver和Gate Driver的控制信號。

圖3 FPGA軟件的基本結(jié)構(gòu)Fig．3Software architecture of FPGA

3 結(jié)果與討論

論文在AM OLED顯示屏上實現(xiàn)了11子場12灰度的數(shù)字驅(qū)動顯示，并通過抖動技術(shù)實現(xiàn)了256個灰度級。圖4是模擬驅(qū)動和數(shù)字驅(qū)動的顯示結(jié)果對比，從圖中可以看出，對于2T1C像素電路驅(qū)動的OLED顯示屏，模擬圖片顯示的灰度出現(xiàn)了明顯的不均勻性，特別是對于大面積較為均勻的背景，看起來就像一塊弄臟了的玻璃。由于數(shù)字驅(qū)動的每個子場相當(dāng)于只用到了最高灰度級和最低灰度級對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)電壓，顯示效果較為均勻一致。雖然受限于掃描尋址的速度和掃描驅(qū)動結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的模擬驅(qū)動模組上還沒辦法實現(xiàn)更多的灰度級，但實驗結(jié)果可以表明，數(shù)字驅(qū)動對像素電路的要求顯著降低，不均勻性也有明顯改善。

圖4 模擬及數(shù)字驅(qū)動顯示均勻性比較Fig．4Uniformity of displayed image between analog and digital driving methods

為比較數(shù)字驅(qū)動和模擬驅(qū)動在不同灰度級下的不均勻性，使全屏分別顯示32-64-96-128-160-192-224-255這8種灰度級，根據(jù)國家標準GB/T 20871．61-2013《有機發(fā)光二極管顯示器第6-1部分:光學(xué)和光電參數(shù)測試方法》的規(guī)定，用CA2000彩色分析儀測量并計算亮度不均勻性，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，數(shù)字驅(qū)動在各個灰度級的不均勻性基本一致，而模擬驅(qū)動在低灰度級的不均勻性非常嚴重，隨著灰度級的增加不斷減輕。因此，數(shù)字驅(qū)動對不均勻性的改善非常顯著。

表1 不同灰度級的數(shù)字和模擬驅(qū)動不均勻性比較Tab．1Non-uniformity of different grays between analog and digital driving methods

此外，我們還比較了數(shù)字和模擬驅(qū)動的功耗，分別測量2塊14 cm(5.5 in)AM OLED面板在全屏顯示255和0灰度級時的功耗，兩者之差為不同驅(qū)動方法實際消耗的功耗，結(jié)果如表2所示。數(shù)字驅(qū)動的實際功耗大于模擬驅(qū)動，主要原因是數(shù)字驅(qū)動共計采用了11個子場，也就是要全屏尋址11次，而模擬驅(qū)動只有1次。同時，數(shù)字驅(qū)動時，同一像素在不同子場之間點亮或熄滅狀態(tài)可能不同，會使儲存電容C不斷通過TFT充放電，產(chǎn)生額外的功耗。

表2 模擬和數(shù)字驅(qū)動的功耗比較(單位:W)Tab．2Comparison of power consumption between analog and digital driving methods(unit:W)

4 結(jié)論

論文在14 cm(5.5 in)分辨率為720×1 280的AM OLED模擬驅(qū)動模組上，研究并實驗了等權(quán)重11子場累積式發(fā)光的AWD數(shù)字驅(qū)動方法。實驗結(jié)果表明，數(shù)字驅(qū)動方法在0～255灰度區(qū)間的不均勻性最大為28%，而模擬驅(qū)動的不均勻性最大為133%。模擬驅(qū)動顯示圖像的不均勻性隨灰度級的降低越來越嚴重，數(shù)字驅(qū)動的不均勻性對灰度變化不敏感，數(shù)字驅(qū)動顯示圖像的均勻性顯著優(yōu)于模擬驅(qū)動。由于數(shù)字驅(qū)動在單位時間內(nèi)的尋址次數(shù)多于模擬驅(qū)動，因此功耗高于模擬驅(qū)動。

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Digital driving method for AM OLED with pixel circuit of 2T1C

JIA Yi-ming1，TU Zhen-tao1，ZHANG Xiao-ning1*，LIANG Zhi-hu1，LI Chun-huai2，WEN Yi-qian2，PENG Wei-chen2，ZHU Li-wei2
(1．Key Laboratory of Physical Electronics and Devices of the Ministry of Education，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China; 2．Shenzhen China Star Optoelectronics Technology Co．，Ltd，Shenzhen 518132，China)

In order to improve the uniform brightness of Active Matrix Organic Light Emitting Display(AM OLED)caused by the difference characteristic of TFTs’among pixels，digital driving methods of Address While Display(AWD)based on accumulated lighting using 11 equal weight subfields and order dither to realize 256 gray scales was investigated and implemented on AM OLED module of 5．5 inches with pixel circuit of 2T1C．The experimental results of gray scales(0～255)show that digital driving is insensitive to gray scales and the maximum value of non-uniform brightness is 28%．It is increased as gray scale increasing and the maximum value reaches to 133%by using analog driving．The uniform of displayed image using digital driving is superior to that using analog driving and easy to be implemented based on pixel circuit of 2T1C．The complexity to pixel circuit and processing cost will be decreased．

AM OLED;pixel circuit;digital driving;FPGA

TN27;TN702

A

10．3788/YJYXS20153004．0655

賈一鳴(1991－)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事平板顯示圖像處理和驅(qū)動技術(shù)的研究。E-mail:jiayiming．951@stu．xjtu．edu．cn

1007-2780(2015)04-0655-05

2014-12-17;

2015-02-06．

國家自然科學(xué)基金(No．61372018)

*通信聯(lián)系人，E-mail:znn@mail．xjtu．edu．cn