有源OLED顯示驅(qū)動(dòng)控制電路分析與設(shè)計(jì)

摘要：提高OLED圖像顯示質(zhì)量，是AMOLED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。文章闡述了AMOLED顯示驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理，在給出顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)后分析了門閥電壓補(bǔ)償、OLED衰退補(bǔ)償、電源線IR Drop補(bǔ)償?shù)雀倪M(jìn)型像素電路結(jié)構(gòu)，最后提出一種新型的像素電路設(shè)計(jì)并驗(yàn)證其改進(jìn)效果。

關(guān)鍵詞：AMOLED；薄膜晶體管；像素驅(qū)動(dòng)電路；驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 概述

有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLED）屬于一種新型電流型半導(dǎo)體發(fā)光器件，是通過控制該器件載流子的注入和復(fù)合激發(fā)有機(jī)材料發(fā)光顯示，可分為有源驅(qū)動(dòng)（AMOLED）和無源驅(qū)動(dòng)（PMOLED）兩種驅(qū)動(dòng)方式。與無源驅(qū)動(dòng)相比，有源驅(qū)動(dòng)為每個(gè)子像素配備薄膜晶體管（TFT）和電荷貯存電容，以提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，易于實(shí)現(xiàn)高分辨率和高亮度，具有工作效率高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。AMOLED驅(qū)動(dòng)便于集成在顯示屏內(nèi)，更易于提高電路集成度實(shí)現(xiàn)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(fā)光技術(shù)。與被動(dòng)發(fā)光的液晶（LCD）顯示器相比，自主發(fā)光的OLED顯示器具有響應(yīng)速度快、對(duì)比度高、視角廣等優(yōu)點(diǎn)，并且容易實(shí)現(xiàn)柔性顯示，被業(yè)內(nèi)普遍看好。一致認(rèn)為OLED顯示器極有可能成為下一代顯示技術(shù)的主流產(chǎn)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(gè)子像素的TFT開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)顯示的。兩者的區(qū)別在于：AMOLED顯示是通過TFT控制OLED上的電流改變其發(fā)光亮度；LCD顯示則是通過TFT控制加載在液晶盒兩端電壓調(diào)整其背光的透射率。兩者相比，對(duì)通過TFT驅(qū)動(dòng)電流能力，AMOLED要求更高。OLED對(duì)其驅(qū)動(dòng)電流非常靈敏，微弱的電流變化會(huì)影響其發(fā)光強(qiáng)度，因此要求TFT驅(qū)動(dòng)管能持續(xù)穩(wěn)定地提供工作電流。這對(duì)AMOLED驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求，該要求也提高了對(duì)AMOLED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)。所以在AMOLED技術(shù)的研究工作中，像素驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)質(zhì)量至關(guān)重要，具有實(shí)用價(jià)值和重要意義。

3 AMOLED像素驅(qū)動(dòng)

3.1 AMOLED顯示面板驅(qū)動(dòng)電路基本結(jié)構(gòu)

AMOLED面板顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。根據(jù)接收到的圖像信號(hào)，每個(gè)像素驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立調(diào)控單點(diǎn)像素OLED的發(fā)光強(qiáng)弱，使得顯示面板發(fā)光后重現(xiàn)圖像內(nèi)容。當(dāng)前，驅(qū)動(dòng)芯片的集成化程度很高，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將諸如源極驅(qū)動(dòng)模塊、柵極驅(qū)動(dòng)模塊等多個(gè)功能模塊集成在一顆芯片中。驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部各個(gè)功能模塊由電源管理模塊提供穩(wěn)定的直流工作電壓。各個(gè)功能模塊之間、圖像信號(hào)處理器與驅(qū)動(dòng)芯片之間的信號(hào)傳輸由時(shí)序控制模塊完成。

柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)輸出行掃描信號(hào)，該信號(hào)加載到各個(gè)像素驅(qū)動(dòng)電路中開關(guān)管M1的柵極，逐行開啟像素陣列中的每個(gè)像素電路。源極驅(qū)動(dòng)器同時(shí)提供每個(gè)像素所需要的灰度信號(hào)電壓。當(dāng)開啟某一行柵極開關(guān)管M1后，每個(gè)子像素灰度信號(hào)通過源極驅(qū)動(dòng)器輸出，以電流形式流入驅(qū)動(dòng)管M2，使OLED發(fā)光。此時(shí)，每個(gè)子像素的灰度信號(hào)會(huì)以電壓形式保持在電容C中進(jìn)行存儲(chǔ)，直到下一幀圖像顯示信號(hào)進(jìn)行刷新。R、G、B三個(gè)子像素驅(qū)動(dòng)電路中OLED的發(fā)光強(qiáng)弱和占比決定每個(gè)像素色彩和亮度。時(shí)序控制模塊向源極驅(qū)動(dòng)器和柵極驅(qū)動(dòng)器提供輸出到像素矩陣的圖像顯示信號(hào)和控制信號(hào)。

圖1中顯示的像素驅(qū)動(dòng)電路是最基本的雙TFT結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)管M2的門閾電壓（Vth）偏移后會(huì)導(dǎo)致在面板不同位置的像素驅(qū)動(dòng)管M2產(chǎn)生差異，引起各個(gè)像素OLED上的驅(qū)動(dòng)電流發(fā)生偏差，致使屏幕畫面出現(xiàn)顯示均勻性問題。這種Vth偏移問題對(duì)于現(xiàn)在量產(chǎn)的a-Si、LTPS以及IGZO幾種類型的TFT都會(huì)存在，需要設(shè)計(jì)高性能的像素補(bǔ)償電路來解決。

3.2 門閥電壓補(bǔ)償電路

AMOLED像素電路需要對(duì)TFT驅(qū)動(dòng)管的Vth偏移進(jìn)行補(bǔ)償，改善各管Vth的一致性。LG公司在國際信息顯示學(xué)會(huì)（SID）2009年學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表的一篇關(guān)于AMOLED像素電路的論文，設(shè)計(jì)出一種門閥電壓補(bǔ)償電路。如圖2（a）所示，其像素電路包括5個(gè)TFT和1個(gè)電容（后稱5T1C結(jié)構(gòu)）。因驅(qū)動(dòng)管T4與OLED串接，OLED上的電流與T4的漏極電流相等，依據(jù)TFT在飽和區(qū)的工作特性，OLED上的電流IOLED如下：

在式（1）和式（2）中，K為常量?？梢奜LED上的電流跟TFT驅(qū)動(dòng)管的門閥電壓無關(guān)，從而保證OLED面板顯示質(zhì)量。

3.3 OLED衰退補(bǔ)償電路

在前述的兩種像素驅(qū)動(dòng)電路中，OLED的陽極直接和TFT驅(qū)動(dòng)管的源極相連。對(duì)于N型構(gòu)造的TFT，流經(jīng)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(shí)間后性能衰退會(huì)引起參數(shù)發(fā)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(huì)隨之變化，導(dǎo)致其發(fā)光亮度變化。顯示面板上各個(gè)像素OLED衰退狀態(tài)不同，造成顯示均勻性變差。所以在像素驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮對(duì)OLED衰退后的影響，進(jìn)行補(bǔ)償。

臺(tái)灣國立交通大學(xué)設(shè)計(jì)出的一種針對(duì)OLED衰退進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南袼仳?qū)動(dòng)電路，如圖2（b）所示。該電路包括5個(gè)TFT和1個(gè)電容，和前文給出的門閥電壓補(bǔ)償電路一樣，都是5T1C電路結(jié)構(gòu)，但具體連接方式不同。將該電路中提供對(duì)應(yīng)的柵極和源極的電壓代入式（1）后，可得到如下結(jié)果：

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

3.4 IR Drop補(bǔ)償電路

常溫下，金屬導(dǎo)體電阻為非零值，經(jīng)過該導(dǎo)體的電流會(huì)產(chǎn)生一定的電壓降，這一現(xiàn)象被稱為IR Drop。金屬導(dǎo)線上的IR Drop會(huì)導(dǎo)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(chǎn)生差異，導(dǎo)致面板發(fā)光不均勻，影響圖像顯示質(zhì)量。所以在設(shè)計(jì)像素電路時(shí)，如何消除供電導(dǎo)線上的IR Drop是需要考慮的一個(gè)重點(diǎn)問題。

各家OLED研究機(jī)構(gòu)和面板廠商都在積極研究，尋找消除IR Drop不利影響的技術(shù)方案。圖2（c）是在2009年的SID會(huì)議上由三星公司推出的一個(gè)帶IR Drop補(bǔ)償功能的像素電路。該電路采用5T2C結(jié)構(gòu)，包含了5個(gè)TFT和2個(gè)電容，通過補(bǔ)償消除了OLED陽極供電（ELVDD）線上IR Drop的影響。當(dāng)處于顯示階段時(shí)，流經(jīng)OLED的電流公式如下：

將該電路中對(duì)應(yīng)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(hào)電壓有關(guān)，與ELVDD無關(guān)，從而消除了陽極電壓信號(hào)線上IR Drop的影響。

4 新型AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

由于存在TFT門閥電壓偏移、OLED衰退以及信號(hào)線IR Drop三大因素的影響，在設(shè)計(jì)AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須考慮同時(shí)消除它們的不利影響，從而獲得較優(yōu)的顯示圖像品質(zhì)。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)消除這三種因素對(duì)像素OLED工作電流的不利影響。

4.1 設(shè)計(jì)新型像素驅(qū)動(dòng)電路

圖2（a）給出的TFT門閥補(bǔ)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(shí)，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(guān)閉。當(dāng)Vth≥0V時(shí)，柵源極電壓（Vgs）變?yōu)閂th，TFT關(guān)閉，Vds不變，就可以獲得Vth的值。當(dāng)Vth<0V時(shí)，Vds電壓若為零，TFT無電流，此時(shí)，Vgs=0V，沒有獲得Vth值。因此，當(dāng)TFT的Vth<0V時(shí)，該電路無法獲得Vth值進(jìn)行補(bǔ)償。

改變TFT的連接方式可以解決這個(gè)缺憾。如圖3（b）所示，將TFT柵極和漏極分別被設(shè)定為不同的電壓，對(duì)源極需先設(shè)定一個(gè)初始電壓，該電壓滿足Vds>Vth條件，然后使源極處于浮接狀態(tài)。此時(shí)TFT處于開啟狀態(tài)，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(huì)由柵極電壓（V2）和漏極電壓（V3）的以下兩種狀態(tài)決定，即：（1）當(dāng)V2-Vth>V3時(shí)，源極電位為V3；（2）當(dāng)V2-Vth≤V3時(shí)，源極電位為V2-Vth。

當(dāng)我們?cè)O(shè)定V2-Vth≤V3后，無論Vth為正或?yàn)樨?fù)值都能被獲得。

根據(jù)獲取Vth的這種新方法，在結(jié)合前文給出的幾種補(bǔ)償電路基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種新的像素驅(qū)動(dòng)電路。該電路如圖4（a）所示，采用7T1C電路結(jié)構(gòu)，包括7個(gè)TFT和1個(gè)電容，可以同時(shí)消除前文所述的TFT門閥電壓偏移、OLED衰退以及導(dǎo)線上IR Drop三種因素產(chǎn)生的不利影響。

參照?qǐng)D4（b）中給出的工作時(shí)序，分析該電路各個(gè)時(shí)序階段的工作情況：（1）t1階段：前一行掃描線控制信號(hào)（Scan_n-1）端輸入高電平，開關(guān)管M1和M2被開啟，對(duì)儲(chǔ)存電容C兩端的電壓進(jìn)行初始化。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)管M_Drive各極電壓被設(shè)置為初始值，設(shè)定Vds>Vth；（2）t2階段：當(dāng)前行掃描線控制信號(hào)（Scan_n）端輸入高電平，開關(guān)管M5和M6被開啟，驅(qū)動(dòng)管M_Drvie的柵極PG點(diǎn)通過M6接通VSUS，數(shù)據(jù)信號(hào)電壓（Vdata）加載到儲(chǔ)存電容C左端的PD點(diǎn)。此時(shí)，Emit_n端輸入為低電平，M4關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)管M_Drive的源極（PS點(diǎn)）處于浮接狀態(tài)，符合前文給出的獲取Vth改進(jìn)后方式的條件。PS點(diǎn)電位被設(shè)置為，儲(chǔ)存電容C兩端的壓差為；（3）t3階段：Emit_n端輸入高電平，同時(shí)開啟M3和M4，PG和PD兩點(diǎn)通過M3相連，電位相等。開啟M4后，PS點(diǎn)的電位發(fā)生變化。由于PG和PD兩點(diǎn)電位相等無電流進(jìn)出，經(jīng)電容C耦合，PD和PS之間的電壓差維持在。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)管門閥值、OLED門閥值以及供電電壓均無關(guān)聯(lián)，可以滿足電路設(shè)計(jì)要求。

4.2 新型像素驅(qū)動(dòng)電路仿真

為了驗(yàn)證電路的實(shí)際補(bǔ)償效果，使用模擬軟件對(duì)上述新型像素電路進(jìn)行了仿真。分別按驅(qū)動(dòng)管閥值偏移、OLED閥值偏移以及供電線的IR Drop三種情況進(jìn)行了模擬，觀測OLED上電流的變化。模擬時(shí)設(shè)置的具體TFT和OLED模型參數(shù)是由器件廠商從實(shí)物中萃取。三種模擬結(jié)果分別參見圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）：（1）TFT閥值偏移的模擬結(jié)果：如圖5（a）所示，Vth被設(shè)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(jié)果：因OLED衰退會(huì)引起其門閥電壓變化，而門閥電壓和陰極電位（VSS）的變化對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的影響是等效的，所以我們是通過調(diào)整VSS電位進(jìn)行模擬的。如圖5（b）所示，設(shè)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(jié)果：可以通過設(shè)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(diào)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(jié)語

像素驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性是AMOLED圖像顯示品質(zhì)的關(guān)鍵，因此在電路設(shè)計(jì)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(hào)線上IR Drop。本文在綜合了現(xiàn)有的幾種像素電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)型7T1C結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路。經(jīng)過仿真模擬，結(jié)果表明該電路基本不受上述三種因素的影響，達(dá)到像素驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)初衷的目的。

當(dāng)前，彩色AMOLED顯示屏主要分為白光+彩色濾光膜和RGB子像素獨(dú)立發(fā)光兩種方式。與前者相比，后者有許多優(yōu)勢。但是由于RGB三種不同發(fā)光材料的退化周期不同，將會(huì)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(shí)，還需針對(duì)因三基色退化引起的白平衡變差現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償。以亮度衰減一半所需的時(shí)間定義為發(fā)光器件的半衰期，不同有機(jī)發(fā)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(lán)光OLED比較穩(wěn)定。RGB子像素獨(dú)立發(fā)光的OLED面板在工作一段時(shí)間后，屏幕圖像紅色逐漸減弱，顏色會(huì)偏藍(lán)，引起圖像色度坐標(biāo)變化和亮度衰減。使用線性補(bǔ)償法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三基色退化造成的白平衡影響進(jìn)行補(bǔ)償，但這種方法是以犧牲亮度為代價(jià)的。

隨著社會(huì)和科技的進(jìn)步，用戶對(duì)圖像顯示品質(zhì)有更高的要求。在新一代的OLED顯示領(lǐng)域中，本文所做的工作只是冰山一角，還有許多難點(diǎn)亟需繼續(xù)探討和完善。

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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(fā)中心高級(jí)工程師，碩士，研究方向：新一代平板顯示智能影音系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）