金 薇，吳振英

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

有機(jī)發(fā)光顯示器(OLED)具有對(duì)比度高、亮度高、能耗低、視角寬、響應(yīng)快、工藝簡(jiǎn)單、小薄輕、全彩堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今平板顯示領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。OLED在手機(jī)、掌上PDA、數(shù)碼產(chǎn)品、車載設(shè)備、電視以及軍事儀器儀表等方面的高質(zhì)量顯示中應(yīng)用前景廣泛。

OLED通過(guò)包含R，G，B三基色的OLED亞像素組成基本彩色像素單元。OLED顯示器的驅(qū)動(dòng)方式分為無(wú)源驅(qū)動(dòng)(Passive Matrix，PM)和有源驅(qū)動(dòng)(Active Matrix，AM)。PM－OLED結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、成本小、價(jià)格低主要用于低質(zhì)要求的簡(jiǎn)單信息顯示。AM－OLED適用于信息含量大、分辨率高的全彩色高品質(zhì)畫(huà)面顯示設(shè)備。AM－OLED顯示屏應(yīng)用多晶硅薄膜晶體管(p－Si TFT)將外圍驅(qū)動(dòng)電路集成在其周邊，使每一個(gè)像素都保持選通并由TFT驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，又稱 TFT－OLED［1］。

雖然TFT－OLED顯示技術(shù)在相關(guān)器件的穩(wěn)定性和可靠性方面取得了一些成績(jī)，但其配套驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)發(fā)還相對(duì)較少，市場(chǎng)的專用驅(qū)動(dòng)芯片品牌稀少，品種單一，價(jià)格昂貴。因此如何基于現(xiàn)有較為成熟完善的TFT－LCD驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并將其運(yùn)用于TFT－OLED的驅(qū)動(dòng)現(xiàn)實(shí)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文設(shè)計(jì)了基于FPGA和TFT－LCD芯片的外圍驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了AM－OLED的64×3×80顯示屏的彩色圖像顯示。

1 AM－LCD驅(qū)動(dòng)原理

LCD的工作機(jī)理是:LCD加載外電場(chǎng)時(shí)，液晶分子方向布局的改變引起通透光透過(guò)率的變化，其外部表現(xiàn)為顯示屏的亮度變化。圖1是AM－LCD像素驅(qū)動(dòng)電路原理。掃描線端口輸入高電平啟動(dòng)開(kāi)關(guān)管T，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)線端口同步輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮像素并向電容C充電。當(dāng)掃描線端口換接低電壓時(shí)T截止，像素靠電容C放電維持透光［2］。TFT－LCD矩陣采用逐行掃描方式工作。

圖1 AM－LCD像素驅(qū)動(dòng)原理圖

2 AM－OLED驅(qū)動(dòng)原理

圖2所示為AM－OLED像素驅(qū)動(dòng)原理圖。與圖1相比，圖2中多了一個(gè)晶體管T2，掃描線端口輸入高電平啟動(dòng)開(kāi)關(guān)管T1，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)線端口同步輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)電壓信號(hào)，一方面向電容C充電，另一方面控制流過(guò)T2的電流的大小。當(dāng)掃描線端口換接低電壓、T1截止時(shí)，由電容C為T(mén)2管提供柵極電壓，通過(guò)控制T2的漏極電流，可以維持像素發(fā)光并調(diào)節(jié)亮度［1］。

圖2 AM－OLED像素驅(qū)動(dòng)原理

R，G，B三基色OLED像素需要進(jìn)行白平衡亮度調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色顯示［3］。表1中是白平衡時(shí)實(shí)測(cè)的3種顏色OLED的工作范圍和驅(qū)動(dòng)電路數(shù)據(jù)線的輸入電壓范圍。

表1 白平衡時(shí)OLED工作范圍與驅(qū)動(dòng)電壓范圍

OLED被施加外電壓負(fù)荷時(shí)，從“+”“－”極進(jìn)入的電子與空穴相遇并激發(fā)發(fā)光分子，經(jīng)輻射弛豫發(fā)出可見(jiàn)光。圖3為OLED的R像素的V－L(電壓－亮度)和V－J(電壓－電流密度)關(guān)系曲線，從中可以看出，OLED中LV不呈線性比例，因此在圖像數(shù)據(jù)編碼時(shí)不能通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)改變其發(fā)光亮度。但是OLED作為一種電流型半導(dǎo)體發(fā)光器件，它隨電流變化較為穩(wěn)定，L－J大致成正比例關(guān)系。通過(guò)控制流過(guò)OLED的電流可以改變OLED像素的亮度，從而實(shí)現(xiàn)彩色AM－OLED顯示［4］。

圖3 OLED的R像素的V－L和V－J關(guān)系曲線

3 OLED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 顯示屏驅(qū)動(dòng)原理

AM－OLED顯示屏顯示方式為逐行掃描，通過(guò)把行、列掃描驅(qū)動(dòng)電路集成到AM－OLED顯示屏周邊，達(dá)到精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)、減少引線的目的。AM－OLED顯示屏原理如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電路在行、列掃描有效時(shí)為各個(gè)像素提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓，即產(chǎn)生行、列驅(qū)動(dòng)移位脈沖和移位起始脈沖［5］。

圖4 AM－OLED顯示屏原理圖

3.2 驅(qū)動(dòng)芯片選擇［2］

用LCD驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)OLED的驅(qū)動(dòng)，必須滿足以下要求:LCD顯示屏和OLED顯示屏的驅(qū)動(dòng)原理相似;LCD驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)能力符合OLED顯示屏對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求。圖1和圖2表明LCD和OLED顯示屏都是有源矩陣結(jié)構(gòu)，采用逐行掃描的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)原理類似。LCD的驅(qū)動(dòng)芯片常用的是SUMSUNG公司開(kāi)發(fā)的行驅(qū)動(dòng)芯片S6C0655和列驅(qū)動(dòng)芯片S6C0671，這兩種芯片的相關(guān)參數(shù)均能滿足OLED顯示屏對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求。

3.2.1 列驅(qū)動(dòng)芯片S6C0671

圖5是列驅(qū)動(dòng)芯片S6C0671的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)。該芯片主要由64 bit移位寄存器、數(shù)據(jù)控制器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)鎖存器、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)輸出緩沖器組成。

Y001－Y384為輸出驅(qū)動(dòng)端口，每個(gè)管腳輸出64級(jí)灰度。每個(gè)彩色像素由3個(gè)R、G、B子像素組成，每個(gè)子像素由一個(gè)管腳單獨(dú)控制，每個(gè)像素有256級(jí)灰度，這樣，可顯示16777 216種顏色;SHL控制數(shù)據(jù)位移方向，當(dāng)其為高電平時(shí)，DIO1為初始脈沖輸入端，DIO2為初始脈沖輸出端，輸入數(shù)據(jù)方向由Y001向Y384。當(dāng)其為低電平時(shí)則相反;POL是極性輸入端口，當(dāng)其為低電平時(shí)，所有奇數(shù)列輸出電壓范圍是VGMA1～VGMA9，所有偶數(shù)列輸出電壓范圍是VGMA10～VGMA18，當(dāng)其為高電平時(shí)，奇偶數(shù)列情況顛倒;CLK1脈沖用于鎖存數(shù)據(jù);CLK2脈沖用于將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中;VDD1用于邏輯電壓的輸入;VDD2用于驅(qū)動(dòng)電壓的輸入。

圖5 S6C0671芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

3.2.2 行驅(qū)動(dòng)芯片S6C0655

S6C0655是SUMSUNG公司開(kāi)發(fā)的TFT液晶顯示器行驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖6所示。該芯片由128 bit移位寄存器、輸出端狀態(tài)控制器、輸出緩沖器組成。

圖6 S6C0655芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

S6C0655有2種輸出模式，當(dāng)120/128端為低電平時(shí)，芯片為128路輸出模式;當(dāng)120/128口為高電平時(shí)，芯片為120路輸出模式(其中G061～G68空置)。U/D是移位方向控制端，當(dāng)端口為高電平時(shí)，移位方向是:初始脈沖→DI/O→G001→G002→…→G127→G128→DO/I;當(dāng)端口為低電平時(shí)則相反。CPV是移位時(shí)鐘輸入端，移位寄存器由CPV上升沿觸發(fā)。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

OLED驅(qū)動(dòng)電路的基本原理是:當(dāng)行選通信號(hào)處于使能狀態(tài)期間，列驅(qū)動(dòng)芯片S6C0671中的數(shù)據(jù)線塊依次呈選通狀態(tài)，在此期間外部不同的電壓水平數(shù)據(jù)輪番施加在各個(gè)OLED像素電路上，從而導(dǎo)致流過(guò)OLED的電流也呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)顯示屏亮度顯示差異。

基于以上論述，選用 FPGA控制器、驅(qū)動(dòng)芯片S6C0671和S6C0655、外圍電路(由譯碼器、鎖存器等組成)構(gòu)成AM－OLED驅(qū)動(dòng)電路，其原理圖如圖7所示［6］。

圖7 AM－OLED驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖8 FPGA工作流程圖

在圖7驅(qū)動(dòng)電路原理圖中，F(xiàn)PGA控制器是電路的核心，提供E2PROM，外圍電路，S6C0655和S6C0671所需的控制信號(hào)，并完成數(shù)據(jù)的傳輸，工作流程如圖8所示。電路工作時(shí)，F(xiàn)PGA從E2PROM中讀取X字節(jié)數(shù)據(jù)經(jīng)外圍電路傳給S6C0671，S6C0671芯片將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中，F(xiàn)PGA控制S6C0655發(fā)出行掃描信號(hào)和Block信號(hào)，并給S6C0671輸人CLK1，CLK1上升前沿到來(lái)，數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)被鎖存并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后經(jīng)輸出緩沖器傳輸給顯示屏，即完成了一幀的顯示，這個(gè)過(guò)程周而復(fù)始即形成了連續(xù)的顯示畫(huà)面［7］。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于OLED的應(yīng)用情況，對(duì)AM－LCD和AMOLED的驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了深入的闡述，并結(jié)合理論進(jìn)行了基于TFT－LCD芯片的AM－OLED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。本文對(duì)基于現(xiàn)有成熟完善的TFT－LCD驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行改進(jìn)應(yīng)用于TFT－OLED的電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方面具有一定的參考價(jià)值。

通過(guò)本文的分析研究，TFT－LCD驅(qū)動(dòng)芯片經(jīng)以少許改動(dòng)后可以方便的應(yīng)用于AM－OLED顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路中。實(shí)際應(yīng)用中還有許多方法可以實(shí)現(xiàn)此類設(shè)計(jì)目的，本文中的闡述僅是這方面應(yīng)用的一個(gè)簡(jiǎn)單舉例，希望能夠起到拋磚引玉的作用。

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