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(dòng)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(diǎn)，既可應(yīng)用于個(gè)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(dá)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(shí)現(xiàn)OLED 微顯示像素驅(qū)動(dòng)電路所需的小電流是設(shè)計(jì)像素驅(qū)動(dòng)電路的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，提出了以下幾個(gè)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(duì)電路的設(shè)計(jì)和工藝要求高；

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

（3）增 加 分 流MOS 法［6］，其 缺 點(diǎn) 是 造 成MOS管支路電流的浪費(fèi)，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(shí)流過OLED 的電流是恒定的?；叶日{(diào)節(jié)是通過時(shí)間比率灰度法實(shí)現(xiàn)的，即通過控制OLED 的發(fā)光時(shí)間來實(shí)現(xiàn)不同的灰度等級(jí)，發(fā)光時(shí)間的長短決定了灰度等級(jí)的高低［7］。此像素電路結(jié)構(gòu)簡單、完全是由數(shù)字信號(hào)控制、發(fā)光時(shí)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(chǔ)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(diǎn)是CS的左端，B 點(diǎn)是CS的右端和反相器的輸入端，C 點(diǎn)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(diǎn)的電壓）足夠小，則可使N1關(guān)斷、P1導(dǎo)通。此時(shí)相當(dāng)于VDD經(jīng)過P1來驅(qū)動(dòng)OLED，會(huì)有一個(gè)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(shí)C 點(diǎn)通過N1接地，沒有電流流過OLED，OLED 不發(fā)光。

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

下面對(duì)兩種情況進(jìn)行說明：

圖2 開啟子場(chǎng)中各信號(hào)時(shí)序圖Fig.2 Signals timing diagram（on－state sub－frame）

（1）開啟子場(chǎng)

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

第二階段：SCAN 信號(hào)仍然處于高電平，SELECT 信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，DATA 信號(hào)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(diǎn)懸空，由于A 點(diǎn)電壓仍然為VDATA，所以B 點(diǎn)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(diǎn)的電壓為0，OLED 不發(fā)光；

圖3 關(guān)閉子場(chǎng)中各信號(hào)時(shí)序圖Fig.3 Signals timing diagram（off－state sub－frame）

第三階段：SCAN 信號(hào)仍然處于高電平，SELECT 信號(hào)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(diǎn)懸空，由于A 點(diǎn)電壓變?yōu)?，所以B 點(diǎn)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(diǎn)的電壓為VDD，OLED發(fā)光；

第四階段：SCAN 信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，SELECT信號(hào)仍然處于高電平。N2和P2均關(guān)閉狀態(tài)。A點(diǎn)和B 點(diǎn)均懸空，A 點(diǎn)電壓保持在0，所以B 點(diǎn)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(diǎn)的電壓仍然為VDD，OLED 繼續(xù)發(fā)光。

（2）關(guān)閉子場(chǎng)

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

如果需要的灰度等級(jí)數(shù)目為n（n＝2k），那么一幀信號(hào)需要分為k 個(gè)子場(chǎng)SF1，SF2，SF3......SFk。如果幀周期是T，那么各個(gè)子場(chǎng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為：

在本文中，n＝64，T＝20ms。

需要注意的是，即使在開啟子場(chǎng)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(shí)間小于每一行的掃描時(shí)間，如圖3所示。對(duì)于一個(gè)SVGA（600×800）的微顯示器，設(shè)開啟子場(chǎng)中OLED 的發(fā)光時(shí)間為tL－SFi，不發(fā)光時(shí)間為tNL－SFi，所以有：

表1 開啟子場(chǎng)，發(fā)光時(shí)間，灰度等級(jí)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(gè)二極管D 和一個(gè)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(duì)于幀周期為20ms，子場(chǎng)SF6的時(shí)間最長為10.158ms。存儲(chǔ)電容CS應(yīng)該在這段時(shí)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(jí)別，電壓為5V，所以存儲(chǔ)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(jí)灰度的仿真結(jié)果，對(duì)于21級(jí)灰度，OLED 在第1，3，5子場(chǎng)是開啟子場(chǎng)，第2，4，6子場(chǎng)是關(guān)閉子場(chǎng)。并且OLED 發(fā)光時(shí)流過OLED 的電流是恒定的。原因如下：

當(dāng)OLED發(fā)光時(shí)，N1處于關(guān)閉狀態(tài)，P1處于導(dǎo)通狀態(tài)，B 點(diǎn)處于低電平，C 點(diǎn)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(jí)時(shí)，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(shí)［9］，VDS仍 然 是 小 于10－8V。也就是說閾值電壓變化時(shí)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(duì)OLED 的電流的影響可以忽略不計(jì)。

通過分析，可以看出只需改變各信號(hào)的時(shí)序，便可實(shí)現(xiàn)不同的開啟子場(chǎng)的組合，所以64級(jí)灰度（0～63）即可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)OLED 發(fā)光時(shí)，流過OLED 的電流為35.3nA，電流密度為11.8mA／cm2，對(duì)應(yīng)的亮度為1 500cd／m2。

圖5 21級(jí)灰度的信號(hào)時(shí)序圖和OLED 的發(fā)光時(shí)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(dòng)電路，通過分子場(chǎng)掃描的方法來控制OLED的發(fā)光時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的灰度等級(jí)。并且在像素電路中，OLED 發(fā)光時(shí)流過的電流是恒定的，并且對(duì)閾值電壓的變化不敏感。相對(duì)于傳統(tǒng)的硅基OLED的像素驅(qū)動(dòng)電路，此方案結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、完全由數(shù)字信號(hào)控制，能實(shí)現(xiàn)精確的灰度調(diào)節(jié)。

［1］ Howard W E，Prache O F.Microdispalys based upon organic light－emitting diode［J］.IBM Journal of Research and Development，2001，45（1）：115－127.

［2］ Liu Y Y，Geng W D，Dai Y P.OLED－on－silicon chip with new pixel circuit［J］.Journal of Central South University of Technology，2012，19（5）：1276－1282.

［3］ Levy G B，Evans W，Ebner J，et al.An 852×600pixel OLED－on－silicon color microdisplay using CMOS subthreshold－voltage－scaling current drivers［J］.IEEE Journal of solid－State Circuits，2002，37（12）：1879－1888.

［4］ Ghosh A P，Ali T A，Khayrullin I，et al.Recent advances in small molecule OLED－on－silicon microdisplays［J］.Proc.SPIE，2009，7415：74150Q（1－11）.

［5］ Kwak Bong－Choon，Lim Han－Sin，Kwon Oh－Kyong.Organic light－emitting diode－on－silicon pixel circuit using the source follower structure with active load for microdisplays［J］.Japanese Journal of Applied Physics，2010，49（3）：03CD05（1－5）.

［6］ Huang R，Wang X H，Wang W B.Design of a 16gray scales 320×240pixels OLED－on－silicon driving circuit［J］.Chinese Journal of Semiconductors，2009，30（1）：015010（1－4）.

［7］ Kimura M，Hara Y J，Hara H，et al.Classification of driving methods for TFT－OLED and novel proposal using time ratio grayscale and current uniformization［J］.IEICE Trans.Elecro，2005，88（11）：2043－2050.

［8］ Dawson R M A，Shen Z，F(xiàn)urst D A.The impact of the transient response of organic light emitting diodes on the design of active matrix OLED displays［J］.IEDM Technology Digest，1998，32（6）：875－878.

［9］ 吳建輝.CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：13－17.Wu J H.Analysis and Design of Analog CMOS Integrated Circuits［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2011：13－17.（in Chinese）