陳洪財(cái),李 翔

(韓山師范學(xué)院物理與電子工程系,廣東潮州521041)

顯示陣列中電信號(hào)傳輸延遲計(jì)算方法

陳洪財(cái)?,李 翔

(韓山師范學(xué)院物理與電子工程系,廣東潮州521041)

從傳輸線電壓與電流方程出發(fā),對(duì)顯示陣列的2T1C型驅(qū)動(dòng)電路,建立了等效電路模型。在綜合考慮柵信號(hào)傳輸電路中多種參數(shù)的基礎(chǔ)上,求解了柵信號(hào)電壓函數(shù)表達(dá)式;仿真并計(jì)算了柵信號(hào)延遲對(duì)液晶顯示屏尺寸、顯示分辨率及柵信號(hào)電極材料的依賴關(guān)系;解決了復(fù)雜參數(shù)下的柵電極信號(hào)求解難題,為顯示屏尺寸、顯示分辨率、材料參數(shù)要求提供理論計(jì)算依據(jù)。

柵電極;信號(hào)延遲;方程式

1 引 言

由于市場(chǎng)需要,顯示屏向著大尺寸、高清晰度、超薄、低功耗的方向發(fā)展。對(duì)于大尺寸、高清晰度顯示屏的設(shè)計(jì),需要解決TFT基板、像素圖案制作、器件封裝技術(shù)難題[1],同時(shí),還要解決由柵信號(hào)畸變和延遲而導(dǎo)致的圖像信號(hào)失真問題[2]。隨著顯示器尺寸的增加和分辨率的提高,信號(hào)驅(qū)動(dòng)陣列迅速增加,柵信號(hào)畸變和延遲更加明顯[3],由于柵信號(hào)畸變影響到圖像失真和清晰度,需要一種算法通過計(jì)算得到柵信號(hào)傳輸?shù)木_數(shù)學(xué)表達(dá)式,避免通過實(shí)驗(yàn)找到驅(qū)動(dòng)陣列與柵信號(hào)傳輸之間的關(guān)系,從理論上計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)陣列的柵信號(hào)傳輸?shù)木_值,解決顯示陣列(顯示器尺寸)與柵信號(hào)畸變之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

引起柵極信號(hào)畸變和延遲的原因較為復(fù)雜,主要是大規(guī)模TFT驅(qū)動(dòng)陣列電路中的電阻、電壓保持電容以及柵極線線間電感和線間電容等引起的。比如,用透光率較高的ITO材料制作的柵極線存在電阻、像素陣列中存在多種電容[3];像素中金屬電極和絕緣介質(zhì)的材料選擇、器件結(jié)構(gòu)以及像素陣列電路的設(shè)計(jì);而且還與顯示器的分辨率、尺寸等顯示性能參數(shù)有關(guān)。而這些參數(shù)同時(shí)又涉及到器件的開口率、成本、工藝難度、成品率等[4-5]。因此,TFT-OLED的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合多種參數(shù)和因素的復(fù)雜課題,準(zhǔn)確理解信號(hào)畸變和延遲的形成機(jī)制是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前,對(duì)TFT LCD,TFT AMLCD柵極信號(hào)的研究已經(jīng)很多,如Muju LI對(duì)TFT AMLCD的a-Si TFT薄膜晶體管建立了模型,得到了柵電極等效電路的RC因子[6],柵極信號(hào)的延遲時(shí)間常數(shù)為RC;Toshihisa Tsukada等人將TFT LCD串行驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)化為電阻和電容串并聯(lián)電路[7],其中電阻為柵極線的固有電阻,電容是像素中存在的電容。

基于柵極總線建立Thomson Cable等式,獲得脈沖傳播的方程通過解方程得到了電壓達(dá)到90%的延遲時(shí)間td＝1.03RCL2g,其中,R為柵極單位長(zhǎng)度的電阻值,C為單位長(zhǎng)度的電容值,Lg為柵極線的長(zhǎng)度。

從延遲時(shí)間的結(jié)果看,延遲時(shí)間是RC串聯(lián)電路的延遲,應(yīng)用于TFT LCD設(shè)計(jì)具有一定的理論意義。

以上的方程的建立基礎(chǔ)是TFT LCD驅(qū)動(dòng)模型,在Thomson Cable等式中,忽略了TFT器件的電導(dǎo),同時(shí)簡(jiǎn)化了柵極總線和地之間的單位長(zhǎng)度的電感、電導(dǎo)等[8],另外,Thomson Cable方程的輸入信號(hào)是理想信號(hào),實(shí)際柵信號(hào)具有上升時(shí)間和下降時(shí)間[9]。因此,需要建立符合實(shí)際輸入信號(hào)波形的電壓和電流方程,用于推算TFTOLED柵極電信號(hào)波形和延遲時(shí)間。

本文首先提取了驅(qū)動(dòng)OLED發(fā)光的TFT晶體管電學(xué)模型,然后對(duì)常用的2T1C型像素驅(qū)動(dòng)電路建立了等效電學(xué)模型,形成柵電極驅(qū)動(dòng)等效電路并建立了電學(xué)方程式,通過對(duì)電學(xué)方程式求解,等到了柵電極末端的電壓傳輸表達(dá)式,取電壓信號(hào)的上升沿期間,電壓值達(dá)到輸入電壓最大值的0.9所用的時(shí)間值即為傳輸延遲時(shí)間常數(shù),得到了柵信號(hào)在顯示陣列中傳輸?shù)臄?shù)學(xué)精確表達(dá)式?？捎糜陲@示陣列設(shè)計(jì)中,計(jì)算顯示陣列的大小與柵信號(hào)畸變之間關(guān)系。

最后通過模擬和實(shí)際測(cè)量,驗(yàn)證了本文方法的可行性。

2 TFT像素驅(qū)動(dòng)單元模型

對(duì)于大尺寸顯示器設(shè)計(jì)者,需要有精確的TFT模型準(zhǔn)確描述其電學(xué)特性。目前TFT器件的基礎(chǔ)理論已經(jīng)成熟,但建立準(zhǔn)確、獨(dú)立的TFT模型還具有一定難度。圖1是基于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的TFT等效電學(xué)模型[1]。

圖1 TFT等效電學(xué)模型Fig.1 Equivalent electrical model

圖2 2T1C型像素驅(qū)動(dòng)顯示電路Fig.2 Pixel driver display circuit for 2T1C model

按照TFT等效模型建立像素驅(qū)動(dòng)電路,即用2個(gè)TFT和1個(gè)保持電容驅(qū)動(dòng)1個(gè)OLED,稱為2T1C結(jié)構(gòu),電路圖如圖2。TFT以摻雜Si＋＋作為襯底,用熱氧化生長(zhǎng)法在襯底上生長(zhǎng)250 nm的SiO2作為柵絕緣層,有源層厚度50 nm,TFT的溝道長(zhǎng)度為30 nm、寬度為220 μm。這種TFT的電學(xué)特性為:關(guān)態(tài)電流為1.8 PA,開關(guān)比為108,柵源線交匯處的交疊電容Cx約為0.017 PF,TFT的溝道電容CTFT約為0.017 PF,存儲(chǔ)電容取值為Cs＝1.3 PF,這樣的設(shè)計(jì)可以增大開口率[9]。

對(duì)于顯示器而言,是由多行像素組成的,1行像素共用一個(gè)柵電極,柵電極的信號(hào)電壓驅(qū)動(dòng)OLED的發(fā)光,在電壓保持電容的作用下OLED持續(xù)發(fā)光,直到下一個(gè)柵電極信號(hào)改變OLED的發(fā)光強(qiáng)度[10-11]。將共用一個(gè)柵電極信號(hào)的一行像素驅(qū)動(dòng)電路作等效電路圖,如圖3所示。圖中L0為柵電極和屏蔽地等形成的電感,用金屬材料或者用ITO做柵電極,電阻用R0表示,2T1C型像素驅(qū)動(dòng)顯示電路的總電阻用C0表示,而電導(dǎo)用G0表示。由于不同尺寸的顯示器柵電極長(zhǎng)度和驅(qū)動(dòng)的像素?cái)?shù)量不同,用單位長(zhǎng)度表示這些電學(xué)量比較合理[11-12]。

圖3 2T1C型電路等效圖(注:圖中L0為單位長(zhǎng)度電感,R0單位長(zhǎng)度電阻,C0單位長(zhǎng)度的電容,G0為單位長(zhǎng)度電導(dǎo)。)Fig.3 Equivalent circuit of 2T1C model(note:L0is the inductance per unit length;R0is the resistance per unit length;C0is the capacitance of per unit length;G0is the conductance per unit length)

3 柵電極傳輸線上電壓信號(hào)的計(jì)算

柵電極傳輸線如圖3,柵電極傳輸線上掛接多個(gè)電容性負(fù)載,按照電容性負(fù)載信號(hào)傳輸理論,信號(hào)的傳輸會(huì)產(chǎn)生反射,其極性與信號(hào)躍變極性相反[13-15],為使各個(gè)電容性負(fù)載相互的影響最小,各負(fù)載還應(yīng)該按一定的規(guī)則配置,如果配置不當(dāng),產(chǎn)生的反射可使傳輸信號(hào)波形嚴(yán)重畸變,信號(hào)延遲時(shí)間增大[16],甚至造成某些負(fù)載電路工作發(fā)生錯(cuò)誤。為了獲取信號(hào)傳輸?shù)挠?jì)算公式,需要建立電壓、電流傳輸方程式。

3.1 輸入信號(hào)表示

為了描述信號(hào)在傳輸過程中的變化,首先定義輸入信號(hào)為具有線性上升邊沿的躍變信號(hào),如圖4。信號(hào)經(jīng)過tr時(shí)間后上升到電壓最大值E0。這種理想躍變信號(hào)可表示為:

圖4 躍變信號(hào)波形圖Fig.4 Jump signal waveform

其中:H(t)等為單位階躍函數(shù),ei(t)經(jīng)拉普拉斯變換,輸入電壓信號(hào)可以表示為:

3.2 電壓、電流傳輸方程

為了計(jì)算OLCD驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)性能,首先將驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電容性負(fù)載用均勻傳輸模型代替,設(shè)圖4傳輸線上一點(diǎn)的位置為x,時(shí)間為t,傳輸線上的電壓與電流應(yīng)滿足下列方程:

取拉氏變換,在零初始條件下可得它的一般解:

其中:A(s)和B(s)為與邊界條件有關(guān)的待定常數(shù)。

柵極信號(hào)終端開路情況:x＝lg,I－(lg,s)＝0。在此邊界條件下,可求得A(s)和B(s)為:

對(duì)于任意的邊界條件傳輸,令Zi(s)、Zc(s)、ZL(s)分別為拉普拉斯變換形式下的信號(hào)輸入阻抗、柵線傳輸阻抗和負(fù)載阻抗。k(s)的物理意義是理想信號(hào)源經(jīng)由信號(hào)源阻抗輸入到柵極輸入端形成的衰減系數(shù);而ρi(s)是經(jīng)由柵極總線形成的衰減系數(shù),ρL(s)是經(jīng)由輸出阻抗形成的衰減系數(shù),對(duì)于輸出端不接任何阻抗而形成開路時(shí),ZL(s)可以看作無窮大,則ρL(s)＝1。

將式(8)和(9)中A(s)和B(s)代入(4)得到電壓傳輸?shù)谋磉_(dá)式:

其中:(n＋1)/2、n/2∈Z,這就是輸出電壓的表達(dá)式。

(n＋1)/2＝1、2、3、…時(shí),分別表示輸入電壓波的反射電壓波的拉普拉斯變換,即輸入電壓波和各次反射波的拉普拉斯變換。

當(dāng)信號(hào)沿著柵極傳輸時(shí),由于電阻、電容等的影響,會(huì)逐步延遲,最后的像素節(jié)點(diǎn),即x＝Lg處的延遲量最大,波形的失真最大,只需要計(jì)算x＝Lg處的波形就能保證其他像素節(jié)點(diǎn)的信號(hào)完整性。帶入ρl(s)、ρ(s)和x＝Lg,則式(10)求反變換得電壓信號(hào)的傳輸表達(dá)式。

令R＝R0Lg,每一個(gè)反射波在x＝Lg的疊加可以簡(jiǎn)化為:式中:T＝

3.3 回路中電阻和電容的計(jì)算

柵電極信號(hào)延遲的因素主要是回路中的電阻和電容等,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,電阻可以用柵電極導(dǎo)線電阻取代,它取決于ITO電極材料的電阻率和電極線的尺寸[17],如果取顯示屏的長(zhǎng)寬比為4∶3,柵電極線單位長(zhǎng)度的電阻可以表示為:

其中:ρgate是柵電極的電阻率;dgate是柵電極厚度; Wgate是柵電極寬度。

回路中電容的處理,回路中電容包括柵源線交匯處的交疊電容Cx和TFT的溝道電容CTFT等,其中

式中:εi為絕緣層介電常數(shù);di為絕緣層的厚度; Wdate為信號(hào)線寬度。

當(dāng)柵脈沖施加在TFT器件上時(shí),有源層與絕緣層界面引起感應(yīng)電荷并形成導(dǎo)電溝道。因此,這一界面與柵電極分別作為上下電極與其間的柵絕緣層構(gòu)成TFT溝道電容CTFT。由于TFT溝道面積與柵源匯線的交疊面積接近,而且電介質(zhì)的材料和厚度相同,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,令CTFT＝Cx。另外,還包括像素存儲(chǔ)電容CS是一個(gè)固定的常數(shù)。如果顯示屏的長(zhǎng)寬比為4∶3時(shí),柵極線單位長(zhǎng)度的電容可以表示為:

其中:Cb為柵極線和地之間的耦合電容,diag為顯示屏的對(duì)角線長(zhǎng)度。

4 計(jì)算結(jié)果和討論

計(jì)算對(duì)象為彩色TFT-OLED。參數(shù)設(shè)定為: Wgate＝10μm,Wdate＝7μm,εi≈6.198×10－13F/ cm,dgate＝250 nm,di＝300 nm,diag＝38.1 cm; ITO柵電極材料的厚度為25 nm,寬度為0.3 mm。設(shè)定柵信號(hào)強(qiáng)度為12 V,計(jì)算時(shí)Tg設(shè)為15μs,輸入信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間為Tr＝5 ns,可滿足對(duì)不同分辨率的實(shí)際評(píng)價(jià)要求。

柵電極延遲時(shí)間常數(shù)Δt定義為:ei(t)從0 V上升到0.9 E0所需要的時(shí)間,延遲時(shí)間是對(duì)柵電極線的末端進(jìn)行計(jì)算的,并考慮柵電極和屏蔽地線的線間電容和電感作用[17]。

圖5給出了ITO材料的導(dǎo)電率為5×10－7Ω.m,柵電極延遲時(shí)間常數(shù)隨分辨率變化的關(guān)系圖。圖5中,y坐標(biāo)為延遲時(shí)間常數(shù),x坐標(biāo)是柵線上的像素點(diǎn)數(shù)。計(jì)算用顯示屏的長(zhǎng)寬比為16∶9,像素之間的距離為0.625 mm。當(dāng)顯示屏像素不同時(shí),柵電極線長(zhǎng)度不同,柵電極線的電阻不同,柵電極線上的驅(qū)動(dòng)像素不同。雖然單位長(zhǎng)度的電容相同,但總電容不同。因此,柵電極信號(hào)延遲時(shí)間常數(shù)不同。柵電極延遲時(shí)間常數(shù)隨柵電極線上的像素點(diǎn)數(shù)(分辨率)增加而增大,當(dāng)像素?cái)?shù)為1 920時(shí),延遲時(shí)間的常數(shù)已達(dá)到12.3μs。若根據(jù)e(t)＝i越大,上升時(shí)間越長(zhǎng),柵信號(hào)延遲時(shí)間也會(huì)越大。當(dāng)像素?cái)?shù)大于1 920時(shí),延遲時(shí)間已經(jīng)達(dá)到12.3μs,不能保證在選通時(shí)段內(nèi)將TFT溝道完全打開。圖像信號(hào)不能充分對(duì)像素電容充電,最終導(dǎo)致顯示圖像的失真,必須考慮進(jìn)一步降低ITO材料的電阻率,或者降低柵極線上的總電容值。

圖5 延遲時(shí)間常數(shù)和分辨率的關(guān)系圖Fig.5 Relation curve of delay time constant and resolution

圖6表示柵電極線的像素單元為1 024,柵電極延遲時(shí)間常數(shù)和ITO材料電阻率的關(guān)系,由圖可知,當(dāng)電阻率為ρ＝110×10－8Ω.m,柵極的延遲常數(shù)為12.5μs。圖7是使用數(shù)據(jù)仿真軟件Modbus SIM對(duì)式(11)、(12)、(13)仿真,得到數(shù)據(jù)后再用電路仿真軟件Multisim仿真的結(jié)果,圖7表示輸入信號(hào)為式(1)時(shí),輸出信號(hào)延遲的波形圖。

圖6 延遲時(shí)間常數(shù)和ITO材料電阻率的關(guān)系Fig.6 Relation of delay time constant and ITO material resistivity

圖7 輸出信號(hào)波形和ITO材料電阻率的關(guān)系Fig.7 Relation of output signal waveform and ITO material resistivity

5 結(jié) 論

本文對(duì)OLED驅(qū)動(dòng)的2T1C型結(jié)構(gòu),建立了等效電路模型,在此基礎(chǔ)上建立了柵電極回路等效電路模型,在綜合考慮柵信號(hào)線電阻、柵與源信號(hào)線的交疊電容以及TFT導(dǎo)電溝道電容等參數(shù)的基礎(chǔ)上建立了柵電極信號(hào)傳輸?shù)碾妷?、電流方程式。仿真和?jì)算了柵信號(hào)延遲對(duì)液晶顯示屏尺寸、顯示分辨率及柵信號(hào)電極材料的依賴關(guān)系。本文建立的方程和電信號(hào)表達(dá)式,可以為TFTOLED顯示屏的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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Calculation method of electrical signal delay in display array

CHEN Hong-cai?,LI Xiang

(Physics and Electronic Engineering Department,Hanshan Normal University, Chaozhou 521041,China)

An equivalent circuit model for the 2T1C driver in delay array is established starting from transmission voltage and circuit equations.Gate signal voltage function is also provided after comprehensively considering various parameters in gate signal transmission circuit.The dependent relation of gate signal delay on LED display size,display resolution and gate electrode material is simulated through numerical computation.The difficult problem of gate signal solution under complex parameter environment is addressed and theoretic calculation basis is contributed for satisfying the requirements of LED display size,display resolution and material parameter.

gate electrode;signal delay;equation

TP37

A

10.3788/YJYXS20142906.0982

1007-2780(2014)06-0982-07

2014-06-30;

2014-07-15.

中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部(No.2011DFR90720)

?通信聯(lián)系人,E-mail:czhschc＠126.com

陳洪財(cái)(1967－),男,副教授,主要從事電子技術(shù)及信息處理應(yīng)用研究。E-mail:czhschc＠126.com李 翔(1977－),男,副教授,主要從事群體智能,分布式系統(tǒng),過程控制的研究。E-mail:XL_HUSE＠126.com