嚴(yán)利民，龍云騰，郭麗媛

（上海大學(xué) 微電子研究與開發(fā)中心，上海 200072）

1 引 言

近年來，人們對平板顯示裝置的需求越來越大，例如LCD、PDP、OLED等顯示器已得到廣泛的應(yīng)用。與其它顯示器相比，OLED顯示裝置因?yàn)榫哂凶园l(fā)光、全彩色顯示、寬視角、高亮度、高對比度、低功耗等優(yōu)勢而有著廣闊的市場［1－2］。

OLED顯示裝置的亮度是由流過OLED自身的電流決定的，因此，在OLED發(fā)光的過程中，為了要保證OLED發(fā)光的均勻性，其像素驅(qū)動電路必須在整幀周期內(nèi)為其提供持續(xù)穩(wěn)定的驅(qū)動電流，這需要將電流的不均勻性控制在一定范圍內(nèi)。由于大部分的IC電路傳輸?shù)氖请妷盒盘?，而不是電流信號，所以O(shè)LED像素電路需要將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘杹眚?qū)動OLED發(fā)光［3］。

本文介紹了一種新型的5T1C結(jié)構(gòu)的像素補(bǔ)償驅(qū)動電路，該電路能夠有效地改善顯示器亮度不均等缺點(diǎn)。

2 通用的像素驅(qū)動電路

AMOLED的通用型的像素驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖1所示［4－5］，該電路是2T1C 結(jié)構(gòu)，其中，T1為選址TFT，T2為驅(qū)動TFT，Cs為存儲電容。

該電路的工作原理為：當(dāng)掃描信號scan為高電平時，T1導(dǎo)通，Vdata傳遞到驅(qū)動管T2的柵極上，存儲在電容Cs中，當(dāng)掃描信號scan為低電平時，T1截止，由于存儲電容Cs的存在，Vdata將保持在T2的柵極，可以維持一個周期內(nèi)OLED電流的穩(wěn)定。

圖1 通用的像素驅(qū)動電路Fig.1 Common pixel driving circuit

這種電路結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柖?qū)動OLED發(fā)光的目的。然而，這種電路較簡單，會對驅(qū)動TFT的閾值電壓、溝道遷移率、電源線上的IR壓降等因素很敏感［6］，從而引起發(fā)光不均勻，嚴(yán)重影響顯示效果。而這些問題可以通過對每一個像素增加補(bǔ)償電路的方法來解決［7］，補(bǔ)償電路的作用是對每一個像素中的驅(qū)動TFT的參數(shù)（包括閾值電壓、溝道遷移率）進(jìn)行補(bǔ)償，使得輸出的電流不會因這些參數(shù)的惡化以及電源線上的IR壓降而改變。目前，對OLED像素補(bǔ)償驅(qū)動電路的研究已成為一大研究熱點(diǎn)。

3 改進(jìn)的像素驅(qū)動電路

在模擬驅(qū)動電路中，根據(jù)驅(qū)動方式的不同，OLED像素補(bǔ)償電路可分為電壓補(bǔ)償電路和電流補(bǔ)償電路。電壓補(bǔ)償電路只能補(bǔ)償驅(qū)動TFT的閾值電壓和電源線上的IR壓降引起的亮度不均勻，對于溝道遷移率引起的不均勻現(xiàn)象則無能為力。而電流補(bǔ)償電路能夠補(bǔ)償各驅(qū)動TFT的閾值電壓和溝道遷移率引起的亮度不均勻，還有電源線上的IR壓降引起的亮度不均勻［8］。

已有的補(bǔ)償電路有3T1C、3T2C、4T1C、4T2C等各種類型的電路。傳統(tǒng)的3T類型的電路大多都有充電電流小而導(dǎo)致充電時間長或者對于電源線上的IR壓降沒有很好的補(bǔ)償效果的缺點(diǎn)。目前，使用較多的補(bǔ)償電路主要是4T結(jié)構(gòu)的電路。

3.1 4T1C型像素補(bǔ)償電路

本文以韓國三星公司的一種電流型像素補(bǔ)償電路為例［9］，介紹市場上應(yīng)用較多的4T1C型的電流補(bǔ)償驅(qū)動電路。其電路結(jié)構(gòu)和時序圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 4T1C像素補(bǔ)償電路Fig.2 Pixel compensation driving circuit of 4T1C

圖3 4T1C像素補(bǔ)償電路工作時序圖Fig.3 Timing chart of 4T1Cpixel compensation circuit

其工作可分為2個時期：在s1時期，scan為低電平，EM為高電平，此時，T1和T2導(dǎo)通，T3截止，該階段為數(shù)據(jù)寫入階段。數(shù)據(jù)信號Idata經(jīng)過T1對存儲電容Cs充電。當(dāng)存儲電容Cs被充電至驅(qū)動管Td的閾值電壓Vth時，驅(qū)動管Td開始導(dǎo)通，驅(qū)動管Td的閾值電壓被存儲在電容Cs中，此時，進(jìn)入了s2時期，scan為高電平，EM為低電平，T1和T2處于截止?fàn)顟B(tài)，T3處于導(dǎo)通階段，Idata停止為存儲電容Cs充電，該階段為顯示階段。由于存儲電容Cs存儲了驅(qū)動管Td的閾值電壓Vth，使得電流Ids只受存儲電容上存儲的電壓的控制，而不會受驅(qū)動管Td的閾值電壓漂移的影響，從而使輸出電流Ids保持穩(wěn)定。輸出電流Ids的計算公式如下：

其中：μ為載流子遷移率，Cox為柵氧化層電容，W／L為驅(qū)動管Td的溝道寬長比。由式（1）可以看出，輸出電流Ids只受到器件本身的尺寸、遷移率、柵氧化層電容等自身因素以及電源電壓的影響，與驅(qū)動管的閾值電壓無關(guān)，因此，達(dá)到了補(bǔ)償閾值電壓的目的，保證了OLED發(fā)光的均勻性。

圖2所示的電路可以解決因?yàn)轵?qū)動管的閾值電壓漂移而造成的OLED發(fā)光不均勻的現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)像素補(bǔ)償?shù)哪康摹５?，在低亮度顯示的過程中，由于輸入電流比較小，會造成充電時間很長，顯示信號會有很長時間的延時，這會嚴(yán)重影響顯示的效果［10］。而且，由于最后的輸出電流Ids的大小受到了電源電壓Vdd的影響，因此會影響OLED發(fā)光的穩(wěn)定性和壽命［11］。

3.2 改進(jìn)的5T1C型像素補(bǔ)償電路

本文在分析、研究了大量像素補(bǔ)償電路的基礎(chǔ)上，介紹了一種新的5T1C的像素補(bǔ)償電路，能夠有效地避免因閾值電壓漂移和電源電壓變化而引起的亮度不均勻的現(xiàn)象，其像素補(bǔ)償電路及其時序圖如圖4、圖5所示。

圖4 5T1C像素補(bǔ)償電路Fig.4 Pixel compensation driving circuit of 5T1C

圖5 5T1C像素補(bǔ)償電路工作時序圖Fig.5 Timing chart of 5T1Cpixel compensation circuit

由圖5可知，5T1C像素補(bǔ)償電路工作分為3個時期，在s1時期，scan為高電平，EM為低電平，此階段為初始化階段。此時，T1、T2和T3導(dǎo)通，T4處于截止?fàn)顟B(tài)，A點(diǎn)電壓，即驅(qū)動管Td的柵極電壓為Vdata，C點(diǎn)直接與電源端相連，電壓為Vdd，B點(diǎn)直接與地相連，電壓為0V，即電容Cs間存儲的電壓為Vdd。

在s2時期，scan和EM均為高電平，此階段為閾值電壓補(bǔ)償階段。此時，T2和T3導(dǎo)通，T1和T4截止，驅(qū)動管Td的柵極電壓仍為傳輸?shù)紸點(diǎn)的數(shù)據(jù)電壓，即Vdata，C點(diǎn)開始放電，電壓下降為Vdata＋，變化量為由于電容Cs的作用，B點(diǎn)電壓由0V變?yōu)閂dd－此時，驅(qū)動管Td的柵源電壓Vgs＝

其中：μ為載流子遷移率，Cox為柵氧化層電容，W／L為驅(qū)動管Td的溝道寬長比。由式（3）可以看出，輸出電流Ids只受到器件本身的尺寸、遷移率、柵氧化層電容等自身因素的影響，與驅(qū)動管的閾值電壓及電源電壓的變化無關(guān)，因此，達(dá)到了補(bǔ)償閾值電壓漂移和電源電壓不穩(wěn)定的目的。而且，在該電路中，由于是由電源電壓為電容充電，可以極大地縮短充電時間。

4 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證該電路的功能，本文使用Cadence公司的Spectre電路仿真軟件，采用Chart的0.35 μm 18V2P4M工藝對該電路進(jìn)行了仿真。其中，OLED模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Verilog－A編寫［12］，得到的輸出電流仿真波形圖和溫度對輸出電流影響的仿真圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 輸出電流仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of output currents

在圖6中，從上向下4個波形分別對應(yīng)著輸出電流Ids、掃描信號scan、控制信號EM和數(shù)據(jù)信號Vdata。由仿真結(jié)果可知，在顯示階段，輸出電流Ids穩(wěn)定在2μA，可以驅(qū)動OLED穩(wěn)定發(fā)光。

在圖7中，從上到下4個波形分別對應(yīng)著驅(qū)動管漏端電壓、柵端電壓、源端電壓和輸出電流。由仿真結(jié)果可知，在從－50～150℃，輸出電流的變化范圍是2.127μA～2.094μA，變化率為1.5%，基本可以保證輸出電流不受溫度變化的影響。

圖7 不同溫度下的輸出電流Fig.7 Output currents at different temperatures

5 結(jié) 論

隨著AMOLED的應(yīng)用越來越廣泛，對像素驅(qū)動電路的研究也成為了熱點(diǎn)，但僅有電壓電流轉(zhuǎn)換功能的電路會對驅(qū)動TFT的閾值電壓、溝道遷移率、電源線上的IR壓降等因素很敏感，從而引起發(fā)光不均勻，嚴(yán)重影響顯示效果。本文介紹了一種新的5T1C結(jié)構(gòu)的像素驅(qū)動電路，根據(jù)仿真結(jié)果，輸出電流Ids為2μA，通過補(bǔ)償閾值電壓漂移及電源電壓的變化，基本可以改善OLED顯示器亮度不穩(wěn)定和不均勻的缺點(diǎn)。

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