TFT-OLED像素單元及驅(qū)動電路分析

1 引言

有機電致發(fā)光器件(OLED)是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的全固體器件，因其具有薄而輕、高對比度、快速響應(yīng)、寬視角、寬工作溫度范圍等優(yōu)點而引起人們的極大關(guān)注，被認為是新一代顯示器件。要真正實現(xiàn)其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，必須提高器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，設(shè)計有效的圖像顯示驅(qū)動電路。近來，隨著研究的深入，OLED的發(fā)光效率和穩(wěn)定性已達到某些應(yīng)用的要求，而其專用的驅(qū)動電路技術(shù)還不是很成熟。目前，所有平板顯示的驅(qū)動均采用矩陣驅(qū)動方式，由X和Y電極構(gòu)成的矩陣顯示屏。根據(jù)每個像素中引入和未引入開關(guān)元器件將矩陣顯示分為有源矩陣(AM)顯示和無源矩陣(PM)顯示。

PM-OLED具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，主要用于信息量低的簡單顯示中;AM-OLED在大信息量顯示中占優(yōu)勢，一般采用非晶硅TFT(a-SiTFT)或多晶硅(poly-SiTFT)開關(guān)元器件，輸入信號存儲在存儲電容器上，使在幀周期內(nèi)像素保持選通態(tài)，因而不需要瞬態(tài)高亮度，克服了PM-OLED的缺點且不受占空比限制。因此，OLED要實現(xiàn)高品位顯示，必須采用有源矩陣驅(qū)動方式。本文從TFT-OLED有源矩陣像素單元電路出發(fā)，著重分析了電壓控制型與電流控制型像素單元電路，簡要討論了控制/驅(qū)動IC對TFT-OLED有源驅(qū)動電路的影響。

2 模擬像素單元電路

AM-OLED驅(qū)動實現(xiàn)方案包括模擬和數(shù)字兩種。在數(shù)字驅(qū)動方案中，每一像素與一開關(guān)相連，TFT僅作模擬開關(guān)使用，灰度級產(chǎn)生方法包括時間比率灰度和面積比率灰度，或者兩者的結(jié)合。目前，模擬像素電路仍占主流，但在灰度級實現(xiàn)上，模擬技術(shù)與時間比率灰度和面積比率灰度理論相結(jié)合將會是將來的一個發(fā)展趨勢。在模擬方案中，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)信號的類型不同，單元像素電路可分為電壓控制型和電流控制型。

2.1 電壓控制型像素電路

2.1.1 兩管TFT結(jié)構(gòu)

電壓控制型單元像素電路以數(shù)據(jù)電壓作為視頻信號。最簡單的電壓控制型兩管TFT單元像素電路如圖1所示。

圖1 兩管TFT驅(qū)動電路

其工作原理如下：當掃描線被選中時，開關(guān)管T1開啟，數(shù)據(jù)電壓通過T1管對存儲電容CS充電，CS的電壓控制驅(qū)動管T2的漏極電流;當掃描線未被選中時，T1截止，儲存在CS上的電荷繼續(xù)維持T2的柵極電壓，T2保持導通狀態(tài)，故在整個幀周期中，OLED處于恒流控制。

其中(a)，(b)被分別稱為恒流源結(jié)構(gòu)與源極跟隨結(jié)構(gòu)，前者OLED處于驅(qū)動管T2的漏端，克服了OLED開啟電壓的變化對T2管電流的影響;后者在工藝上更容易實現(xiàn)。兩管電路結(jié)構(gòu)的不足之處在于驅(qū)動管T2閾值電壓的不一致將導致逐個顯示屏的亮度的不均勻，OLED的電流和數(shù)據(jù)電壓呈非線性關(guān)系，不利于灰度的調(diào)節(jié)。

2.1.2 三管TFT結(jié)構(gòu)

基于第二代電流傳輸器原理的電壓控制型像素單元電路如圖2所示，虛線左邊可視為外部驅(qū)動電路，右邊為單元像素電路。

圖2 基于第二代電流傳輸器原理的像素電路

在控制模式下，T2和T3開啟，T1和運算放大器構(gòu)成第二代電流傳輸器，由于運算放大器的放大倍數(shù)可以取得很大，T1管的閾值電壓對電流的影響變得不敏感，此時，流經(jīng)T1的電流：

IT1=Vin/Rin

并且T1管源極電壓應(yīng)低于OLED的開啟電壓，防止OLED開啟。在保持模式下，T2和T3關(guān)斷，存儲電容Cs維持T1管的柵極電壓，電流經(jīng)T1進入OLED。其中放大器由COMS電路實現(xiàn)，所有同行像素可共用一個運算放大器。

仿真結(jié)果表明，盡管T3管存在電荷注入與時鐘饋漏效應(yīng)，使得OLED電流略小于控制電流;在OLED標稱電流為1μA,閾值電壓漂移超過5V時，控制電流、OLED電流相對誤差分別為-0.18%、5.2%,成功補償了TFT的空間不均性和不穩(wěn)定性。

2.1.3 四管TFT結(jié)構(gòu)

Dawson等人首次提出了四管TFT結(jié)構(gòu)的單元像素電路，該電路通過自動置零將數(shù)據(jù)信號與驅(qū)動管進行比較，以消除TFT柵壓的偏移，并在數(shù)據(jù)信號之前施加優(yōu)先置零信號(VAZB)，使寄生電容所積累的電荷得以釋放，解決了閾值電壓變化的問題，并且不依賴OLED的開啟與充電時間。這種電路的缺陷在于：當溝道長度變短時，又將出現(xiàn)發(fā)光不均勻現(xiàn)象。

GohJC等人提出了利用亞閾值電流補償閾值電壓變化電壓控制型電路，在驅(qū)動時序上增加一個補償階段，使驅(qū)動管工作于亞閾值區(qū)，此時驅(qū)動管的柵源電壓即閾值電壓Vth儲存于存儲電容，該電壓在數(shù)據(jù)輸入階段可補償了TFT閾值電壓的漂移。他們還提出了利用放電式補償閾值電壓變化的電壓控制型驅(qū)動電路，與前者不同的是，該電路利用放電的方式使驅(qū)動管進入亞閾值區(qū)，獲得數(shù)據(jù)電壓與閾值電壓疊加值，從而有效補償閾值電壓變化。

電壓控制型驅(qū)動電路除了能有效補償閾值電壓變化外，其優(yōu)勢還在于具有快速響應(yīng)特性，因為電壓直接加到存儲電容CS的兩端，充電電流一開始會有一個瞬間的大電流對電容充電，極大地降低了充電時間。

2.2 電流控制型像素電路

盡管電壓控制型電路具有響應(yīng)速度快的特點，但由于不能準確地調(diào)節(jié)顯示的灰度，難以滿足顯示的需求，于是人們提出電流驅(qū)動方案。電流控制型單元像素電路是以數(shù)據(jù)電流作為視頻信號的。

一般說來，電流控制型像素電路需要滿足以下要求：

1)有效補償閾值電壓的漂移，

2)具有良好的電流跟隨特性及良好的線性，

3)響應(yīng)速度在可接受的范圍內(nèi)，

4)在允許的條件下盡量降低驅(qū)動電源電壓以降低功耗。

因此，絕大多數(shù)電流控制型像素電路是通過接收輸入的電流信號并將其映射到輸出端，同時儲存到像素內(nèi)的存儲電容上，以保證整幀內(nèi)穩(wěn)定的輸出。目前報道過的電流驅(qū)動型電路主要有三管TFT結(jié)構(gòu)、四管TFT結(jié)構(gòu)、五管甚至更多管TFT結(jié)構(gòu)。

2.2.1 三管TFT結(jié)構(gòu)

圖3所示是三管TFT電流控制型電路，它工作于控制和保持兩個階段?？刂齐A段，掃描線處于高電平，T2和T3開啟，T1漏極施加低電平，OLED反向偏置，輸入數(shù)據(jù)電流流經(jīng)T2,T1,T1的柵源電壓存儲于Cs中。保持階段，掃描線處于低電平，T2和T3關(guān)斷，同時T1漏極施加高電平，電流流經(jīng)T1與OLED,T1的柵源電壓維持T1電流不變。電路能有效補償閾值電壓的變化，工作700小時，電流衰減11%,這可以通過減小TFT的交疊電容加以改善。

圖3 電流控制型3-TFT像素電路

2.2.2 四管TFT結(jié)構(gòu)

國外較早見報道的4-TFT電流控制帶閾值電壓補償?shù)尿?qū)動電路如圖4。在尋址階段，掃描電壓開啟T1、T3,數(shù)據(jù)電流Idata流過T4進入發(fā)光單元，T4的柵源電壓保存在Cs中;尋址結(jié)束，T1和T3關(guān)閉，VG的引入能使T2打開，這時T4連到VDD上作為電流源，它只受保存在Cs中的電壓控制，這就消除了閾值電壓變化的影響，然而VG線的引入影響了顯示器的開口率。

圖4 電流控制帶閾值電壓補償?shù)哪M驅(qū)動電路

圖5 電流控制電流鏡像素電路

獲得廣泛應(yīng)用的是以電流鏡像為基礎(chǔ)的電流控制型像素單元電路，下面以圖5所示結(jié)構(gòu)闡述這類電路的工作原理。當掃描線上電壓處于高電平時，此像素被選中，晶體管T1、T2導通，Idata首先從數(shù)據(jù)線通過T1管對電容Cs充電。當電容Cs兩端電壓達到一定值時，整個Idata通過T2管流到T3管。同時，由于T3管和T4管的柵極電壓相等，數(shù)據(jù)電流Idata被鏡像為流經(jīng)OLED的電流。當此像素未被選中時，T4管的柵極電壓由電容Cs兩端所存儲的電壓所決定，維持著電流驅(qū)動OLED。

研究發(fā)現(xiàn)開關(guān)管T2的老化，T3、T4閾值電壓VT的漂移差別，T3、T4的閾值電壓VT初始值不同是影響以電流鏡為基礎(chǔ)a-Si:H電路的驅(qū)動電流穩(wěn)定性的主要機制。因此，電流鏡準確實現(xiàn)電流跟隨功能的基本要求是T2盡可能開態(tài)低阻，關(guān)態(tài)低漏電流;T3、T4的初始閾值電壓相等，且變化一致;T3、T4工作于飽和區(qū)。而郭斌等人模擬和分析了作為電流控制型多晶硅薄膜晶體管(poly-SiTFT)有源矩陣有機發(fā)光二極管(AM-LOED)像素單元的poly-SiTFT/OLED耦合對的J-V特性和poly-SiTFT電流鏡的I-V特性。結(jié)果表明，poly-SiTFT/OLED耦合對的驅(qū)動電壓低，在200A/m2下不超過8V;而TFT電流鏡的跟隨能力很好，在0.0～2.5μA時飽和電壓只有1.5～2.5V。一般說來，以電流鏡像為基礎(chǔ)的電路具有良好的補償特性，類似于此類型的電流控制型驅(qū)動電路也能很好地證明這一點，并從實驗得出，這種電路具有很好的線性輸出，能對顯示的灰度作精確性地調(diào)節(jié)。

四管電流驅(qū)動型電路缺陷在于低亮度顯示時，充電時間長，信號延時嚴重。目前，主要通過調(diào)節(jié)OLED的電流與輸入數(shù)據(jù)電流的縮減比例，來減小數(shù)據(jù)線與像素間的充電時間。已見報道的有兩類方法，一是基于TFT幾何尺寸，一是基于存儲電容尺寸。分壓式電流控制型驅(qū)動電路屬于前者，電路中流經(jīng)OLED的電流與數(shù)據(jù)電流的關(guān)系為：

這里μ為場效應(yīng)遷移率，Cox為單位面積的絕緣層電容;W和L分別為MOS管溝道寬度和長度。由以上關(guān)系可知，采用大數(shù)據(jù)電流充電，能得到小的IOLED,同時減少了充電時間，但這是以增加功耗為代價的。而串聯(lián)存儲電容結(jié)構(gòu)的電流控制型電路屬于后者，選通階段，Idata=IOLED,非選通階段，電路中流經(jīng)OLED的電流與數(shù)據(jù)電流的關(guān)系為Idata=RSCALEIOLED,其中RSCALE為電流縮減比率，它與存儲電容CST2、開關(guān)管柵源/柵漏等效交迭電容COV-T2、掃描信號在選通與非選通時幅度的變化△VSCAN相關(guān)，且隨著以上參數(shù)的增大，RSCALE隨之增大。與前者相比，該電路優(yōu)勢在于通過RSCALE與IOLED適當組合，不僅可以更大程度地減小響應(yīng)時間，而且在不增加功耗的前提下，能滿足高、低不同灰度級的顯示需要。

2.2.3 五管TFT結(jié)構(gòu)

B.Mazhari等人提出了五管單元像素電路，該電路采用一個柵源短接的TFT作為負反饋電阻，有效抑制多晶硅TFT扭結(jié)效應(yīng)(kinkeffect)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)電流高達20A,輸出特性曲線仍具有良好的線性，克服了以前各種電路在保證線性的前提下電流范圍小的缺陷。愛普生-劍橋?qū)嶒炇姨岢隽讼冗M的自調(diào)整電壓源技術(shù)，這也是一種五管驅(qū)動方案，電路通過單位增益放大器存儲驅(qū)動管TFT的源電壓，保證選通與非選通階段驅(qū)動管偏置條件一致。

盡管電流范圍限制在0.2A～1A,還是有效改善了數(shù)據(jù)電流較小時閾值電壓的變化對OLED電流影響較大的缺點，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了像素的占空因數(shù)。

3 驅(qū)動系統(tǒng)

一個完整的有源矩陣OLED驅(qū)動顯示系統(tǒng)，除了由像素單元電路構(gòu)成的矩陣顯示屏外，還包括驅(qū)動IC(行、列控制/驅(qū)動電路)、單片機控制電路等，OLED有源驅(qū)動系統(tǒng)典型框圖如圖6。

圖6 OLED有源驅(qū)動系統(tǒng)典型框圖

顯示用的圖像數(shù)據(jù)存儲于ROM或RAM中，CPU或MCU控制電路產(chǎn)生總控制信號，行控制電路和列驅(qū)動電路在總控制信號下，結(jié)合各自內(nèi)部功能，產(chǎn)生基本行信號和基本列信號，行驅(qū)動電路和列驅(qū)動電路在總控制信號、基本行信號和基本列信號下，結(jié)合各自內(nèi)部功能，產(chǎn)生行掃描信號和列數(shù)據(jù)信號，使OLED顯示屏顯示存儲于ROM或RAM中的圖像信息。

驅(qū)動IC置于控制電路與有源玻璃板之間，是整個驅(qū)動電路的核心。全球已經(jīng)有多家公司在從事OLED驅(qū)動IC的研究，到目前為止，還沒有完全商業(yè)化的AM-OLED的驅(qū)動IC。但NextSierra公司已推出了分別集成的TFT-OLED行列驅(qū)動NXS1008、NXS1009和控制芯片NXS1010,張志偉等人采用該系列芯片，通過MCS-51單片機的控制來驅(qū)動240×320×3點陣的TFT-OLED屏，實現(xiàn)了大信息量的動態(tài)圖形顯示。

由于液晶顯示器件的配套驅(qū)動芯片功能比較完善，且價格低廉，所以將此類芯片移用于有源矩陣顯示屏(AM-OLED)成為了國內(nèi)外當前的研究焦點。

要想讓液晶驅(qū)動芯片能驅(qū)動TFT-OLED,關(guān)鍵在于兩點：

1)液晶驅(qū)動芯片的驅(qū)動時序和顯示數(shù)據(jù)符合TFT-OLED顯示屏的要求;

2)液晶芯片驅(qū)動部分的驅(qū)動能力滿足OLED顯示屏對芯片的要求。

顯示驅(qū)動系統(tǒng)的電路是目前TFT-OLED進行有效顯示的薄弱環(huán)節(jié)。從驅(qū)動IC/控制電路的角度看，當務(wù)之急是開發(fā)出通用或?qū)Ｓ玫尿?qū)動IC,并集成控制電路，這將大大提升OLED在平板顯示市場的競爭力。

4 結(jié)語

對于大屏幕、高分辨率OLED平板顯示器件而言，有源驅(qū)動電路已經(jīng)成為其必不可少的部分。本文著重分析了不同數(shù)目TFT管構(gòu)成的電壓控制型與電流控制型像素單元電路的工作原理和優(yōu)缺點，并討論了控制/驅(qū)動IC對TFT-OLED有源驅(qū)動電路的影響，能為OLED平板顯示器的設(shè)計提供一些依據(jù)。