TFT-OLED像素單元及驅(qū)動(dòng)電路分析

1 引言

有機(jī)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(duì)比度、快速響應(yīng)、寬視角、寬工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)而引起人們 的極大關(guān)注，被認(rèn)為是新一代顯示器件。要真正實(shí)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(jì)有效的圖像顯示驅(qū)動(dòng)電路。近來(lái)，隨著研究的深 入，OLED的發(fā)光效率和穩(wěn)定性已達(dá)到某些應(yīng)用的要求，而其專用的驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)還不是很成熟。目前，所有平板顯示的驅(qū)動(dòng)均采用矩陣驅(qū)動(dòng)方式，由X和Y電極構(gòu)成的矩陣顯示屏。根據(jù)每個(gè)像素中引入和未引入開(kāi)關(guān)元器件將矩陣顯示分為有源矩陣(AM)顯示和無(wú)源矩陣(PM)顯示。

PM-OLED具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要用于信息量低的簡(jiǎn)單顯示中;AM-OLED在大信息量顯示中占優(yōu)勢(shì)，一般采用非晶硅TFT(a- SiTFT)或多晶硅(poly-SiTFT)開(kāi)關(guān)元器件，輸入信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)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(diǎn)且不受占空比限制。因此，OLED要實(shí)現(xiàn)高品位顯示，必須采用有源矩陣驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)要討論了控制/驅(qū)動(dòng)IC對(duì)TFT-OLED有源驅(qū)動(dòng)電路的影響。

2 模擬像素單元電路

AM-OLED驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案包括模擬和數(shù)字兩種。在數(shù)字驅(qū)動(dòng)方案中，每一像素與一開(kāi)關(guān)相連，TFT僅作模擬開(kāi)關(guān)使用，灰度級(jí)產(chǎn)生方法包括時(shí)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(jí)實(shí)現(xiàn)上，模擬技術(shù)與時(shí)間比率灰度和面積比率灰度理論相結(jié)合將會(huì)是將來(lái)的一個(gè)發(fā) 展趨勢(shì)。在模擬方案中，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)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(hào)。最簡(jiǎn)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(dòng)電路

其工作原理如下：當(dāng)掃描線被選中時(shí)，開(kāi)關(guān)管T1開(kāi)啟，數(shù)據(jù)電壓通過(guò)T1管對(duì)存儲(chǔ)電容CS充電，CS的電壓控制驅(qū)動(dòng)管T2的漏極電流;當(dāng)掃描線未被選中時(shí)，T1截止，儲(chǔ)存在CS上的電荷繼續(xù)維持T2的柵極電壓，T2保持導(dǎo)通狀態(tài)，故在整個(gè)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(dòng)管T2的漏端，克服了OLED開(kāi)啟電壓的變化對(duì)T2管電流的影響;后 者在工藝上更容易實(shí)現(xiàn)。兩管電路結(jié)構(gòu)的不足之處在于驅(qū)動(dòng)管T2閾值電壓的不一致將導(dǎo)致逐個(gè)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(dòng)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(kāi)啟，T1和運(yùn)算放大器構(gòu)成第二代電流傳輸器，由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)可以取得很大，T1管的閾值電壓對(duì)電流的影響變得不敏感，此時(shí)，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(kāi)啟電壓，防止OLED開(kāi)啟。在保持模式下，T2和T3關(guān)斷，存儲(chǔ)電容Cs維持T1管的柵極電壓，電流經(jīng)T1進(jìn)入OLED。其中放大器由COMS電路實(shí)現(xiàn)，所有同行像素可共用一個(gè)運(yùn)算放大器。

仿真結(jié)果表明，盡管T3管存在電荷注入與時(shí)鐘饋漏效應(yīng)，使得OLED電流略小于控制電流;在OLED標(biāo)稱電流為1μA,閾值電壓漂移超過(guò)5V時(shí)，控制電流、OLED電流相對(duì)誤差分別為-0.18%、5.2%,成功補(bǔ)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(guò)自動(dòng)置零將數(shù)據(jù)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)管進(jìn)行比較，以消除TFT柵壓的偏移，并在數(shù)據(jù)信號(hào) 之前施加優(yōu)先置零信號(hào)(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(wèn)題，并且不依賴OLED的開(kāi)啟與充電時(shí)間。這種電路的缺陷在 于：當(dāng)溝道長(zhǎng)度變短時(shí)，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(bǔ)償閾值電壓變化電壓控制型電路，在驅(qū)動(dòng)時(shí)序上增加一個(gè)補(bǔ)償階段，使驅(qū)動(dòng)管工作于亞閾值區(qū)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)管的柵源電 壓即閾值電壓Vth儲(chǔ)存于存儲(chǔ)電容，該電壓在數(shù)據(jù)輸入階段可補(bǔ)償了TFT閾值電壓的漂移。他們還提出了利用放電式補(bǔ)償閾值電壓變化的電壓控制型驅(qū)動(dòng)電路， 與前者不同的是，該電路利用放電的方式使驅(qū)動(dòng)管進(jìn)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(bǔ)償閾值電壓變化。

電壓控制型驅(qū)動(dòng)電路除了能有效補(bǔ)償閾值電壓變化外，其優(yōu)勢(shì)還在于具有快速響應(yīng)特性，因?yàn)殡妷褐苯蛹拥酱鎯?chǔ)電容CS的兩端，充電電流一開(kāi)始會(huì)有一個(gè)瞬間的大電流對(duì)電容充電，極大地降低了充電時(shí)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(diǎn)，但由于不能準(zhǔn)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(dòng)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(hào)的。

一般說(shuō)來(lái)，電流控制型像素電路需要滿足以下要求：

1)有效補(bǔ)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(dòng)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(guò)接收輸入的電流信號(hào)并將其映射到輸出端，同時(shí)儲(chǔ)存到像素內(nèi)的存儲(chǔ)電容上，以保證整幀內(nèi)穩(wěn)定的輸出。目前報(bào)道過(guò)的電流驅(qū)動(dòng)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(gè)階段?？刂齐A段，掃描線處于高電平，T2和T3開(kāi)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(chǔ)于Cs中。保持階段，掃描線處于低電平，T2和T3關(guān)斷，同時(shí)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(bǔ)償閾值電壓的變化，工作700小時(shí)，電流衰減11%,這可以通過(guò)減小TFT的交疊電容加以改 善。[!--empirenews.page--]

圖3 電流控制型3-TFT像素電路

2.2.2 四管TFT結(jié)構(gòu)

國(guó)外較早見(jiàn)報(bào)道的4-TFT電流控制帶閾值電壓補(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)電路如圖4。在尋址階段，掃描電壓開(kāi)啟T1、T3,數(shù)據(jù)電流Idata流過(guò)T4進(jìn)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(kāi)，這時(shí)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(kāi)口率。

圖4 電流控制帶閾值電壓補(bǔ)償?shù)哪M驅(qū)動(dòng)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(dāng)掃描線上電壓處于高電平時(shí)，此像素被選 中，晶體管T1、T2導(dǎo)通，Idata首先從數(shù)據(jù)線通過(guò)T1管對(duì)電容Cs充電。當(dāng)電容Cs兩端電壓達(dá)到一定值時(shí)，整個(gè)Idata通過(guò)T2管流到T3管。同 時(shí)，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(dāng)此像素未被選中時(shí)，T4管的柵極電壓由電容Cs兩端所存儲(chǔ)的電 壓所決定，維持著電流驅(qū)動(dòng)OLED。

研究發(fā)現(xiàn)開(kāi)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(dòng)電 流穩(wěn)定性的主要機(jī)制。因此，電流鏡準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電流跟隨功能的基本要求是T2盡可能開(kāi)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(jī)發(fā)光二極管(AM-LOED) 像素單元的poly-SiTFT/OLED耦合對(duì)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(duì)的驅(qū)動(dòng)電壓低，在200A/m2下不超過(guò)8V;而TFT電流鏡的跟隨能力很好，在0.0～2.5μA時(shí)飽和電壓只有 1.5～2.5V。一般說(shuō)來(lái)，以電流鏡像為基礎(chǔ)的電路具有良好的補(bǔ)償特性，類似于此類型的電流控制型驅(qū)動(dòng)電路也能很好地證明這一點(diǎn)，并從實(shí)驗(yàn)得出，這種電 路具有很好的線性輸出，能對(duì)顯示的灰度作精確性地調(diào)節(jié)。

四管電流驅(qū)動(dòng)型電路缺陷在于低亮度顯示時(shí)，充電時(shí)間長(zhǎng)，信號(hào)延時(shí)嚴(yán)重。目前，主要通過(guò)調(diào)節(jié)OLED的電流與輸入數(shù)據(jù)電流的縮減比例，來(lái)減小數(shù)據(jù)線與 像素間的充電時(shí)間。已見(jiàn)報(bào)道的有兩類方法，一是基于TFT幾何尺寸，一是基于存儲(chǔ)電容尺寸。分壓式電流控制型驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(zhǎng)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(shí)減少了充電時(shí)間，但這是以增加功耗為代價(jià)的。而串聯(lián)存儲(chǔ)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(chǔ)電容CST2、開(kāi)關(guān)管柵 源/柵漏等效交迭電容COV-T2、掃描信號(hào)在選通與非選通時(shí)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(shì)在于通過(guò)RSCALE與IOLED適當(dāng)組合，不僅可以更大程度地減小響應(yīng)時(shí)間，而且在不增加功耗的前提下，能滿足高、低不同灰度級(jí)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(gè)柵源短接的TFT作為負(fù)反饋電阻，有效抑制多晶硅TFT扭結(jié)效應(yīng) (kinkeffect)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)電流高達(dá)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(ài)普生- 劍橋?qū)嶒?yàn)室提出了先進(jìn)的自調(diào)整電壓源技術(shù)，這也是一種五管驅(qū)動(dòng)方案，電路通過(guò)單位增益放大器存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)管TFT的源電壓，保證選通與非選通階段驅(qū)動(dòng)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(shí)閾值電壓的變化對(duì)OLED電流影響較大的缺點(diǎn)，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(dòng)系統(tǒng)

一個(gè)完整的有源矩陣OLED驅(qū)動(dòng)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(dòng)IC(行、列控制/驅(qū)動(dòng)電路)、單片機(jī)控制電路等，OLED有源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型框圖如圖6。

圖6 OLED有源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型框圖

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

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

由于液晶顯示器件的配套驅(qū)動(dòng)芯片功能比較完善，且價(jià)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(guó)內(nèi)外當(dāng)前的研究焦點(diǎn)。[!--empirenews.page--]

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

1)液晶驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)時(shí)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(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)能力滿足OLED顯示屏對(duì)芯片的要求。

顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電路是目前TFT-OLED進(jìn)行有效顯示的薄弱環(huán)節(jié)。從驅(qū)動(dòng)IC/控制電路的角度看，當(dāng)務(wù)之急是開(kāi)發(fā)出通用或?qū)Ｓ玫尿?qū)動(dòng)IC,并集成控制電路，這將大大提升OLED在平板顯示市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大屏幕、高分辨率OLED平板顯示器件而言，有源驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，并討論了控制/驅(qū)動(dòng)IC對(duì)TFT-OLED有源驅(qū)動(dòng)電路的影響，能為OLED平板顯示器的設(shè)計(jì)提供一些依據(jù)。