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摘要 摘要 有机发光二极管( o l e d ) 显示是近年来平板显示领域研究的热点。 基于多晶硅薄膜晶体管( p o l y s it f t ) 的有源矩阵( a m o l e d ) 是实 现大屏幕、全彩色、高质量o l e d 显示器的主流选择。然而薄膜晶体 管制造技术中的器件和器件之间的输出特性差异很大。这些差异使为 大量像素制造同样的电流源非常困难。由于o l e d 像素亮度与通过的 电流成比例，这些器件问的差异表现为像素间亮度的不一致性。这一 效应是a m o l e d 急需解决的关键问题。 本文首次提出了一种电流分场显示驱动( c u r r e n ts u b f r a m e d r i v i n g ) 模式。经过分析和模拟，相信这种模式能够很好地解决像 素间发光的一致性问题。同时，综合平衡考虑电路规模和时序复杂程 度以及功耗，这种电流分场显示驱动模式总体上优于现有的其他驱动 模式。本文详细分析了这种电流分场显示驱动模式的原理和工作过程 以及其优势。之后介绍了电流分场显示驱动电路的形式及其在无源和 有源矩阵o l e d 显示屏中的应用示例。另外，文中还深入研究了能应 用电流分场显示驱动模式的p o l y - s it f t 有源矩阵o l e d 像素电路的 结构和性能。最后，本文对o l e d 显示的新型驱动电路及其未来做了 介绍。 关键词： 有机发光二极管( o l e d ) ，多晶硅薄膜晶体管，有源矩阵，电流分 场驱动，像素电路。 捅安 一 a b s t r a c t r e e e n t l yt h e r e s e a r e ho fo r g a n i cl i g h te m i t t i n g d i o d e ( o l e d ) i st h ef o c u s i nt h ef i e l do ff l a tp a n e ld i s p l a y t h e a c t i v e m a t r i xo l e d ( a m o l e d ) b a s e do np o l y s i t f ti st h em a i ns t r e a m o ft h eo l e dd i s p l a y s w i t h l a r g es c a l e ，f u l l c o l o ra n dh i g h q u a l i t y t h e c h a r a c t e r i s t i c s v a r i a t i o n so ft h i n f i l m t r a n s i s t o r s ( t f t s ) a r er e m a r k a b l e ，w h i c h m a k ei td i f f i c u l tt o d r o v i d ee q u i v a l e n tc u r r e n t s h o w e v e r ，t h ep i x e l l u m i n a n c ei s d r o p o r t i o n e d t oi t sc u r r e n t c o n s e q u e n t l y ，t h e d e v i c e t o d e v i c ev a r i a t i o n sr e s u l ti nt h eg r a ys c a l ed i v e r s i t y a n du n e v e no ft h ec o l o r s t h i sn o n u n i f o r m i t yi st h ek e yp r o b l e m o ft h ea m o l e dn e e d e dt os o l v e f o rt h ef i r s tt i m e ，an o v e lc u r r e n ts u b f r a m ed r i v i n gm o d e i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a f t e rc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n ， w eb e l i e v ei t c a nr e s o l v et h en o n u n i f o r m i t yp r o b l e m w i t h r e l a t i v e l yo p t i m i z e d c i r c u i t ，t i m i n gc o m p l e x i t y a n dp o w e r c o n s u m p t i o nc o m p a r i n gw i t ho t h e rd r i v i n gm o d e s t h ep r i n c i p l e a n da d v a n t a g e ，a sw e l l3 st h eo p e r a t i o no ft h i sd r i v i n gm o d e a r ea n a l y z e df i r s t l yi nt h i sp a p e r t h e n ，t h ec u r r e n ts u b f r a m e d r i v i n gc i r c u i ta n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ep ma n da 磁o l e da r e p r e s e n t e d i na d d i t i o n ，t h ep i x e l c i r c u i t ss t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e o fp o l y s it f to l e dt h a t c a n u s et h ec u r r e n t s u b f r a m ed r i v i n gm o d ea r ed e e p l ys t u d i e d i n t h ee n d ，t h e f u t u r ea n ds o m en o v e ld r i v i n gm e t h o do ft h eo l e dd is p l a y sa r e d e s c r i b e d k e yw o r d s - o r g a n i cl i g h te m i t t i n g m a t ri x ，c u r r e n ts u b f r a m e d i o d e ( o l e d ) ，p o l y s it f t ，a c t i v e d r i v i n g ，p i x e lc i r c u i t 2 第一章绪论 第一章绪论 显示是信息高速公路的枢纽，人们常用的有监视器、电视、信息板等显示器 件。而显示器中包括了材料科学，光物理学，电子学等学科。显示技术和其它科 学一样在不断地向前发展，已有1 0 0 多年历史的c r t ( 阴极射线管) 正面临着以 l c d ( 液晶显示器) 为代表的平板显示器( f p d ) 的强有力的挑战。包括l c d 、p d p ( 等离子体显示器) 、投影显示器、o l e d ( 有机发光二极管) 等在内的平板显示 器将最终代替c r t 成为显示市场的主流。其中，o l e d 的出现和发展迅速引起了 人们的注意，o l e d 以其超薄、主动发光、高亮度、高对比度、响应速度快、宽 视角、宽工作温度范围、低功耗、低成本、全固态等优点，被认为是l c d 最有力 的竞争者。 1 1 有机发光二极管显示 有机发光二极管( o l e d ) 的发展从1 9 8 7 年柯达公司的c w t a n g ( 邓青云) 等人发现a l q 。双层结构高效率稳定发光器件【1 以来，仅为十几年，而其许多性 能指标已达到或领先于其他平板显示技术。 o l e d 的器件结构和工作原理十分简单，即为由有机材料和分别作为器件的阳 极和阴极的i t o 透明电极和金属电极构成的夹心结构( 如图1 1 所示) 。在一定 图1 1o l e d 的结构 电压的驱动下，电子 和空穴分别从阴极和 阳极注入到电子和空 穴传输层，电子和空 穴相遇形成激子，而 发出可见光。通常 o l e d 是有机发光器 件的统称，根据使用 的有机材料不同， o l e d 又分为高分子 第一章绪论 的聚合物发光二极管( 简称p l e d ) ，和小分子o l e d ，二者的差异还表现在相应器 件的制备工艺上：o l e d 主要采用真空热蒸发工艺；p l e d 则采用旋转涂覆或喷涂 01 0 02 0 03 0 04 0 0s 0 0 c t t r m a td e m i t y ( m a ，c m ) 图1 2o l e d 的亮度与其电流电压的关系 印刷工艺。随着器件研究的不断 发展，现在正在研究具有可甩胶 1 6 】4 功能的小分子o l e d 。1 9 8 7 年， 1 2 美国柯达的研究人员率先报道 1 0 了使用小分子材料制成发光二 8静 。蓍 极管的成果；1 9 9 0 年，英国剑 4 桥大学的研究人员报道了在低 2 电压下有机高分子电致发光的 现象【1 2 】。 图1 1 显示的是最典型 o l e d 器件的结构示意图。有机 层被夹在阴极和透明阳极之间， 衬底可以是玻璃或柔性衬底。有机层可是单层也可是多层结构，在本图示中有机 层为双层结构，作传导层的c n p p v 和发光层的p p v 。在阴极和阳极之间施加一 定电压，就能使o l e d 发光。 图1 2 是o l e d 的亮度一电流一电压关系曲线。从中可以明显地看出，o l e d 的亮度与其电流密度基本呈线性关烈13 1 ，而与其电压呈非线性关系。因此采用 电流而不是电压可以更容易和准确地控制o l e d 显示的灰度级。 1 2 有源矩阵o l e d 显示 o l e d 可分为无源矩阵( p m o l e d ) 和有源矩阵( a m o l e d ) 两大类。单色、多色 p m o l e d 的器件质量性能已能满足商品化的需求，p i o n e e r 等公司已有产业化计 划。目前，p m o l e d 的研究着重于全色化、产业化技术，拓展它在信息显示方面 的应用。p m o l e d 适用于低成本、小规模、低信息量的显示，而a m o l e d 适用于 高分辨率、大面积、全彩色的显示。 o l e d 器件的一个应用是作为一种无源选址显示器的发光组件。然而，随着行 口 5 5 o 5 0 ， ：喜|咖_【u掣0鄯目 第一章绪论 数的提高，留给驱动每个像素的时间将减小，同时为达到所需的平均亮度，则需 提高其峰值亮度，这将引起驱动电流的提高。例如，要使一个逐行扫描的v g a 显示器达到3 0 0 尼特( n i t ) 的平均亮度将需要7 2 ，0 0 0 n i t 的峰值亮度。行线上 的峰值电流要达到1 6 a 。这样大的电流将增大行线上的压降，并使o l e d 的工作 电压增大而降低其能量效率并且缩短其寿命。显然，对于s x g a 或u x g a 的分辨率 所需的电流，如果不对无源矩阵 结构中的o l e d 效率做显著的改 进是不可能实现的。 o l e d 的有源矩阵驱动可以 实现低电压工作、更低的像素电 流和有更高效率及亮度的显示。 有源矩阵的作用是可以在整个 帧周期内提供一个恒定的电流 而消除无源驱动中出现的大电 流。 图1 3 是有源矩阵o l e d 的 结构示意图。先在透明衬底上制 图1 3 有源矩阵o l e d 结构示意图 作薄膜晶体管t f t 和透明电极， 之后在上面制造有机发光器件和公共电极。 1 3 多晶硅薄膜晶体管o l e d 显示 o l e d 显示器具有显示高质量的全彩色移动画面的潜力。即使是无源驱动，由 于二极管的基本特性这项技术仍然在快速响应方面工作出色。这已经被许多中型 样机展示，但是用无源驱动方法制造小型高分辨率彩色显示屏仍有许多困难。 首先，在无源驱动中，脉冲电流施加于每一个像素。这些脉冲的峰值随着阴 极线数目的增加将变得非常高；随着对显示屏分辨率的需求愈来愈高，在这种情 况下的发光单元会加速衰退。 第二个问题是显示模块之间的互联。许多电极线必须连接每个像素和驱动电 第一章绪论 路。因为必须为每个像素提供电流，因此需要减小这些连线的电阻从而减i j , x 连 线上的损耗。为了实现这个目标，互连线不能太长或太薄，但在制造小型无源器 件时这会是极大的障碍。 采用一种有源矩阵技术驱动低温多晶硅( l t p ) t f t 可以解决所有这些问题。 在有源驱动中，施加于每个像素的电流基本上是直流。结果，每个发光单元的工 作条件得到优化并且单元寿命提高。在有源驱动中电极线可以比较短，所以可以 降低损耗。 因为l t p 允许将驱动电路直接制造在显示屏的玻璃衬底上，所以互连线的长 度一从而和功耗一都可以降低，需要更少的从主杌到显示屏的连线并且降低制造 成本。我们相信如果工业界想提高o l e o 显示器的价值和扩展它们的应用领域， 有源矩阵o l e d ( a m o l e d ) 技术是非常重要的。 1 4 本文的目的和意义 要将o l e d 投入到实际应用中去，就必须有相匹配的驱动和控制电路，因为 o l e d 屏的显示质量和寿命不仅与其本身的性能有关，而且与驱动波形、模式等 因素息息相关，是其能否成为下一代平板显示器( f p d ) 主流产品的关键问题之 一口 a m o l e d 的驱动方式可分为电压信号驱动和电流信号驱动。使用电流信号可以 有效地避免包括o l e d 和t f t 在内的器件特性差异和起伏的影响，还可以避免因 图1 42 t f t a m o l e d 像素电路 电源电压传输压降产生的串扰 的影响【14 l 。 在玻璃衬底上的薄膜晶体 管技术中，器件和器件之间的输 出特性常会存在较大的差异。这 种不一致性是由于多晶硅材料 的生长机理和晶体管特性在工 作中自身的漂移所致。这些差异 使为大量像素制造同样的电流 第一章绪论 源造成非常大的困难。取决于这些差异的器件的电特性主要是阈值电压v t 和迁 移率u 。这些差异导致了不同像素产生不同电流，从而产生了随机的亮度差异。 为了考虑这种差异如何影响亮度，举最简单的两管电流驱动像素为例。图1 4 是两管像素的示意图。一个晶体管t 1 是选通管，它使一个电压信号可以存储到 第二个驱动晶体管t 2 的栅极从而控制流过o l e d 的电流。由于像素亮度与通过其 的电流成比例，电流驱动管阂值电压的任何变化将表现为像素亮度的改变从而导 致图像的明暗参差不齐。这种效应在多晶硅a m o l e d 显示器中是常见的。 在a m o l e d 中采用时间比率灰度级( t r g ) 法( 即分场显示法) ，可以实现很 好的o l e d 发光的一致性和较高的灰度级。而经过模拟和分析，我们创造性地提 出了一种电流分场显示驱动( c u r r e n ts u b f r a m ed r i v i n g ) 模式。经过分析和 模拟，相信这种模式能够很好的解决一致性问题，同时，综合考虑电路规模和时 序复杂程度以及功耗，这种电流分场显示驱动模式优于现有的其他驱动模式。 本文详细分析了这种电流分场显示驱动模式的原理和优势以及其工作过程。 之后介绍了电流分场显示驱动电路的形式及其在无源和有源矩阵o l e d 显示屏中 的应用。另外，本文还深入研究了能应用电流分场显示驱动模式的p o l y s it f t 有源矩阵o l e d 像素电路的结构和性能。最后，本文对o l e d 显示的新型驱动电路 及其未来做了介绍。 1 5 参考文献 1 1 c w t a n ga n ds a v a n s l y k e ，a p p l p h y s l e t t ，1 9 8 7 ，5 1 ，p p 5 3 9 ； 1 2 j b b u r r o u g h e s ，d d c b r a d l e y ，a r b r o w ne ta 1 ，n a t u r e1 9 9 0 ，3 4 7 ， p p 5 3 9 ： 1 3f l e x i b l e o r g a n i cl e d s ，m i c h a e ls w e a v e re ta 1 ，i n f o r m a t i o n d i s p l a y ，5 & 6 0 1 ，p p 2 6 ： 1 4 c o m p a r i s o no fp i x e lc i r c u i t sf o ra c t i v em a t r i xp o l y m e r o r g a n i cl e d d i s p l a y s ，d f i s h ，n y o u n g ，m c h i l d s ，s i d0 2d i g e s t ，p p 9 6 8 - 9 7 1 ： 第二章电流分场显示 第二章电流分场显示 本文首次提出了一种电流分场显示模式的驱动电路，它可以通过每个子场的 输出电流的自调整，不需要复杂的附加电路就能达到精确而且较高的灰度级表 示，同时可以实现数字化显示。本电流分场显示模式同时简化了时序和电路结构， 而且能实现较高的一致性，它可以用简化的电路和时序实现b l e d 显示的较好的 致性和较高灰度级显示。而要扩展本电流分场显示电路以实现更高的灰度级， 不用增加驱动电路的规模，而只需要简单地增加予场数目和相应的参考电流即 可，从而大大的降低了驱动电路的复杂度，增强了其可方便升级的能力。电流分 场显示模式为等间隔分场，从而避免了过高的工作频率：而使用成比率的电流在 不同子场的组合来实现灰度表示，每一列只需要一个电流输出晶体管和相应的列 开关晶体管驱动，省略了其他驱动模式中的数模转换电路、计数电路和比较器电 路，简化了电路复杂性，因此成本可大大降低。总之，对比现有的其他各种驱动 电路，电流分场显示能实现比较高的一致性，同时简化了时序和电路结构，而且 可以降低功耗并减小o l e d 的衰退速度。 2 1o l e d 驱动的问题 2 1 1b l e d 灰度显示的实现原理 评定显示质量的一个重要参数，就是它具有多少灰度级的显示能力。人眼对 发光亮度的感觉有积分特性，即不仅与物体本身发光亮度有关，而且与物体发光 的时间长短有关【2 ”。对于b l e d 的灰度显示，o l e d 在一个显示周期内显示的不同 亮度取决于o l e b 的发光强度和显示周期的长短，所以： ( 在一个显示周期内人眼感觉的亮度) l 产( b l e d 的亮度) l ( 显示周期) t ( 2 1 ) 而如第一章所述，o l e d 工作时，其发光亮度一电流( 密度) 特性关系是基本 线性的，即 l = a i m o ( 2 2 ) 6 第二章电流分场显示 其中a 为一比例常数，主要与o l e d 的发光效率有关。将2 2 式代入2 1 式，可 得o l e d 灰度与其电流和显示时间的关系： l ，= a i m 上。t ( 2 3 ) 从2 3 式可以看出，人眼感到的o l e d 发光亮度即灰度由o l e d 电流大小和其 发光时间决定。所以，要实现有灰度级的显示可以： 1 ，调节i 。的大小( 模拟电压法、模拟电流法) ； 2 ，调节( 分配) 显示时间t ( p w m 、时间比率分场显示) ； 3 ，同时调节i o l e d 和显示时间( 时间序列法、电流比率法) 。 2 1 2 有源驱动像素基本结构和驱动模式 有源( t f t 或晶体管) 驱动o l e d 的原理结构可以归结为一个栅极带有存储电 v d d 图2 1 有源驱动o l e d 像素的基本结构 容c 。的驱动管t 1 和o l e d 的耦合对，如图2 1 所示。图中晶体管或t f tt i 为驱 动管，负责为o l e d 在一个显示周期里提供稳定的电流；c s 为存储电容，它上面 存储的电荷所产生的电压v g 可以控制t 1 漏极输出电流的大小，从而控制o l e d 的工作电流和亮度。根据驱动模式不同，驱动管可以工作在开关态或是压控电流 源( 阱) 态。而存储电容上存储的电荷可以在非选通时维持驱动管栅源电压不变， 从而为o l e d 在一整帧内提供持续恒定的电流。 如前所述，为了达到控制o l e d 亮度即显示灰度的目的，可以分别调节o l e d 的电流和其显示时间，或是同时调节二者。为了实现这一思路，结合图2 1 所示 第二章电流分场显示 的结构，可以发现控制v g 的大小可以调节驱动管t 1 漏极的电压或电流，而模拟 电压和模拟电流法就是利用了这样的原理【2 2 】。而如果将v g 的值限制在0 和 l ，即t 1 只有关闭和开启两个状态，为了显示不同的灰度，可以控制o l e d 在一个显示周期里的实际显示时间，这就是脉冲宽度调制法和时间比率法的原理 f 2 3 】【24 1 。时间序列法【2 5 埽口电流比率法( 电流分场显示) 均为等间隔分场：时间序 列法通过在每个子场o l e d 和驱动管两端的压降v d d 的大小来控制o l e d 电流的大 小从而实现灰度显示，而电流比率法是利用成比率的电流来驱动像素，通过不同 的电流组合来实现灰度显示。 电压信号驱动 电压信号驱动的实质是输入电压信号，调节驱动管的栅源电压，从而使驱动 管的工作点变化，进而调节驱动管和o l e d 耦合对的电流( 灰度) 。电压信号施加 在驱动管的栅极，并存储在c 。上。 电流信号驱动 电流信号驱动的实质是用与希望流过o l e d ( 能产生相应的灰度) 电流大小相 等的电流信号代替电压信号。电流信号应施加在驱动管的漏极，并同时为栅极电 容充电，通过自调整过程使驱动管栅源电压调整到合适的大小，产生相应的电流 输出。 模拟驱动数字驱动 模拟信号驱动时输入信号的幅度是“连续”的( 即对应于n 个灰度级分为r 1 个幅度值) ，驱动管输出的电流幅度也为i 1 个；数字驱动时输入信号只有0 、1 ( 高 低电平或电流) 两个值，而驱动管只有开和关( 有电流输出和无电流输出) 两个 状态a 在分场显示中，m 个子场可实现2 ”个灰度级：p w m 则将显示周期分成2 m 份。 准数字驱动( 等间隔分场显示) 每个子场的亮度或电流成比例，但幅值只有l ，2 ，2 ”1 等有限个( m 个) 。 驱动管在m 个子场分别输出这m 个电流。 第二章电流分场显示 2 1 3o l e d 驱动的问题 作为一种新型的显示技术，目前o l e d 驱动技术还不很成熟，仍然存在一些 关键问题需要解决。其中一致性问题是一个最重要的问题。要实现高质量的显示， 就要o l e d 满足大面积、高分辨率、高色彩均匀度等要求。而这些要求与o l e d 显示的一致性直接相关。在有源矩阵中，这种不一致问题的来源在于整屏内t f t 的不一致性。而这与激光退火生成晶粒大小的无规分布有关，其表现则主要是各 个t f t 的阈值电压v t 和迁移率u 的差异。这些差异导致了不同像素将产生不同 的电流，从而亮度产生了随机的起伏。显示屏显示的图像将包含随机的噪声，而 噪声高于几个百分点时将被人眼觉察n e 26 1 。 图2 2 所示的电流源像素电路比较简单但是对t 2 的栅压和迁移率变化敏感。 这些参数的变化意味着一个为图2 2 中t 2 给定的栅源电压将在不同的像素中产 生不同的电流。由此导致不同像素间的亮度随机变化。亦即是使图像产生随机噪 声。为了使这样的噪声不被观察者察觉，由t f t 阈值电压和迁移率引起的电流变 化必须低于2 1 26 1 。对一个m o s f e t 使用简单的平方律( i = 且( v - v ，) 2 2 ) ，可以得到 电流的百分比变化。( i ) i 相对于闽值电压变化o ( v ，) 的比值为： ! 盟：型堡! 例) j ( y 一) 、 v s e 勺 鲻 誊 j c c v d d 图2 2 电流源像素结构示意图 9 第二章电流分场显示 式中v 是栅源电压v ，是平均闽值电压。对迁移率作同样的分析得： 掣：一g c u ) ( 2 5 ) “ 式中o ( u ) 为迁移率变化，u 为平均迁移率。当接近阈值电压时，电流的百 分比变化非常大，这使得显示低灰度级非常困难。迁移率变化保持恒定，因此不 太重要。为了解决这些条件变化问题，必须对像素电路改进以补偿阈值电压和迁 移率的变化。 2 1 4 几种主要的驱动模式与像素电路 实际的像素电路包括用来选通本像素的开关管和完成电流编程或其他特殊 功能的开关管。像素电路的形态和工作过程都与驱动模式的选择有关，合适的驱 动模式应当兼顾外围驱动电路、数据处理电路、控制电路的复杂度以及尽量简化 时序。而要提高有源矩阵o l e d 显示屏的一致性，应该综合考虑驱动模式和像素 电路。总之，有源矩阵o l e d 显示器驱动模式的设计目标应当是高质量、低成本 和低功耗的完美结合。 在上述基本的驱动管和o l e d 耦合对上加入选址开关( 或者再加上其他开关 晶体管) 即可构成实用的有源矩阵像素电路。 模拟和数字模式下的电流源像素 电流源像素是最简单的结构，具有一个驱动管和一个选址管，如图2 ，2 所示。 它的工作模式包括基本的幅度调制和脉冲宽度调制。 经过大量的分析发现，随着驱动管t f tt 2 的栅源电压越来越接近闽值电压， 电流的不一致性越来越大，这与实验结果也是符合的。这时驱动管工作在模拟模 式下。 而若让驱动管t 2 工作在其线性区( 开关态) ，像素就可以工作在数字模式之 下，即完全打开或关闭。灰度级可以用脉宽调制或面积比率法或者二者的结合以 及时间比率法实现。 当驱动管t f tt 2 工作在线性区时，其工作方程可写为： 1 0 第二章电流分场显示 护k 。舡一巧圯一爿亿e ， i 。为t 2 的漏极电流，在像素中等于o l e d 的工作电流i 。v 6 。为t 2 的栅源电 压，v 。为其漏源电压，k 为一与工艺有关的常数。 当t f t 工作在开关态时，u 。远大于u 。现在考虑砜。产生一个很小的变化， 则会发生如下的负反馈反应： v c s 增大一i 。( i 。) 增大一v o 。增大一v 。减小一i 。( i 。) 减小； 反之： v c s 减小一i o ( i 。) 减小一v o 。减小一v 。增大一i 。( i 。) 增大。 可见，无论是u 。产生增大还是减小的变化i 。都会通过相应的负反馈反应而 保持相对稳定的值，这就是为什么数字型驱动模式可以克服k 的变化所产生影 晌的原因。 阈值电压搬移像素 图2 3 闽值电压搬移像素结构示意图 在每个选址时间内闽值电压被自动测量和补偿，然后再叠加数据信号。即在 输入信号前驱动管t 2 工作在预开启的状态，v g s = v t 。在测量时间足够长的情况 下这一过程可以消除v t 不一致性的影响1 2 7 】。但是迁移率的影响依然存在。闽值 第二章电流分场显示 电压搬移像素用复杂的电路和时序达到了补偿阈值电压差异的效果，可以说是一 种不太理想的像素电路。 电流镜像素 之所以采用电流镜像素，是因为o l e d 最适于用电流驱动，最好是像素电路 先由电流编程然后再将这一电流镜像到o l e d 中。采用这种方法，由v t 和迁移率 引起的电流差异都可以基本消除。 有许多电路可以用来实现这种像素。其中一种是用同一晶体管接收和镜像编 程电流( 动态电流镜) ，而不用与其匹配的对管( 不好的匹配亦会导致附加的不 v s e 图2 4 电流镜像素结构示意图 d 一致) ，如图2 4 所示。预充电可以优化像素的驱动速度，即使在低电流下也能 快速驱动。 综上所述，有源矩阵o l e d 的像素电路和驱动模式是相互关联而又相对独立 的。无论是电流还是电压像素都可以工作在模拟或是数字模式下，而考察一种像 素结构驱动模式时应考虑其一致性、电路规模、时序要求以及功耗等问题。 2 2 电流分场显示模式的工作原理 将o l e d 显示屏的一个显示周期t 分为n 个相等的予场，每个子场的长度均 为t n 。每个子场提供给像素的电流分别是1 ，2 ，4 ，2 - l 倍于单位电流的电 1 2 第二章电流分场显示 流，这样将有o 一( 2 “一1 ) 共2 。种电流组合，可以实现2 “级灰度。每个子场o l e d 上究竟流不流过电流，受显示数据相应位的数据决定，是1 则流过，是0 则没有 电流流过。 以n = 4 为例，显示数据为4 位二进制数，每一位为0 或1 。将t 分成4 个相 等的子场，每个子场的长度均为t 4 。4 个子场输出给o l e d 显示屏的电流分别是 1 ，2 ，4 ，8 倍于单位电流i 。大小的电流。第一子场对应显示数据的最低位，电 流大小为1 x i o ；第二子场对应显示数据的次低位，电流大小为2xi 。：第三子场 对应显示数据的次高位，电流大小为4 x i o ；第四子场对应显示数据的最高位， 电流大小为8 i o 。根据o l e d 发光的亮度公式l p = a i o 。t ( 见公式2 3 ) ，下面 逐项说明各个不同的显示数据下具体对应o l e d 发光的情况。 考虑显示数据d a t a = 0 0 0 0 ，每个子场的电流均不能流过o l e d ，o l e d 上的电 流总是为0 ，所以 l p = o ，灰度级为0 ； 当d a t a = 0 0 0 1 时，只有最低位上的l 所对应的第一子场的电流，即1 x i 。 可以流过o l e d ，所以 b - - - - a i o t 4 ，灰度级为l ； 当d a t a = 0 0 1 0 时，只有次低位上的1 所对应的第二子场的电流，即2 i 。 可以流过o l e d ，所以 l p = 2 a x i o t 4 ，灰度级为2 ； 当d a t a = 0 0 1 l 时，只有次低位上的1 所对应的第二予场的电流，即2 i 。， 和最低位上的l 对应的第一子场的电流，即1 i o ，可以流过o l e d ，所以 l , - - - - 2 x a x i o t 4 + a x i o x t 4 = 3 x a x i o t 4 ，灰度级为3 ： 当d a t a = o 1 0 0 时，只有次高位上的1 所对应的第三子场的电流，即4 i 。 可以流过o l e d ，所以 l p = 4 x a i o x t 4 ，灰度级为4 ； 第二章电流分场显示 当d a t a = 0 1 0 1 时，只有次高位上的l 所对应的第三子场的电流，即4 x i o 和最低位上的1 对应的第一子场的电流，即1 i o ，可以流过o l e d ，所以 l p - - - - - 4 a x i o t 4 + a x i o x t 4 = 5 a x i o x t 4 ，灰度级为5 当d a t a = 0 1 1 0 时，只有次高位上的l 所对应的第二予场的电流，即4 i o ， 和次低位上的l 对应的第二子场的电流，b 口2 i o ，可以流过o l e d ，所以 l p = 4 x a i o t 4 + 2 x a i o x t 4 = 6 a i o x t 4 ，灰度级为6 当d a t a = 0 1 1 1 时，只有次高位上的l 所对应的第三子场的电流，即4 i o ， 次低位上的1 对应的第二予场的电流，即2 x i o ，和最低位上的1 对应的第一子 场的电流，即1 i o ，可以流过o l e d ，所以 l p ；4 x a x i o x t 4 + 2 x a i o t 4 + a x i o x t 4 = 7 x a x i o t 4 ， 灰度级为7 ； 当d a t a = 1 0 0 0 时，只有最高位上的1 所对应的第四子场的电流，即8 x i o 可以流过o l e d ，所以 l e = 8 a x i 。t 4 ，灰度级为8 当d a t a = 1 0 0 1 时，只有最高位上的1 所对应的第四子场的电流，即8 i 。， 和最低位上的1 对应的第一子场的电流。即lxi 。，可以流过o l e d ，所以 l e - - - - 8 a i q x t 4 + a x i o x t 4 = 9 x a i o t 4 。灰度级为9 ； 当d a t a = 1 0 1 0 时，只有最高位上的1 所对应的第四子场的电流，即8 i 。， 和次低位上的1 对应的第二子场的电流，即2 i o ，可以流过o l e d ，所以 l p = s x a x i o x t 4 2 a i o t 4 = - 1 0 a i o x t 4 ，灰度级为1 0 ； 当d a t a = 1 0 1 1 时，只有最高位上的1 所对应的第四子场的电流，即8 xi 。， 次低位上的l 对应的第二子场的电流，即2 i o ，和最低位上的1 对应的第一子 场的电流，即1 i o ，可以流过o l e d ，所以 1 4 第二章电流分场显示 l p = 8 a x i o r 4 + 2 x a i o t 4 + t i o t 4 = 1 1 x a i o t 4 ， 灰度级为1 1 ： 当d a t a = 1 i 0 0 时，只有最高位上的1 所对应的第四子场的电流，即8 i 。， 和次高位上的1 对应的第三子场的电流，即4 xi 。，可以流过o l e d ，所以 g = 8 a x i o x t 4 + 4 a i o x t 4 = 1 2 a i o t 4 ，灰度级为1 2 ； 当d a t a = 1 1 0 1 时，只有最高位上的1 所对应的第四子场的电流，即8 i 。， 次高位上的1 对应的第三子场的电流，即4 xi 。，和最低位上的l 对应的第一子 场的电流，即1 x i o ，可以流过o l e d ，所以 l p 2 8 a x i o x t 4 + 4 x a i o x t 4 + a x i o t 4 = 1 3 x a x i o t 4 灰度级为1 3 ： 当d a t a = 1 1 1 0 时，只有最高位上的1 所对应的第四子场的电流，即8 xi 。， 次高位上的1 对应的第二子场的电流，即4 x i 。，和次低位上的l 对应的第二子 场的电流，即2 x i o ，可以流过o l e d ，所以 g = 8 a x i o x t 4 + 4 x a x i o x t 4 + 2 a x i o x t 4 = 1 4 a x i o t 4 ， 灰度级为1 4 ； 当d a t a 2 1 1 1 1 时，晟高位上的1 所对应的第四子场的电流，即8 x i o ，次高 位上的1 对应的第三子场的电流，即4 x i 。，次低位上的1 对应的第二子场的电 流，即2 x i 。，和最低位上的l 对应的第一子场的电流，即l x i 。，都可以流过 o l e d ，所以 l p = 8 x a x i o x t 4 + 4 x a x i o x t 4 q - 2 x a x i o x t 4 q - a x i o x t 4 = 1 5 a i o x t 4 ， 灰度级为1 5 ； 综上所述，通过4 个子场在不同的显示数据下产生的电流的不同组合，o l e d 显示的灰度可以生成o - - 1 5 共1 6 级。由此可以看出，电流分场显示模式是一种 ls 第二章电流分场显示 准数字的模式。它所应用的电流大小只有1 ，2 ，4 ，。2 ”共n 种，而通过显 示数据控制这些电流的不同组合，可以实现2 “级的灰度显示。 另外，值得指出的是，电流分场显示模式的驱动电流是统一的，要增加显示 灰度，只需增加分场数目和相应的成比例电流数目，而不用增加额外的电路。这 一问题将在后面章节详细讨论。 2 3 电流分场显示模式的优势 电流分场显示驱动模式是一种性能优良、新颖实用的无源或有源矩阵有机发 光二极管显示屏驱动模式。不同的灰度级可以通过不同的电流组合来实现，对于 简单的4 分场显示，通过显示数据在不同子场控制参考电流的输出，就可以表示 出o 一1 5 的1 6 个灰度级。由于o l e d 发光与其电流呈线性关系而与电压呈非线性 关系，所以采用电流代替电压驱动能实现更高的灰度一致性和精确度。而要扩展 本电路以实现更高的灰度级，不用增加驱动电路的规模，而只需要简单地增加子 场数目和相应的参考电流即可。 电流分场显示驱动电路为等间隔分场，避免了过高的工作频率；而使用成比 率的电流在不同子场的组合来实现灰度表示，每一列只需要一个电流输出晶体管 和相应的列开关晶体管驱动，省略了其他驱动模式中的数模转换电路、计数电路 或比较器电路，简化了电路复杂性，因此成本大大降低。我们已将这种驱动电路 模式申请了专利，并已被国家专利局接受，正在公开审查中。 电流分场显示模式可以用简化的电路和时序实现o l e d 显示的较好的一致性 和较高灰度级显示，从而优于现有的其他驱动电路，而且可以实现数字化显示。 对比现有的各种驱动电路，本发明同时简化了时序和电路结构，并能实现比较高 的一致性。 2 3 i 一致性 如前所述，电流分场显示的主要优势在于可以很好的解决一致性问题。采用 电流信号代替电压信号，可以有效地避免包括闽值电压和迁移率在内的t f t 参数 差异造成的像素间发光的不一致，甚至t f t o l e d 耦合对的偏置电压v d d 的微小 1 6 第二章电流分场显示 起伏影u 吼也能被克服。考虑电压信号驱动的o l e d ，如前所述，可以看出t f t 的 闽值电压v t 和迁移率u ，以及t f t 的漏源电压v d s 均对t f t 的输出电流，即对 o l e d 的工作电流产生影响。而t f t o l e d 耦合对的偏置电压的漂移将导致t f t 的 工作点的漂移，从而导致其漏源电压v d s 的变化，最终导致o l e d 工作电流的变化。 所以，图2 2 所示的电流源像素电路虽简单实用但会受到驱动管t 2 阈值电压 和迁移率变化的影响。低温多晶硅( l t p s ) 薄膜晶体管( t f t s ) ，因激光退火时形 成晶粒的随机差异而引起不同点间的器件闽值电压和迁移率差异的现象，是所有 激光退火l t p s 所固有的。这些参数的差异的存在，则意味着，对于给定的施加在 t 2 上的栅源电压，不同的像素会产生不同的电流。这将返回来导致不同像素间亮 度的随机差异。结果是显示图象包含随机噪声。 而电流信号驱动的o l e d ，其驱动管工作在饱和区，对于如图2 4 所示的电流 镜像素，其o l e d 是共阴极的。在写入相即编程态，通过在行扫描线上施加高电平， 使选通管t l 和t 3 导通，而o l e d 阴极接高电平。这时列数据线上的电流信号通过 选通管t 3 连接到驱动管t 2 的漏极，同时通过开关管t 1 将存储电容充电，在驱动 管导通后，通过流过驱动管t 2 漏极的电流和存储电容在驱动管栅极产生的电压的 自调整过程，驱动管t 2 最终建立起与列数据线上的电流相等的电流。在显示相， 行扫描线上施加低电平时，选通管t l 和t 3 截止，o l e d 阴极接地，驱动管受其栅 源电压的控制输出与刚爿同样大小的电流，使o l e d 像素发光。驱动管t 2 输出的 电流大小只与列数据线上的电流大小有关，通过调整这个电流，可以使驱动管t 2 输出不同大小的电流，并使o l e d 显示不同的灰度级。 通过白调整过程，驱动管t 2 的漏极电流与其栅源电压自动匹配，即t 2 的栅 源电压被固定到一个合适的值，使得其漏极输出相应的电流。这一栅源电压包含 了闽值电压的变化，即与阈值电压无关，而只要t 2 开启，其漏极流过信号电流， 那么其栅源电压就会被自动调整到合适的值以符合驱动管的工作方程。电流信号 驱动方式可以补偿阈值电压和迁移率的变化，使得o l e d 工作电流仅与输入电流信 号i d a t a 有关，而与t f t 的特性无关，这样就可以克服t f t 的差异的影响。 2 3 2 电路规模和时序 第二章电流分场显示 电流分场显示模式利用四个子场自动输出四个成比率的电流源代替单一输 出电流源。这样，可以将一个显示周期分为4 个相等的子场，每个子场的驱动电 流依次为单位电流的l ，2 ，4 ，8 倍，即四个成比率的电流源。这时，最小的点 亮时间只是未分场时的1 4 ，可以有效地避免大电流，而又达到较高的灰度级。 用成比率的电流源代替了时钟计数来表示灰度级，它通过每个子场的数据的自调 整，可以不需要附加电路就能达到正确而且较高的灰度级表示，它不需要计数器， 同时简化了时序。 电流分场显示模式的特点可以概括为：全数字，较高灰度，列驱动器寄存器 简单( 与列数相同) ，时序简单( 频率仅为p w m 和分场显示的1 4 ) ，电路简单( 不 需要数模转换器d a ，计数器，比较器等) 。对比于其他的显示模式，可以看出 电流分场显示模式综合了一致性高、电路和时序简单等优点。为详细对比，将几 种主要显示模式的特点总结如下： 模拟电压电流驱动 数模混合，灰度显示，列驱动寄存器为n x m ( n 为列数，m 为显示灰度位 数，1 6 级为4 位) ，需要数模转换器d a ，对于不同的电流驱动其充电时间不好 估计从而预充电时间不好控制； p w m 方式 全数字，灰度显示，列驱动寄存器为n x m ，需要计数器比较器，工作频 率高( 对1 6 级灰度，为原来的1 6 倍) ，不需要附加模块处理帧数据； 时间分场显示 全数字，灰度显示，列驱动寄存器为n ，工