（微电子学与固体电子学专业论文）平板显示恒流驱动芯片其系统的设计与研究.pdf

摘要 在显示器件发展初期，阴极射线管( c r t ) 占据着主导地位随着科学技术 的发展，显示技术也在不断地更新换代显示器件朝着高分辨率、高清晰度以及 便于携带的方向不断发展，于是平板显示器应运而生并逐步应用于各个领域而 在众多的平板显示器中，o l e d 无疑是最具有发展前景的 o l e d 显示屏的应用离不开它所需要的驱动控制电路，通过驱动电路来获得 良好而平稳的电流，使o l e d 显示更加均匀，满足各种场合的应用要求，同时 可以延长o l e d 的使用寿命 论文分析了o l e d 的发光原理及其相应的显示驱动，提出o l e d 显示的一 个重要因素在于稳定的电流输入由于o l e d 显示屏尚不太成熟，考虑到l e d 的显示参数与o l e d 及其相似，论文首先设计并流片了一种八通道l e d 恒流驱 动控制芯片它采用0 6 u m c m o s 工艺，输入电压范围为3 5 5 v ，各通道输出 电流范围为5 1 2 0 m a ，且输出电流大小可调本文完成了设计的前端工作，包 括电路功能确定电路具体性能指标的确定、子电路的设计与仿真、整体电路的 仿真验证工作。 同时本文在设计的l e d 恒流驱动芯片的基础上，设计了一套三基色l e d 恒 流显示系统，该系统通过单片机的控制，使得通过恒流芯片驱动的l e d 屏显示 七种颜色的动态字符，且本文设计的芯片能成功应用于该系统，验证了其可用性 最后本文在成功设计了可应用与实践的l e d 驱动芯片后，对相应的o l e d 驱动进行了一定的探索研究 关键词：o l e d ，l e d ，恒流驱动，带隙基准源，电流镜，电荷泵 a b s t r a c t i nt h ee a r l yd e v e l o p m e n to ft b ed i s p l a y , t h ec a t h o d er a yt u b e ( c r t ) o c c u p i e dt h e p r e d o m i n a n tp o s i t i o n a l o n gw i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，t h ed i s l a y t e c h n i q u eh a sa l s ob e e nr e n e w e dt oc h a n g et h eg e n e r a t i o nc o n s t a n t l y t h ef l a tp a n e l , l i s p l a ye m e r g e dw i t ht h et i d eo ft h et i m e sa n dg r a d u a l l ya p p l i e di ne a c hr & d i i n a m o n gn u m e r o u sf l a tp a n e ld i s p l a y s , t h eo l e dh a st h e m o s tf o r e g r o u n do f d e v e l o p m e n tw i t hd o u b t l e s s t h eh u n c ho f o l e ds c r e e nr e l i e so nt h ed r i v i n ge l e c t r oc i r c u i t ，w i t hw h i c he l e c t r i c c u r r e n tc o u l db es t i m u l a t e ds m o o t h l ya n ds t e a d i l y , l e a d i n gt oaf a i r e rs c r e e nt os h o w , a m o r ea d a p t a b i l i t yt oa p p l yi na l lk i n d so f c i r c u m s t a n c e ，a n dal o n g e rt i m et os u s t a i n t h i st h e s i sa n a l y z e dt h el u m i n e s c e n c ep r i n t i p l ea n dt h ed r i v i n gi co fo l e d , a n d a ni m p o r t a n tf a c t o rt h a t p u tf o r w a r di s t h ec o n s t a n tc u r r e n tf o ri n p u t t i n g i n c o n s i d e r a t i o no ft h es i m i l a r i t yo fd i s p l a yp a r a m e t e r sb e t w e e no l e da n dl e d ，a n d t h ei m m a t u r em a n u f a c t u r eo fo l e d ，t h i st h e s i sa r s t l yi n t e n d si nd e s i g n i n ga8 c h a n n e l sc o n s t a n tc u r r e n td r i v i n gi cf o rl e dt h r o u g ha n a l y z i n ga n dd e m o n s t r a t e i t a p p l i e st h et e c h n i q u eo f 。镜6 姗c m o s ：w i t ht h ev o l t a g er a n g i n gf r o m3t o5 5 c u r r e n ti ne a c hc h a n n e lr a n g i l 】gf r o m5t o1 2 0r a n , w h i c hc o u l db ea d a p t e db ya e x t e r n a lr e s i s t a n c e t h i st h e s i sh a sf i n i s h e dt h ef r o n te n dd e s i g n , i n c l u d i n gt h e i d e n t i f i c a t i o no ft h ef u n c t i o no ft h ee l c c h oc i r c u i t , i d e n t i f i c a t i o no fi t sa c c o r d i n g c a p a b i l i t yi n d e x , d e s i g na n dd e m o n s t r a t i o no f i t ss u b - e l e c t r oc i r c u i t ，a n dv a l i d a t i o no f t h ew h o l ee l e c t r oc i r c u i t m e a n w h i l e ，at r i c o l o rl e dd i s p l a ys y s t e mw i t hc o n s t a n tc u r r e n th a sa l s ob e e n d e s i g n e d t h r o u g ht h ec o n t r o lo fs c m , t h el e d s i b - r e c ni sa b l et os h o wd y n a m i c w o r d si ns e v c o l o r s t h i st h e s i sh a sf i n a l i z e dt h ev a l i d a t i o ni t sc a p a b i l i t y a r e rt h es u c c e s s f u ld e s i g no fc o n s t a n tc u r r e n t 出i v i l l gi cf o rl e d ，t h i st h e s i sh a s r e s e a r c h e di nt h ec o n s t a n tc u r r e n td r i v i n gi cf o ro l e d k e y w o r d s ：o l e d ，l e d ，c o n s t a n tc u r r e n t ，b a n dg a p , c u r r e n tm i r r o r , c h a r g ep u m p 中山大学硕士学位论文 第1 章引言 二十一世纪是信息大爆炸的时代。1 9 6 0 - 1 9 9 0 年信息的平均年增长率为 2 0 ，到2 0 2 0 年将达到每半月翻一番的惊人速度。大量的信息通过“信息高速 公路”传递，要将这些信息传送给人们必然要有一个下载的工具，即接口的终端。 研究表明，在人们经各种感官从外界获得的信息中，视觉占6 0 0 1 6 ，听觉占2 0 0 6 ， 触觉占1 5 ，味觉占3 ，嗅觉占2 。可见，近三分之二的信息是通过眼睛获 得的。虽然信息也可以以文字的形式表达出来，但其每分钟能传送的信息量只能 是几百字节，有时还不一定能表达清楚，而用图像来传送信息就非常方便快捷， 一幅电视图像有几十万个像素组成，高清晰度的电视图像可以达到百万个像素， 并且一目了然，比任何口头文字描写都清楚，这就是所谓的“眼见为实”。所以 图像显示成为信息显示中最重要的方式。 在显示器件发展初期，阴极射线管( c a t h o d er a y t u b e ，c r t ) 因为其成熟 的理论和工艺占据主导地位。随着科学技术的发展，显示技术也在不断地更新换 代，显示器件朝着高分辨率、高清晰度的方向发展。市场对高分辨率、高清晰度 的显示器件需求量越来越大，人们对显示质量的要求也越来越高，对显示器的要 求也越来越多样化“1 于是平板显示器( f l a tp a n e ld i s p l a y ，f p d ) 应运而生并开 始飞速发展，特别是液晶显示器的质量大幅度的改善，价格又持续下降，不但在 中小屏幕显示中代替了c r t ，而且也快速的进入了计算机显示器的领域。就世 ， 界范围而言，以液晶显示为主的平板显示器的产值，在今年内将超过c r t 显示 器产值。所以二十一世纪将是平板显示器的时代，人们多年以来梦寐以求的、薄 而轻的壁挂式电视机已经出现并将在不久的将来得到普及。 1 1 平板显示器的发展 平板显示器除了现在最为流行的液晶显示器( l c d ) ，还包括等离子体显示 中山大学硕士学位论文 器件( p d p ) 、发光二极管曼示器 牛( l e d ) 、等离子寻址液晶显示器件( 鼢毛q 、 场发射显示器件( f e d ) 、表面传导发射显示器件( s e d ) 、有机电致发光器件 ( o l e d ) 、无穰l 电致发光器佟( i o e l ) 等。下嚣将对其中的部分显示器绎予班说明。 1 。1 。i 等离子体显承嚣停( p d p ) 等离子体显示器件( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，p d p ) 的出现源自美国i l l i n o i s 大 学的教授b i t z e r 和s l o t t o w 与1 9 6 4 年制作出具有存储特性的单色p d p 。纂于这 顼发骥熬零色p d p 农整基麓卡足每孛苓瑟发震，到弱年 弋锈，警疆残为鑫摇圭 鼯地位的大面积平板显示器件 2 l p l 。1 9 9 3 年日本富士通公司率先实现了表颇放电 反射式结构，寻址和显示分离的2 1 英寸彩色a c p d p 的批鬃化生产。这种结构 豹p d p 其鸯亮度甍，寿会长，荔予全彩色显豢，逶溺大撬攮生产等统煮，或为 以后各大公司研制和开发的样板1 4 l 。 p d p 是靠氮、氖、氩、氙等惰性气体放电，产生紫外线，激发荧光粉发光。 p d p 其有滚下特点辩l ；l 、荔于实现薄羹大霹幕；2 、疑有嵩速番日巍祷毪；3 、爵 实现全彩色显示，视危宽广；4 、伏安特性非线性强，具有存储功熊：5 、爱图像 畸变；6 、工作于全数字化模式；7 、应用环境范围广，具有长寿命。正因为其上 述饶煮，p d p 在3 0 英寸瑗上翡簖分辨率显示领域其裔广游瀚市场潍。 由予屏幕尺寸秘分辨率等方藤的优势，在大型监视器方甄黔应用阂题不大。 但是由于p d p 中的等离子体要发如足够的紫外线来激发荧光粉发光，因此它需 黉维簿大龟流，弱极溅射率高，功耗大。p d p 黉成为h d t v 的主流显示器，就 必须解决效率、功裁、成本等阔鼷。 1 1 2 发光二极管显示器件( l e d ) l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 即发光二极管，它是一种半爵体固体发光器件， 秘瑗露髂半导体芯冀痒海发走毒| 籽，当释端掬上歪蠢魄篷，攀簿薅串戆载流子发 2 中山大学硕士学位论文 生复合引起光子发射而产生光。 l e d 在二十世纪六十年代初期闯世，早期l e d 以发出微弱红光光谱为主， 发光亮度在o 0 0 1 流明瓦。1 9 6 8 年，l e d 的研发取得了突破性进展，利用氮掺 杂工艺使g a a s p 器件的效率达到了1 流明瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色 光。而到1 9 7 1 年，业界又推出了具有相同效率的g a p 绿色裸片l e d 。二十世纪 八十年代后，日本企业率先实现技术突破，发光亮度达到5 l o 流明瓦。二十 世纪九十年代以后，随着新材料科学的发展，采取更为先进的低压金属有机物气 相外延( l p m o v p e ) 和低压金属有机物化学气相淀积外延方法( l p m o c v d ) 开发出更高亮度的l e d ，使得l e d 的应用领域更加广阔。 1 1 3 等离子寻址液晶显示器件( 队l c ) p a l c 是等离子寻址液晶显示器( p l a s m aa d d r e s s e dl i q u i dc r y s t a l ) 的缩写， 其原理与普通液晶显示器相同，只是寻址采用等离子方法。 p a l c 在分辨率、色彩和亮度等方面相对于当前水平的p d p 都有优势。由 于大面积液晶灌注上的困难以及厚度均匀等问题，液晶层不能太薄。液晶器件的 响应时间正比于厚度的平方，厚层将造成p a l c 反应速度慢，引起运动图像模 糊，难以达到快速动画的高画质，这将限制其在高质量h d t v 方面的应用，但 在工作站和其它一些不要求快速动画面的场合会得到很好的应用。 目前，索尼、夏普和飞利浦合资在日本设立的工厂已经开发出4 2 英寸的 p a l c ，亮度达到4 0 0 c d m 2 。 1 1 4 场发射显示器件( f e d ) 由于电子束轰击荧光粉发光在彩色显象管中的广泛应用，三基色都有比较理 想的粉料，平板化的c r t 必定有好的性能，这也是人们研究开发的热点之一 9 0 年代初出现的场发射显示器件( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，f e d ) 就是朝这一方 中出大学礤士学往论文 翔迈出的一步。 f e d 麓利丽场数澄鸯雩冷飙袄发射酌魄子索轰衡爱宠粉褥发光瀚显示器。它 激稼臻擞射线鹜，舞勰檄墩予稔和鬻檄荧光霹，只不瓣电子稔帮荧光屏是两许平 缀玻璃，榻强糕褥缀避。f e d 显豢技零越怒c r t 辫掇懿线蛰煞啜灌溥联岛波黠 爨示器静轻薄缡合越来，绪莱是舆毒液艇霾示嚣静轻便、c r t 簸示器静袄速蛹 癜速瘦帮魄液黼显示嚣大褥多静亮度藕税角。激熬f e d 其裔诸多优点，识它矮 存在瑟法爨涯翳投浆均匀髅、寿命苓够长、驱动泡踌嫠聚、终擒裁嚣凌本嚣等戆 麓。一基这臻澜题褥到了锵浃，f e d 褥燕替代c r t 的壤佳选释之一1 6 1 1 7 1 粕。 i ，t 5 裘甏抟静茇赫显涿嚣搏( s e l l ) ) 鑫予激尖燮f e d 灌淡安囊夫跫寸，些薅裳转霭察荔实缆大爨辍蘸笈辫惫 予源，袭磁传謦发射显承嚣( s u r f a c ec o n d u c t i o ne l e c t r o ne m i t t e rd 秘轻哆，s e d ) 威运而磁，予1 9 8 6 年由健熊公司糟筝研制该技术。s e d 的发光原理类似c r n 瓣奄子秉轰辫舞笼露嫠冀疑畿。 这秘嚣 牛驰镱g 造羔慧- i - 分篱擎，榜辫渡费缀少，逶怒予大器舔。斑予焚惫嚣 融压达5 0 0 0 伙，平面电檄之间电臌只肖1 5 伏，消耗柱平面电极上的功率只占 2 3 ，羲藏葵楚竞袭搴豢委凌定予袭淹耪懿漉璃羧零，愆p d p 舞窭诲多耱。毒 p a l c 提纥，镌皮对瓣鬣，誉存在动瑙横麟熬蠲题。s e d 羁静静鼹大褰点蹩躐臻 好，它的解析力淡似液晶电视，而获度袭观力、可视角度、色域范围、动卷颟顽 裹凌、臻辩镶节表臻鸯粼蜀迭蘩褰缀鹃c r t 龟瓣窳乎。竞荬量程对院褒方嚣， 娆d 更宥蠛势。 虽然s e d 被普遍麓好，但它的缺点也是明显的。画面的巍度不够，2 0 0 6 每蓑窭秘5 5 葵寸瓣s e d 游毙寝霞遮爨t4 5 0e d m 2 。鏊藩l c d 魄鬣嶷霞普蘧遮 弱5 0 0e d m 2 戳上，p d p 恕程戮这爨1 0 0 0 e d m 2 鞋羔。 毒 孛出夫学硬圭掌链论文 1 1 6 有机电致发光器件( o l e d ) 有机薄膜电教发光器件( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e s ，o l e d ) 相对其他几种 平叛晟示出现得较晚，是近凡簪才迅速堀熬豹半导体光电元器件，因其其有全固 态、主动发竞、麓亮度、色彩霉富、低莲壹流驱动、靠l 备童艺篱单等特筑丽成兔 国际研究的热点，碰示界掀起了有机电致发光的热潮，在不别l o 年的时间内。有机 薄膜电致发光已经由研究进入产业化阶段，小尺寸的o l e d 蕾扳已经髓踣纯。 o l e d 发光驻示器技术霹瑷被用于秃潦矩阵和有源筑阵显示器。光源矩阵 o l e d 大多面向移动电话显承器、汽车音响显示器和m p 3 播放器。由乎基板的 良熬率低，有源贩簿o l e d 豹出货量较小。 缀撂i s u p p l i 的研究擐告撩出，随着越来越多电子褶美产品采用o l e d 科技， 2 0 0 4 年全球o l e d 市场规模达到4 7 亿美冗，预估至2 0 1 0 年全球0 l e d 市场规 模将达到4 0 亿美惩，2 0 0 4 2 0 1 0 年全球o l e d 蠢沥复合筝璞搴为7 5 1 。可殴说， o l e d 的应用嚣豢是广泛两美好鲍。 1 。2 显示器律酌主要性巍播标 1 亮度；亮波( l ) 懿攀德楚竣德短每警方来( c d m 2 ) ，露画嚣蹇璇豹要求 与环境光强度有必，例如，在电影院中，电影亮度有3 0 - - 4 0 c a m 2 就可以了；在 室内看电视，要求最示器的磷藤亮度应大予7 0c d m 2 ；在室外观看则黉求画面的 亮发疲运鬟3 0 0 磁矗矛。掰骧瓣离震量静要求瘫为3 0 0 翻糠。左右。 2 对比度；对比度( c ) 怒指画面上最大亮度( l l 。) 和最小亮度( l 岫) 的比 值，即： r c = 纽 ( 1 1 ) 上h - 好的图像显承要求显示器的对比度至少要大于3 0 ，这是普通观察环境下的 数攒。有时报遵豹菜静显示器佟戆黠琵度这裁数百或垂离，这是撵在没霄环境光， 串出大学磺士学短谂文 即在魑室中的测试数据。擞实餍中蟛燧濑坯壤光的辫以显示嚣侉必矮杏避够糍黔 舞麦孝爨可黻在实瑟菰淀下毒霆够熊对滋囊，霹隽这是豹霹鞲：寝为： c - - 畿 2 ， 式孛：l 龇蹩豢嚣凌瓷照翳疆忝霉主麴嶷囊。魏鬻酶蠛癸竞戆彩螭遵凌诗嚣零瓣 掰必矮考虑瓣嚣素之一。 3 ，晌碰时瓣、余群嚣尊阏：醺旋辨嬲燕指姨施鸯耩电援型爨现辫像畏示的彗孝瓣， 又藜主嚣黠瓣。姨霹薮奄潦蘸嚣豫萎承清失魏辩懑称菇下释辩瓣，黑舔余辫辩瓣。 电视显示对黹耍小予1 3 0 s 的响应时潲，一般主动缴光显示器件的响应时间都w 趺零予0 a r e s ，恧饕差秘发光型静l c d 篷示器绺稿域对淹必1 0 5 0 0 m s ，在黧淤 抉速毫藕黧像瓣，鑫予鹃纛辩藤舂长，会逛瑗蔻蓬现缳壤余豫，袋运凌匿缘攘糕。 所以液晶撼泳器在用于湖像变化缓悦的计算机裳永的响应时间不戚问题丽程你 为电撬缓姨糖辩，嚷瘦辩越藏太长了。 4 ，嚣承惫；发蠢鍪蒙器器锌袋光酶蘧色鞠攀蕊怒整显承嚣髀逶鬟或茨瓣黪 颇色称作撼承色。显示色盼为黑自，龄甑，多色和愈德四大类。人畿是在目光下 长大戆，丧躐蕾瞧裁围缀越，若季怒彩惫，建最好怒熬鑫色。盘予c r t 电视撬 程麓显忝彩毽卡努遘襄嬲垒彩色宅筏麓赣，掰辍警躐显示黎释黎农这个羲域毒 c r t 电视帆搬争，墩必颁熊实现金彩饿。大部分发光型平板鼹水器件实现红光 鼗露光蔻毙鞍褰爨，塑在安耀彩显黎审罄不可少戆蘩燕显承游疑嚣遥戮蓬失熬 溪难，热菇散鹃菱竞l e d 予近是筝臻戳蕊翡，孝缱彩佼l e d 天驻器纂获褥逸磁 发展。而尚澈的蓝光e l 确娌迟未汗发出来，严藿影响了它的推广臌用。对予非 澄是型l c d 整暴器佟粼磷骥在黑蠡显承霉上辫趣滤惫器实璐澎惫整示。在澎瞧 鬻豫显示逸藏凄轰鬟妁今晨灌予餐簿一释警援嚣拳嚣侮，懿不戆京蔫戆瓣决彩霞 照示技术，则屉不可能材大的发展前途的。 s z 撵滋垂与瀵糕蟪滤；驱蘑裳零辩瓣疆蕤趣懿毫_ 匿菇王孛棼嘏蓬v ，流 璐熊逡滚称魏溃耗毫濑a ) 。王器憋驻冬港耗惠溅鳃桑菝藏蔻藤器器箨翡瀵髓 功率。驱动电压有交流呶聪与直流电摄之分，如l c d 必须用戮流电驱动，黼 虢嚣玲、l e d 等鬟焉蠹漉避鬻蘑。 嚣藏纛予驱动毫疆壤成往，簧鹱撼零器终嚣羔纷嘏莲幕装蜷爨泼惫黪瓣) 中山大学硕士学位论文 的工作电压相适应，如l c d 的驱动电压只有几伏，可以与r 几电路相配合，这 就极大的降低了液晶显示驱动的成本，如果驱动电压上限不大于4 5 v ，则容易 采用i c 驱动。其中l c d 、l e d 、o l e d 和v f e 显示器件的工作电压比较低，其 值为o 5 , - 4 0 v 。而p d p 的驱动电压为2 0 0 v 左右，需要开发耐高压的m o s 管i c ， 这无疑将增大驱动电路的成本。 如果驱动超过2 0 0 v ，则这类高压i c 就难以实现了，或价格难以接受，因此 f e d 显示器件必须做成三极管模式，才能将驱动电压降到2 0 0 v 以下。 6 静态存储驱动功能：外加电压除去之后，仍能保持显示状态的功能叫存 储功能。存储功能可减少显示器件的功耗可有效的简化驱动电路，特别是在多路 驱动和矩阵选址时，发挥巨大的作用。 7 寿命：平板显示器件在发展过程中都遇到过寿命这个问题，因为作为实 用化的显示器件，寿命都应在三万小时以上。l e d 的寿命不成问题；p d p 的寿 命，直至近几年才解决；o l e d 的寿命正在解决中；f e d 寿命尚未解决；l c d 的寿命决定于所使用的材料的化学稳定性、耐湿性，一般说来寿命问题已解决。 综上所述，o l e d 与以c r t 为代表的第一代显示器和以l c d 为代表的第二 代显示器相比，有着明显的技术优势，可总结为以下几点： 1 o l e d 器件厚度薄，重量轻，非常适合应用在微显示设备中【9 】。 2 全固态结构，无真空、液体物质，抗震性好，适应于巨大加速度、振动 等恶劣环境；低温特性好，可在零下4 0 c 下正常工作1 0 1 。 3 主动发光，视角很宽，不会有选择视角的问题。 4 速度快，o l e d 器件单个像素的响应速度约为微秒级别，比l c d 元件 快2 3 个数量级l l 。 5 o l e d 采用的二极管是主动发光的，因此不需要背面光源，发光转化效 率高，功耗比液晶低1 1 2 1 。 6 o l e d 能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器。 7 因为o l e d 每一个发光元素都像一个小的灯泡，当关闭时可以使对比 度趋近无穷大1 1 3 。 有机电致发光器件( 0 l e d ) 正以其所具有的低电压、低功耗、高亮度、高 效率、宽视角、全彩色、易于制作在柔性衬底上等独特的优点使其在平板显示领 7 孛出太学鞭学位论文 域显拳了极大的竞争港力，掩蔽蠢邋今擎叛显承器黪掰究戆热煮。 1 3 | 主要硪究惠客 本文对髓e d 的显黎黢理、驱动方蔑逑髫努横，在饕舔了鞑勘躲一个重要 强拣是徐o l e d 提镶灌裳鹃毫流璐瑶，鞭究并设诗声望穗定魄淀鼢方法。考 滋弱l e d 帮o l e d 在霞零参数上静嵇徼之楚，讼及龇e d 群酌警产尚未成熟， 谯娃l e d 为饕健，蓄宠竣诗嫠渡冀了一教，遴邋l e d 整流显暴蕊黪。本文在瓣 游片毫鼹酌旗流谲带动畿发饕工季# 辍毽遴褥定缝帮定鬃豹分磷讨论麓基磷土，瓣 墩潞串静逻瓣羧筋筚嚣送稃定韵秘麓分析，并鼠搭建了一套臻予诚恒流芯片的 三基色l e d 驻暴系绞愆予验诞本文辑设计浆蕊冀。 最瑶本文夜成功设 城d 毽流驱动蕊片静鏊醚志，薅应稻予o l e d 懿谯滚 粼韵技米遴稽了一定的深索。 s 中山大学硕士学位论文 第2 章o l e d 显示机理和驱动方式 电致发光( e l e c t r o n l u m i n e s c e n t ，e l ) 是自然界中相当重要和普遍的一类自 然现象，是光电变换的基本过程之一【1 4 】。电致发光现象最早是在1 9 3 6 年由德国 的d e s t r i a 博士发现，但直到近年来由于固态化学与薄膜半导体技术的发展，e l 显示技术才逐渐受到重视。e l 的发光原理是向发光材料两端施加电压，使中问 发光层受激发后发光。根据发生电致发光的材料的不同，可以把电致发光分为无 机电致发光( i n o r g a n i ce l ) 显示技术和有机电致发光( o r g a n i ce l ) 技术。而对 有机电致发光来讲，由于发光物质的不同，又可分为用聚合物作为发光物质的聚 合物有机发光体( p l e d ) 和用小分子有机荧光材料作为发光物质的小分子发光 器件( o l e d ) 。 2 10 l e d 的发光机理和基本结构 o l e d 是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。其典型结构如图2 1 所示。 图2 - 1o l e d 的发光机理 9 中m 大学礤士学链论文 在铟锡裁化物o t o ) 遴明导电玻璃上测作一层几十纳米摩的鸯帆发_ 兜材料佟 发竞瑟，发纛簇主方蠢一羧鬣磅遗数豹龛_ | | 墓毫羧，i t o 鞠金耩惫校分秘终秀嚣 警豹 阳极和秘掇。为增强电予鞫空穴豹注入和传输钷力，邋常又在i t o 和发光层黼增 加一层骞橇整穴传输材料域在发光层髟食羼电叛之蚓增翔一层电子接竣瀑以提 离发竞效率。娄毫裰上秘上一定魄基辩，溺辍巍粥缀分翳产雯毫予稻空穴，菸照谯 泡场豹干# 溺下电子和空穴梅有机朦肉分嗣朝着对方魄极方向移动，缀过传输层谶 移到发悲骚，辩在发炎层中搁遇复合势糕放出能量，发光层审的褥热分子获搿该 裁量爱鑫已受激发蠛撩施鬣转移绘箕象分子，使其受激发馥鏊惑默遗瓣激发态。始 于激发态的分子回到基恣，将能量以光予形式辐射出菇，辐射光可从i t o 一侧观察 铡。遮翟搿掇懿鲍电予、空灾簧输层张笈是屡均耄蠢梗材鹳涮舔。濒瑟秘秘酶逡 释、嚣 孛绪秘鹣设诗秘黎l 备正艺决定了熬体器终经糍。 有机电皴发光的工作枫理不同予兹机电致发光，而与半导体发光二极管的机 邂分褪 毁，鼹与半导体笈光二辍管不瓣静是，有撬嘏致发巍器髂瓣迄靖主螫邋 遥载流予霰分予闻豹跃迂束运输，帮怒熊空褥愈穗髑域电蒋电流( s e l c ) 翡橇壤 正作。豳此，有机半导体中的载流予的移动能力比无机半导体中的要低几个 数量缀。焱蜜辩戆o l e d 巾，由于载澈予蓼蘸能秀太奎，o l e d 器俘裁蓠要羧 离豹工律惫箍，箴稃豹鞭灏，o l e d 受空瓣电荷戳剿，其注入豹魄流密褒瞧撬： 较高【嘲。通道一厚度为d 的薄膜的电流密度由下式确定f 1 6 】： = 拶8 ) e m c v 2 ，d 3 ) 2 1 ) 戏孛e 楚瞧鼹常数，醚篷裁浚予迁移攀，v 舞簿貘稀潍懿窀蕊。露辩蠢，这慧蔼 陷阱极限公式。实际上。o l e d 的发光功率与电流鸯j v ”的关系，其中m 2 。 2 20 l e d 的光电特饿 o l e dw 以看成是由不同功能层构成的异质绪，县有类似予凭机l e d 的 笈鬼纂遥：繇盛注久载溅予懿辐瓣鬣食发竞懿发巍艨理l 疆。胬2 - 2 舞季豹为 o l e d 静魄服。电流密凌麴线圈，南墅2 - 2 霹以器撼嚣传存在个嚣寝电疆。濑 外加电压小呵：开启电压时，器件电流几乎为零，只有尚外加电压趣过开启电压， l 挣 中山大学颈士学氇论文 电流才隧麓外加电压的增加而逐渐增大。由图2 - 2 还可以看出o l e d 的电压一 电淀跨缓秘p - n 结：羰管稳酝帮哭窍褒歪囊镶爨瓣才骞电滚，爱窝镶要簿翔蔻 乎没有电流流过器件。但是由图2 - 2 可以看到o l e d 的开启电压比p - n 缩二 极管高t 。 鼍 ； l 图2 - 2o l e d 电压电流密度曲线图 圈2 a 所示的为o l e d 的电避亮度趋线豳，由强2 - 3 搿以看出o l e d 毫 压和亮度星现非常明鼹的非线性关系，亮度和电聪之间缺少一个渐变的易于控制 的线形空间。所以如栗采震电压驱动控制酶方法来实现亮度级巍的区分，则霈要 驱动电聪有很高酌控制精度。两在蜜际的应用中囊予点阵霹幕工艺的限铡帮瓣幕 上电极的分布电阻作用会导致屏上不同像素点的= 阡启电压不同，也会构成显示图 像的不均匀和显示图像质量的下降”。 。 v _ h 南- - - _ 牯i m 睡2 - 3o l e d 蕊电压亮凌藏线圈 c善品ti三 串蠡大学碛士学壁逾室 凰2 4 戳示o l e d 的亮度与流邂器 牛的感瓣豹荚系，霹以瓣出，电滤麓溅 麇存鑫嚣鬻德秀翡线拣美象，嚣热霹誊簧邃莱霹魏驱秘方式黎楚疆曦滚爨薅鬣宠 豹耄滚糕溺瓣怨。采稿电流驱动熊够锼熊示图像韵d 不均匀得瑚 鲢好的解决，懒燎 采用电濂驱湖的缺点就鼹援难实现低淡度懿曼暴f 掌l 。 嘲洲脚_ 脚 躐2 - 4o l e d 囊嶷每滚蘧器箨魏魄流鼗线簧 2 。3 o l e d 懿驱魂方式 疆囊安疆窿蜃塞翡叁显幂藤鹱麓邀漆是o l e d 技本懿臻究璧纛乏一t t g l 。麓 耱，辩予攀宠实褒离璇爨确态显承懿o l e d 骢穗瑰鼹a 经取锫了定爨避骚， 篾国的c l a r e 公司和餐港的s o l o m o n 公司等几祭公司开发的o l e d 驱动i c 避经爵戳懿蓬耋产隧。 o l e d 熟鞭动按照熊魄匿援搜不瓣，霹癸淹豢流驱动鼗燮滚骧韵嚣l 羧照 麒驱动模式不同，可分为溅源矩阵驱动朔有源矩阵驱动 2 2 1 。 2 2 1 盥黼鞭韵和交流骥韵 l 、塞浚豁滋 = 三= 洲粉 萎兰蠢t霉熏蠢t 中山大学硕士学位论文 在正向直流驱动时( 1 1 d 接正极、a l 接负极) ，空空穴和电子的传输方向 是固定不变的，其中未参与复合的多余空穴( 或电子) ，或者积累在h t l e m l ( 或e m i ，e t l ) 界面，或者越过势垒流入电流。在直流反向偏置驱动时，其势 垒高度太大，所以电子和空穴运动到e m l 复合发光的几率十分微小，故直流反 向偏置的驱动一般不变化或十分微弱 2 3 1 。 2 、交流驱动 正半周的发光机制和正向直流驱动时完全一样，在交流驱动的在正半周电压 过后，h t l e m l ( 或e m 堋t l ) 界面处积累了未复合的多余空穴( 或电子) ， 当负半周电压来到时，这些多余空穴和电子则改变运动方式，朝着相反的方向运 动，相对地消耗了这些多余的电子和空穴，从而消弱了由正半周的多余载流子在 o l e d 内部形成的内建电场，增强了下一个正半周的载流子的注入及复合，最 终有利于提高复合效率 2 3 1 。 负半周的反向偏压处理可以“烧断( b u m o u t ) ”某些局部导通的微观小通道 “细丝( f i l a m e n t s ) ”1 2 4 1 ，这种操作可以有效的延长器件的使用寿命。因此，交 流驱动更适合于o l e d 的发光机制。 2 2 2 无源矩阵驱动和有源矩阵驱动 当o l e d 显示器件显示象素较少时，可采用段码式显示方式。每个显示段 都是通过单独的电极引出，所有各位显示段共用一个背电极，在多位数字组合显 示时，各位的背电极是连接在一起的。接通背电极和某段电极，则该段被选择显 示【2 5 1 。 当o l e d 显示器件显示象素很多时，如果采用段码式显示方式，则需要的 电极数量很多，这样使得器件的体积庞大，费用很高，无法满足大信息容量的信 息显示及显示要求，因此需要采用矩阵扫描驱动电路。 矩阵扫描驱动电路是把水平一组显示象素的背电极都连在一起引出，称之为 行电极，把纵向一组显示象素的段电极都连接起来一起引出，称之为列电极。对 串畦 犬学联忐学位论文 子某一行鬻装发光像元的搁应刭都加上正鬯压，不辩要发毙缘斑的耀建捌郡缓 缝，当诙霉魄极接蘧嚣雩鲻该褥嚣要蓑毙翁豫元帮麓发光，蠢粪缝静像元都苓发巍。 采用了类戳予c r t 构巍撩 三i 描方法，循环地给行电极加选择脉冲，同时给别魄 撅嬲相应麴选择或嚣选择龅驱动辣 孛，扶恧实现菜稽龋毒显示蒙豢鲍显示功熊。 这释疆痔逡行豹扫摇，锤繇髑期缀短，嚣魏在o l e d 瓣上垒蠛窭稳定的惑稼搿l 。 矩阵扫摇驱动电路还可分为无源缎阵驱渤和有源矩阵驱动。 l 。无源驻动( p a s s i v em a t r i x ，p m o l 嚣蚤) 无源鞭渤适用于普通的矩阵交叉膨，通过互相瓣躐交叉的阳极_ j f 阴极来实现 点簿显示l 揪+ 无添赣动藏躲电垂绘攘威瓣嚣黎裂，使电滚渡过选定辩象索，程 阳极i t o 膜穗应象索点上敬正酌行电驻，弱缀念聪麟裙应象素赢土艇受魏捌嘏 聪，则在其交叉点像元。t 即能得到发光渊。o l e d 凇源驱动的结构示意圈如圈 2 - 5 繇豢。 圈2 - 5o l e d 光源驱动的结构示意圈 霄鞔糍 羌源赣旗结秘饕攀，逡合予低嚣慧容量稳德稳赞戆瘦弱土。爰源赣勰鹣 o l e d 鼹示器的每一个像豢都可以等效为一个二极错，并不存在l c d 无源点 薄串“交叉效瘫”筑疆爨。嫠是栗鼹燹漂辗魂薅，戆餮器幕黪臻犬，显示塞度熬 掇毫，鑫空毙下降，驱稳镣令象素瓣鞣狰辩麓甏短，为了在势辩瓣辩籍蠹完藏笈 l 莲 中山大学硕士学位论文 射，较大的电流必须及时地施加到各象素上，使得行扫描线上的电流增加，而加 在行线上的驱动电压也相应提高了，造成了大量的功率损耗，从而影响器件的寿 命，也降低了发光效率和发光强度。因此，目前采用无源驱动的o l e d 显示器， 已经接近其屏幕尺寸和分辨率的极限叨。 2 有源驱动( a c t i v em a t r i x ，a m o l e d ) 有源有机发光显示器( a 1 蛐d l e d ) 是在简单矩阵机构的基础上，为每个o l e d 发光像素设置了薄膜晶体管( t h i nf i l m t r a n s i s t o r , t f d 和信号存储电容来驱动 由于使用1 r i 呵驱动每个象素，类似于直流驱动，克服了无源驱动中使用占空比 很小的脉冲信号驱动所带来的问题【2 吼。 对于每个发光像素点，其具有二极管特性，有机电致发光显示像素上所加的 正电压大于发光的阈值电压时，像素将发光显示；当所加的正向电压小于阈值电 压时，像素不产生电光效应而不发光显示；当所加的正向电压在阈值电压附近时， 会发出微弱的光。对于已经发光的像素，发光强度与注入电流成正比。由于是注 入式原理，为了实现对显示对比度和亮度的控制，有机电致发光显示驱动器要能 够控制驱动输出的电流幅值。 有源o l e d ( a m o l e d ) 的各个像素是同时发光的，降低了单个像素的发 光亮度的要求，同时也降低了o l e d 显示器件的驱动电压。因此，a m o l e d 的 功耗低，适应于大信息量的显示中。p m o l e d 则具有结构简单、成本低等优点， 适应于信息量低的简单显示中。 综上所述，无论是无源还是有源的驱动方式，对o l e d 显示控制的一个重 要目标就是通过恒定的电流驱动来实现对比度及亮度的控制，因此基于恒流控制 的多通道o l e d 驱动芯片成为现在研究的热点之一 2 4o l e d 与l e d l e d ( s e m i c o n d u c t o r l i g h te n d i n g d i o d e ，半导体发光二极管) 显示屏由几 万至几十万个半导体发光二极管代表的像素点均匀排列组成，不同色彩的l e d 串也文孝褫士学缝论文 像素点由不同的材料制造两成。由于冀拨光二极管所翅靛半导体材料属予无戡物 ( m i n e r a l ) ，嚣魏每o l e d 对应遗又弼释隽m l e d 。表2 。l 为o l e d 秘l e d 黪 主要鬣示絮耋参数对毙。蠢激可知，o l e d 静工作秀愿较l e d 裔，褥挚使面积消 耗电流却比l e d 小，其余参数 对比发、响成时阙、亮度，显瑟毽) 都非常穗 钕。考惑爨蠢论跫褒无潆矮是套滚豹鞭麓方式审，0 l 嚣d 鹃簿今发兜像素患帮其 有二缀管特髋，丽髓o l e d 酌制造工慧尚不成熟，黼菇，在实际斩究中，本文 先以l e d 为基础对恒流驱动芯片遴稽姘究帮设计，农芯片成功溅片之盛，遴谢 麸鹱麓毫攫魄滚方瑟霹o l e d 静挺流驱凑送彳亍了一定魏搽索疆究。 袭2 + 1 0 l e d 与l e d 筋鬟示参数表 l ：撵 摹往嚣积对鲍菠穗戌亮攫 黢搴色露姥臻麓 ：薹= 器寿鑫 邂艨消耗电滤时阀 o l e d3 1 5 v 十儿毫安约4 02 “s1 0 瓤绿蓝，全色w 以实现，w 以实现， 1 0 3 襻庄阚戆档在阚题 毛e b2 心v数中毫蜜麴4 e约l | | s1 7 0 n缝援绿篮霹鞋窭璃，霹璇实瑗， 6 0 0存在翘嚣率存在鲻题 中山大学硕士学位论文 第3 章恒流驱动电路模块设计与仿真 一个完整的恒流驱动控制电路包含了基准电压源电路、电流调节电路、电流 镜电路和逻辑控制电路等子电路模块。本章将对多通道l e d 恒流驱动控制电路 的基本架构、工作原理进行介绍，并对其中重要子电路模块予以详细分析并给出 仿真结果。 3 1 多通道l e d 恒流驱动整体电路 3 1 1 多通道l e d 恒流驱动电路原理 l e d 显示屏通常是由大量的l e d 点阵构成，因此常常需要多通道输出电 流来驱动所有的l e d ，单个或者较少通道输出的驱动器已经无法满足显示驱动 要求，因此多通道l e d 恒流驱动器得到迅速发展。图3 1 是简单的八通道l e d 恒流驱动电路的拓扑结构咧。 图3 1 简单八通道l e d 恒流驱动电路拓扑结构 1 7 孛如大学碗毒攀谴豫文 出匿的搬喜卜结构可以瓣避，嗽路主蜚通过逻辑控测单元泉控爨撼令遇道酌舞 寤窝关瑟，纛瞧滤攒繁窀鼹来实凌对输枣毫滚大夺黪谖蕈。蘧餐嚣d 瑟示霹缝 匿大羲示群鞯、更嵩分辨举方向发展，熊有更多通道蒂睇更高备通游魄流匿配稽燃 的l e d 恒溅驱秘爨照之撼剃开发。 3 1 。2 芯片黢体电路设计 本文设计的电路采用带隙基准电臌源输入，3 5 ，s v 供电，谢以实现八位憾 滚滚赣惠，各逶遵辕篷电溅天枣撰等，逡惩予l e d 鹈l e d 受承群涎驱囊，嚣繇 惩逶势舔调节睡医蘩陵褥输密电流痊5 1 2 0 m a 麴范硒蠹霹逶+ 芯片整体电路的拓扑原理功熊图如阕3 2 所示。 o u t 0o u t io u t 7 嘲3 - 2 恒流驱动抟片拓扑原理功能觎 芯冀整体泡疆主婺势湾瞧滚楚截避鼹魏数字逻辚擦裁毫翳鞭辩分+ 麓土冀稳 辅助电路实观宪整的电路勘能。电流控制电路主要戗撤带隙旗准电压源( b a n d g a p ) 、毫滤镶肇邀蓬餐窀滚镶( c u r r e r am i r r o r ) 三熬努。整骛愈臻透过蒂臻篷躐 彀压嚣产生令不琏潺凄放终帮奄源交像豹蓦臻毫鞭 v r 醛) ；然艨缀据迄滚耩 i 葚 中山大学硕士学位论文 节电路所接的外部电阻产生实际应用所需要的电流，由于这个电流由基准电压产 生，所以这是一个几乎不受温度影响的基准电流( i r 邙) ；最后将基准电流传输到 八个电流镜电路，实现八位恒定电流的输出。数字逻辑控制电路部分则主要用于 外部数据的接收、锁存以及使能控制功能，输出八位l e d 逻辑控制信号，实现 对l e d 的开关控制。 其外部信号功能描述如下： 1 、( 3 n d ：接地 2 、s d i ：移位寄存器的串行数字输入信号 3 、c l k ：数据移位的时钟输入 4 、l e ：锁存器时钟。当为高时串行数据被传输到相应的锁存器中；为低时 数据被锁存 5 1 2 、o u t 0 - - o u t 7 ：恒流输出端 1 3 、o e ：输出允许端。为高时输出为高阻态，为低时输出相应的值 1 4 、s d o ：串行数据输出，可连接到下一芯片的s d i 端 1 5 、r e ：电流调节端，由外接电阻来调节全部的输出 1 6 、v d d ：5 v 供电电源 3 1 3 芯片设计工具 在模拟电路的仿真软件中，s y n o p s y s 的h s p i c e 是i c 设计业界比较通用的。 h s p i c e 最初由a v a n t i ! 公司推出，其优点是功能齐全强大且精度高，适用于广 泛的电路设计，然而h s p i c e 只支持文本输入不如图形输入方便。另外一个选 择是c a d e n c e 的模拟电路仿真工具s p e c t