（微电子学与固体电子学专业论文）oled驱动芯片设计及其测试验证平台构建.pdf

海人学硕。j ：学位论文 摘要 作为视频显示领域的新技术，o l e d ( 有机电致发光显示器件) 近年来受到广 泛的关注，被公认为最有可能取代l c d 和p d p 技术。本文对o l e d 驱动和视频扫 描控制技术进行研究，在介绍o l e d 显示面板等效电路的基础上，分析交叉效应 产生的原因，提出采用预充电强放电的电路结构消除交叉效应的方法：为了有效 消除串行扫描中的亮度损失并提高显示性能，提出采用多级缓存和通过控制器生 成一定序列的o l e d 显示刷新信号的方法，分析了多级缓存器控制信号的生成， 给出新旧方法统计意义上的性能比较；为了减少流片风险和降低设计难度，将驱 动控制芯片划分为三块相对独立的a s i c 芯片，重点介绍了灰度生成和行、列驱 动芯片的没计，最后设计出了单片可驱动8 0 行、9 6 列的彩色驱动芯片，灰度2 - 2 5 6 级可调可多片级联以便驱动大的屏幕。 测试和验证是：卷片设计中重要的一个环节，它是芯片成功流片和走向实际应 用之前的保障。本文后半部分闸述了基于f p g a 的测试验证平台构建，它采用p c i 或网络接口实现p c 机和目标设备之问的通信。作者介绍了测试平台主要芯片的 特征，重点研究了p c i 总线接口控制器的实现，该接口与2 2 版本的p c i 总线规 范兼容，支持数据突发传输，支持多种类型的p c i 交易，实现了必需的p c i 配置 寄存器，可以方便的和r a m 等不支持p c i 协议的设备之间实现通信。论文还简单 介绍了r a m 双向缓冲接口和网络接口的工作过程；同时，作者对新近出现的p c i e x p r e s s 总线接口作了一些前沿性的设计探索，提出了一个基于专用高速串行收 发器的接口实现方案。最后，给出了利用该测试平台对o l e d 芯片进行测试验证 的过程和结果。所构建的测试验证平台对于高分辨率大屏幕图像传输系统的实现 有一定的参考意义。 关键词：o l e d ，灰度级，a s i c 设计，测试验证，总线接口控制器 v 卜海人学顾i j 学佗论文 a b s t r a c t a san e wk i n do f d i s p l a yt e c h n o l o g y , o l e d ( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ) g e t s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt h e s ey e a r s ，a n di ti sr e g a r d e da so n eo ft h em o s tp o s s i b l e t e c h n o l o g i e sw h i c hc a nr e p l a c el c d & p d p t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho f o l e ds c a n & d r i v et e c h n o l o g i e s a f t e rf e a t u r e so ft h eo l e dp a n e la r ei n t r o d u c e d r e a s o n so ft h ec r o s st a l k e f f e c ta r ea n a l y z e da n dt h es p e c i a lc i r c u i to fp r e c h a r g ea n d p u l ld o w ni sg i v e nt oe l i m i n a t et h ee f f e c t i no r d e rt od e c r e a s eb r i g h t n e s sl o s sa n d i m p r o v ed i s p l a yp e r f o r m a n c ed u r i n gs e r i a ls c a n n i n go fd i s p l a ys c r e e n ，an e wm e t h o d o fu t i l i z i n gm u l t i b u f f e ra n dg e n e r a t i n gs p e c i a ls e r i e so fw e i g h tv a l u e sb yac o n t r o l l e r h a sb e e n p r o p o s e d ，t h e c o n u o l s i g n a l s o fam u l t i b u f f e ra r e a n a l y z e d a n d p e r f o r m a n c e so ft h en o v e lm e t h o d a r ec o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s t a t i s t i c a l l y t om a k et h ed e s i g ne a s yt ob er e a l i z e d ，t h eo l e ds y s t e mi sd i v i d e di n t o t h r e ei n d e p e n d e n tc h i p s a n dt h ed i g i t a ld e s i g no fr o w c o l u m nd r i v ec h i p sa n d g r a y s c a l eg e n e r a t i o n a r em a i n l yi l l u s t r a t e d e v e n t u a l l y ，t h ed e s i g n e d c h i p sc a l l s u c c e s s f u l l yd r i v ea n8 0 x 9 6c o l o r f u lo l e dp a n e lw i t ht h ea d j u s t a b l eg r a y s c a l ef r o m 2t o2 5 6a n dc a nb eu s e dt od r i v eb i g g e rd i s p l a ys c r e e na f t e rc a s c a d ec o n n e c t i o n t e s t & v e r i f i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tp h a s ed u r i n gt h ea s i cd e s i g n a n di ti st h e g u a r a n t e eo f s u c c e s s f u lt a p eo u ta n da p p l i c a t i o n i nt h es e c o n dh a l f o f t h et h e s i s ，at e s t a n dv e r i f i c a t i o np l a t f o r mo ft h eo l e dc h i p sb a s e do nf p g ai sp r o p o s e d p c ib u so r e t h e m e ti n t e r f a c ei su s e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e np ca n dt a r g e td e v i c e t h e h a r d w a r ec h a r a c t e ro ft h em a i nc h i p so nt h ep l a t f o r mi sd i s c u s s e d d e t a i l e d i n f o r m a t i o no ft h ed e s i g nf o rap c id e v i c ec o n t r o l l e ri sa n a l y z e d t h ec o n t r o l l e ri s d e s i g n e dt ob eb a s i c a l l yc o m p a t i b l ew i t hp c is p e c i f i c a t i o n2 2a n dc a l lb eu s e dt o c o n n e c td i f f e r e n tk i n d so fd e v i c e sw h i c hc a n n o tb ed i r e c t l yl i n k e dt oap c ib u s ，s u c h a sr a mu s e di nt h i st h e s i s a n dc h a r a c t e r so ft h ed u a lp o r tr a ma n de t h e r n e t i n t e r f a c ea r ea l s os i m p l yi n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h el a t e s tp c ie x p r e s sb u s p r o t o c o li sr e s e a r c h e da n da ni n t e r f a c es c h e m ei sp r o p o s e db a s e do nah i g hs p e e d t r a n s c e i v e ri n t e g r a t e di nf p g a u s i n gt h ed e s i g n e dp l a t f o r m ，t e s tp r o c e s sa n dt e s t r e s u l t so ft h eo l e ds y s t e ma r eg i v e ni nt h ee n d t h ep l a t f o r mi sa l s oav a l u a b l e r e f e r e n c ef o rt h eo t h e rg e n e r a li m a g et r a n s f e rs y s t e m s k e y w o r d s ：o l e d ，g r a y s c a l e ，a s i cd e s i g n ，t e s t & v e r i f i c a t i o n ，b u s i n t e r f a c e c o n t r o l l e r v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：殛缝日期：型；! ：塑 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：篮卑铆繇连塑函。：地丝鲨 【：海大学顾| j 学位论立 第一章绪论 1 - 1 引言 自1 9 9 9 年以来，以i c ( i n t e g r a t e dc ir c u i t ，集成电路) 为核心的电子信 息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改 造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。现代经济发展表明， 每1 2 元的集成电路产值，带动了l o 元左右电子工业产值的形成，进而带动 了1 0 0 元g d p 的增长。发达国家国民经济总产值增长部分的6 5 与集成电路相 关；美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山。预计末来1 0 年内，世界集 成电路销售额将以年平均4 5 的速度增长，2 0 1 0 年将达到6 0 0 0 8 0 0 0 亿美元。 作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成电路己日益成为经济发展 的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。 在2 0 0 3 年关于我国信息、生物和新材料领域的技术预测与关键技术选择研 究中，来自企业、高校和研发机构等单位的6 0 0 多位专家发表了意见，对未来 1 0 年使我国某一产业可能实现跨越式发展的重大核心技术进行预测，总结出使 我国某一产业可能实现跨越式发展的重大核心技术8 项，其中一项为音、视频技 术，在显示器件方面，o l e d ( o r g m l i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ，有机电致发光显示器 件) 技术有可能取代现在的l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，液晶显示器) 、p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，等离子体放电显示板) 技术。专家的意见也正集中反 映了音视频技术的发展趋势和我国可能实现突破的技术，并指出应开展o l e d 技 术和数字压缩、传输、编解码技术等关键技术的研究和开发，提高我国音、视 频行业的核心技术，使其达到国际先进水平，提高该行业的竞争力“。 1 2o l e d 显示技术的优点 o l e d 和目前流行的l c d 以及c r r 技术相比具有显著的优势： ( 1 ) 技术优势无辐射，超轻薄，柔软显示，屏幕可卷曲； ( 2 ) 成本优势o l e d 制造工艺比较简单，批量生产时的成本要比1 c d 至 少节省2 0 ； ( 3 ) 适应性强能在4 5 8 0 。c 正常显示： ( 4 ) 功耗更低由于有机材料自己发光，驱动电压低，无需后背光源， 因而更力u 节省能源； 一1 一 海人学硕f j 学位论立 ( 5 ) 可视角大接近1 8 0 度； ( 6 ) 反应速度快o l e d 显示屏中的单个元索反应速度是l c d 液晶屏的 1 0 0 0 倍，可以实现精彩的视频重放，色彩炫丽而不会出现液晶屏上的拖曳现象； ( 7 ) 外形优势o l e d 的重量比l c d 轻得多，而且可以做到更加轻薄。 虽然一直以来，人们认为o l e d 最主要的缺点是寿命比l e d 短，目前只能 达到5 0 0 0 小时，而l c d 可达1 0 0 0 0 小时，但最新的技术显示，通过将磷光材料 与制作t f t 背板的非品硅集成，o l e d 产品可能延长3 倍寿命。”。 1 3o l e d 产业发展现状 现在o l e d 有关技术，主要有三大基本专利，它们是：( 1 ) 柯达的主要以低 分子为对象的器件基本结构专利：( 2 ) 针对高分子材料的材料专利；( 3 ) 实现 高效率发光的三线态发光材料专利。其中第一、三项由美国企业控制，第二项 由英国控制，而与o l e d 应用及产业技术相关的绝大多数专利则由日本控制。 当前世界上关于o l e d 器件的开发主要分布在日本、美国和欧洲。欧美主 要以高分子材料为主，可望有比较长的寿命。日本则以低分子材料为主，已获 得很好的发光亮度，发光效率较高。就目前的情况来看，在实际应用技术开发 方面，f 1 本遥遥领先，己经进入商业化应用阶段。欧洲居第二位，但在应用技 术方面与日本的距离越来越近。美国主要拥有基本专利。业界普遍认为，o l e d 的产业化已经开始今后3 - - 5 年是o l e d 技术走向成熟和市场需求高速增长的 阶段。 o l e d 广阔的应用前景令i t 业界振奋不己，由于o l e d 具有超轻薄、全固 化、自发光、响应速度快、温度特性好、可实现柔软显示等诸多突出的性能， 因此它的应用比普通的l c d 更丰富，在各种领域都有着广泛的应用前景，因此 众多厂商未雨绸缪，向o l e d 市场挺进。 不同行业的数据调查咨询机构也都对o l e d 的应用前景充满信心，比如根 据市场调研公司d i s p l a ys e a r c h 预测o l e d 显示屏的市场( 包括数码相机的应 用) 规模将于2 0 0 7 年达到3 0 亿美元。国际上权威的平板显示器市场分析公司 s t a n f o r dr e s o u r c e 认为随着材料研究、生产工艺、成本控制、市场应用等方 面的进展，到2 0 0 8 年，o l e d 产品的市场规模可达2 3 亿美元。而数码影像巨头 柯达公司则非常乐观地期望到2 0 0 5 年，o l e d 显示屏市场价值将升至3 6 亿美元。 海大学倾士学位论文 由于一丌始o l e d 显示屏主要应用在小屏幕领域，所以早有人预言+ 其将在 数码领域晕取得切步的成功。果然，自从柯达在2 0 0 3 年3 月举办的第7 9 届国 际摄影营销协会年会及行业展览会( p m a ) e ，成功推出新款数码相机e a s y s h a r e l s 6 3 3 之后，使得o l e d 的小屏应用一发不可收拾。 除了数码相机之外，手机成了o l e d 第二个要攻克的桥头堡，由于o l e d 不 需要背光板，它可以做到很薄，所以令手机非常“瘦身”，专家称今后几年内， 手机可能变得薄如纸片。再加上o l e d 显示屏很省电，因此，今后手机的待机 时间也许可以达到3 0 天。随着3 g 脚步的临近，移动网络将向人们提供更多的 视频服务，对手机彩色显示功能的要求也就会越来越高，o l e d 显示屏将完全能 够胜任。 现在，各厂商又开始改进技术，扩大o l e d 显示屏的尺寸。2 0 0 4 年5 月， 爱普生公司展示了一款4 0 寸的o l e d 显示器，并随之宣布他们将会在2 0 0 7 年 大规模量产销售o l e d 电视，而三星电子也在刚刚过去的2 0 0 5 年度推出了4 0 英寸o l e d 面板。难怪媒体惊呼o l e d 电视的时代即将到来“1 。 1 4o l e d 技术给我国显示业带来的机遇 由于看好o l e d 显示器的前景，中国的许多公司纷纷开始斥资建立o l e d 研 发中心。其中包括北京维信诺科技有限公司、广东汕尾信利半导体有限公司、 深圳先科显示技术公司等。相对于国际老牌i t 企业，我国的o l e d 厂商起步较 晚，但也获得了较好的成绩，其中尤其以维信诺为代表。清华大学有机发光显 示项目组和北京维信诺公司共同成功开发了国内第一款o l e d 全彩色显示屏。 除了清华大学，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，电子科技大学，华 中科技大学，华南理工大学，上海大学等众多科研机构和高校也积极参与o l e d 研究，并普遍认为在不久的将来o l e d 将取代液晶显示器在平板显示器中的主导 地位川。 目前我国的p c 业、手机业、消费类电子产品部处于方兴未艾的状态，而 它们都需要显示屏，o i e d 技术带来的机遇摆到了我们面前。 1 5 论文课题的提出背景和研究意义 上海市政府积极实施科教兴市计划，坚决贯彻“科技是第一生产力”的宗 旨，引导上海各相关单位努力把握o l e d 技术带来的发展机遇。因此，政府领导 一1 海人学坝l 学位论文 下的上海市科学技术委员会提出了由多家企业和科研院所、高校联合研发的重 大科研项目“小分子有机电致发光材料和显示器的研制”，其中我校负责项目子 课题“有机电致发光显示器驱动技术研究开发”( 项目编号：0 3 d z l l 0 1 5 ) 。 作为o i 凹平板显示器重要组成部分的驱动电路在o l e d 实用化中起到重要 作用。目前o l e d 专用驱动芯片种类很少，且价格较贵。要实现高品质图像的显 示，则要求驱动电路具有高灰度显示的能力。本课题讵是在这一大环境下对o l e d 驱动芯片a s l c ( a p p i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 的研究与设计。 1 6 论文研究内容和主要创新点 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，研究范围包括 o l e d 扫描驱动、视频处理、a s i c 设计和基于f p g a 的芯片测试验证四大领域， 其中以o l e d 扫描电路和基于f p g a 的测试验证平台构建为研究重点。 前期，立足于被动矩阵o l e d 驱动，在o l e d 显示扫描驱动技术与视频数据 处理技术结合基础上，研究高效率、高灰度级o l e d 显示扫描驱动系统的实现方 法并且应用到o l e d 驱动、控制芯片设计中，对系统主要模块进行a s i c 设计； 用v e r i l o g 硬件描述语言进行编程，并在m o d e l s i m 下进行仿真，最后开发出了 小屏幕可变灰度等级的o l e d 行、列驱动芯片及扫描控制芯片，单片彩色驱动像 素8 0 行3 2 3 列，视频帧频率最高5 0 h z ，多片芯片级联可驱动更多像素。控 制芯片具有大量可配置参数以供用户定义不同系统的显示驱动或供有关人员进 一步研究o l e d 器件特性。 后期，设计基于f p g a 的o l e d 显示扫描驱动芯片测试验证平台。提出了两 种测试台设计方案，既可通过计算机进行现场测试验证或演示，也可通过网络 进行远程操作；在深入研究微机p c i 总线协议标准的基础上，设计测试验证平 台p c i 总线接口控制器，在f p g a 中实现相关控制逻辑；研究新近出现的p c i e x p r e s s 总线协议标准，在耳前国内外相关资料很少的情况下，探索基于f p g a 中集成收发器的p c i e x p r e s s 总线接口实现方案；此外，网络和双向r a m 缓冲 接口的控制办有涉及；最后，利用该平台对o i e d 驱动控制芯片进行测试验证。 论文创新点主要表现在四个方面： 1 在灰度生成中通过调整与设置扫描权值序列以提高扫描利用率。 2 列控制模块采用两级或完全缓存技术，以提高亮度和扫描帧频。 海人学顺i 学位论文 3 应用f p o a 巾的集成收发器提出了。种p c ie x p r e s s 接口实现方案。 4 测试验证平台p c i 接口控制器和网络接口通用性较强，可灵活应用f 视 频图像传输控制系统。 1 7 作者的主要工作 在课题丌展过程中，前期通过研究0 l e d 扫描驱动的相关理论，提出了高效 率的灰度生成方案，完成了行、列驱动芯片数字部分的v e r i l o g 编程和仿真： 后期设计基于f p g a 的0 l e d 系统测试验证平台，负责其中关键接口控制器的设 计，协同完成o i ，e d 驱动控制芯片的测试验证。参与的主要工作如下： 1 研究高效0 l e d 驱动电路与高效0 l e d 扫描方法，提出在o l e d 显示屏 像素点灰度生成时可通过采用缓存技术和调整扫描权值j g - y 0 以便降低 屏体的亮度损失和提高扫描利用率。 2 负责行、列驱动芯片的数字前端设计，包括相应功能模块划分和采用 v e r i l o g 进行编程，通过编写测试台文件在m o d e l s i m 下进行功能仿真、 测试；协助完成控制j 占片的仿真。 3 负责o l e d 扫描驱动系统芯片测试平台的架构构建，在f p g a 中设计 数据通路控制器，以便计算机与o l e d 系统之间实现通信；深入研究 p c i 总线协议标准，采用v e r i l o g 语言进行编程，在f p g a 中设计p c i 总线接口控制器，通过编写测试台文件在m o d e l s i m 下进行功能仿真、 测试，获得通过。同时，对p c i 总线接口控制器和i n t e l 并行总线之间 的双向r a m 缓冲接口进行了设计研究。 4 设计基于p c ie x p r e s s 总线协议的测试验证平台，研究p c ie x p r e s s 总线 协议标准，提出了一种通过利用f p g a 中集成高速串行收发器实现p c i e x p r e s s 总线接r 的方案。 5 参与o l e d 相关芯片的f p g a 仿真与子系统测试，叻嘞软件技术人员 进行上位机的编程测试，提供总线接口控制器的相关配置操作参数。 1 8 论文的章节安排 第一章：介绍0 1 正d 技术的市场前景、发展现状以及论文课题的提出背景， 在驱动扫描电路与视频处理系统集成思想的基础上提出课题，简要叙述论文研 究内容和作者的主要工作。 海大学硕七学位论文 第二章：介绍o l e d 扫描驱动的相关背景技术，包括o l e d 的工作原理、驱 动方式以及驱动中可能出现的交叉效应及其消除方法；分析有利于消除交叉效 应和实现高灰度等级控制的预充电和强放电电路结构；阐述彩色显示实现方案 和灰度扫描方法：最后介绍了专用集成电路的设计流程。 第三章：首先介绍o l e d 驱动控制的芯片设计划分，并简单说明了扫描控制 芯片的工作过程：然后重点讲述控制芯片中的灰度生成方法，深入研究减小串 行扫拙中亮度损失的策略，并将它应用在列驱动芯片设计和高灰度级扫描控制 之中：随后分析了所设计的行、列驱动芯片，包括芯片特性、引脚说明、结构 框图、p a d 排列，重点描述芯片内部模块的设计实现；最后给出了芯片关键模 块在m o d e l s i m 仿真软件下的功能仿真波形。 第四章：讲述了基于f p g a 的o l e d 芯片测试平台构建，包括o l e d 芯片测试 平台概览，主要芯片的特点；重点介绍p c i 总线接口控制器的实现，包括总线 接口控制器的模块划分以及各个予模块的功能，作为控制器核心的状态机设计， 不同读写交易下的仿真波形等；同时也对测试平台的网络接口和双向缓冲器作 了简单介绍，并对新型的p c ie x p r e s s 总线技术进行了一些探索，提出了一种利 用f p g a 内部集成高速串行收发器实现p c ie x p r e s s 总线接口的方案：最后给出 了o l e d ：( ! ；：片的测试验证过程和结果。 第五章：论文的相关总结和展望。 一f + 海大学硕扣学位论文 第二章o l e d 扫描驱动技术研究 2 1o l e d 的工作原理 有机发光材料有两大类，以分子的大小来区分，小分子的称之为低分子 o l e o ，大分子的称为高分子o l e d 。 低分子o l e d 的工作原理是：玻璃基板( 或塑料基衬) 上首先有一层透明的 氧化铟锡阳极，上面覆盖着增加稳定性的钝化层，再向上就是p 型和n 型有机 半导体材料，最顶层是镁银合金阴极。这些涂层都是热蒸镀到玻璃基板上的， 厚度非常薄，只有1 0 0 1 5 0 纳米，小于一根头发丝的万分之一，而传统l e d 的 厚度至少需要几微米。在电极两端加上2 v l o v 的电压，p n 结就可以发出相 当明亮的光。这种基本结构多年来一直没有太大的变化，人们称之为柯达型。 由于组成材料的分子量很小，甚至小于晟小的蛋白质分子，所以柯达型的o l e o 又被称为低分子o i 。e d 。低分子o l e o 目前可以产生红光、绿光和蓝光，其中绿 光的发光效率最高。 国际上低分子o l e d 器件的最高寿命可以达到：红色和绿色超过4 万小时， 蓝色达到1 万小时，白色达到2 万小时，其最高发光效率可以达6 0 l m w ，最低 电压可以实现只需加上3 4 v 电压就能接近一般电视的亮度，最大面积4 0 0 r m n 4 0 0 m m 。 低分子o l e o 发光大致包括5 个基本物理过程：( 1 ) 正负电荷分别从阳极和 阴极注入有机层。( 2 ) 在电场的作用下正负电荷在有机层内分别朝着对方电极 方向移动。( 3 ) 正负电荷在有机层内特定位置再结合并释放出能量。( 4 ) 特定 的有机分子获得该能量后自己受激发或将能量转移给其他分子，使其受激发从 基态跃迁到激发态。( 5 ) 处于激发态的分子回到基态，释放出光能。可见，在 o l e d 器件的简单的结构里发生着极其复杂的光电子物理过程。 高分子o l e d 的有机发光材料为高分子聚合物，也称为高分子发光二极管 ( p l e d ) ，由英国剑桥大学的杰里米伯勒德及其同事首先发现。累合物大多由 小的有机分子以链状方式结合在一起，以旋涂法形成高分子有机发光二极管。 旋转涂布j 二艺采用的原理是：在旋转的圆盘上( 通常为每分钟1 2 0 01 5 0 0 转) 滴上数漓液体，液体会因为旋转形成的离心力而呈薄膜状分布。在这种状 态下，液体凝固后便可在膜体上形成晶体管等组件。膜体的厚度可通过调节液 卜海人学硕i 学位论文 体粘度及旋转时间来调整。旋涂之后，要采取烘干的步骤来除去溶剂。就工艺 而黾旋涂法比热蒸镀法要经济。与柯达型低分子o l e d 相比，p l e d 有功效优 势，这是由丁在低压：l = 作环境下，聚合物层具有良好的导电性能。现在p l e d 具 有效率高、寿命长的特点，应用于计算机显示器，其寿命可长达1 0 0 0 0 小时川。 虽然o l e d 技术可称之为最理想的显示技术，但它的研究开发历史并不长， 要想真正实现其产业化，必须克服以下一些具体的难题，即因大面积化带来：【： 艺、设备技术和驱动技术等方面的问题，从单色显示到多色显示带来的问题， 封装技术与使用寿命的问题，阴极电极微细化的问题，驱动技术问题等。 有机膜的不均匀性将导致发光亮度和色彩的不均匀性，影响显示效果。显 示面积增大，意味着器件必须有很高的瞬间亮度和高的发光效率，并在高亮度 下有良好的稳定性。从单色显示到多色显示和彩色过渡时，将三种不同的发光 材料分别镀在非常临近的三个小区域上将是又一大难题。要实现o l e d 的商业 化，使用寿命问题必须解决，从材料和器件结构着手是途径之一。驱动技术在 实验室研究阶段显得不是很重要，但一旦产业化和大面积化，问题就会变得更 加突出。 2 2o l e d 驱动方法分析 高分辨率的o l e d 驱动电路与l c d 驱动电路样，都是采用动态驱动法， 也叫扫描驱动法，可分为无源矩阵驱动和有源矩阵驱动两类。这是目前比较常 用的两种驱动方法，在本课题中采用了无源矩阵驱动方式”3 。 无源驱动也称被动驱动，是指驱动电流直接施加于像素电极上，使o l e d 显 示直接对应于所施驱动电流信号的一种驱动方式。无源驱动的工作原理是使用 普通的矩阵交叉屏，在列电极上加正电压，金属行电极上加负电压( 或零电压) ， 则在其交叉点像元上即能得到发光。无源驱动结构简单，适合于低信息容量和 低花费的应用上。用无源驱动时，为了获得正常的平均亮度，像素上所要出现 的时间很短的光脉冲就需要很亮：而且随着扫描线数的增加，占空比下降( 假设 一帧的扫描行数为n ，扫描时间为1 ，那么一行所占有的选择时间为一帧时间的 t n ，这个值称为占空比系数) ，驱动每个像素的脉冲时间更短，显示亮度下降， 为了保持足够的亮度，光脉冲就需要更强。由于o l e d 是电流驱动的显示器件， 其输出光强与通过器件的电流成线性关系，因此要得到如此高的光脉冲就要使 卜海大学硕士学位论文 行扫描线上的电流增加，这样使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；同利oj j e d 器件驱动时的电流密度的大小影响器件的寿命， 大的电流密度将使显示元件迅速劣化，也降低了发光效率和发光亮度。因此， 对瞬时电流的要求限制了无源矩阵设计的规模和精度，也就限制了无源o l e d 技 术向大型显示器的延伸，无源驱动一般被用在线数较少的显示中，一般小于2 0 0 线。同时随着显示器件屏幕的增大，分辨率的提高，o i 。e d 电极本身的压降就不 能不考虑，由于各像素间施加的电压不同，导致o i e d 像素的工作电流不同， 这样就造成了显示亮度不均匀。另外，在无源o l e d 的显示装置和驱动电路之 间有很多电极连线。因为每个像素是由电流支持的，为了降低能耗，必须减小 这些连线的电阻，因此，这些连线不能太长、太细。 图2 一l 为o l e d 面板等效电路示意图，o l e d 面板为共阴方式。在, 1 7 p i j 交叉点 上，点亮时电流由列流向行，等效于点亮由列向行的发光二极管( 反向电压不 能点亮) ，同时由于o l e d 面板特性，等效于在二极管上并连一个电容。等效意 味着两者的电学特性一致，但是o l e d 器件内部并没有真正的电容。在无源被动 矩阵方式中，每一行或者每一列的像素共用这一行或这一列的电极，行像素或 列像素是连在一起的。o l e d 显示时，选中的行输出低电平，其它行输出高电平， 要点亮的列输出高电平，其它列输出低电平，n p i j 为高电平、行为低电平的交 叉点将点亮，其它点为暗”1 。 彳j 1 率密帘 行2 帘帘帘 行3 帘窖密 云畏罴 图21 被动矩阵o l e d 驱动等效电路 - 9 一 海夫学妤! i ：学位论文 2 3 产生交叉效应的原因和消除方法 在图2 1 中，假设行2 与列2 的交叉点点亮，其它点为暗，则行2 必须低 电平，列2 必须高电平才能点亮，如果行l 、行3 不是高电平f | ：f 是高阻态，并 且列1 、列3 不是低电平而是高阻态，则电流可能按“列2 一行3 一列1 一行2 ” 的途径流失，一方面列的输出恒流被分流，另一方面，可能有个别的点被微微 点亮，产生所谓交叉效应。为防止这种交叉效应，没选中的行应输出高电平，不 点亮的列应输出低电平。 另外，当二极管从亮变暗时，列上的电平从高电平渐变到低电平，该列上 的所有电容进行放电，若列驱动输出为高阻态，电容通过二极管自然放电，二 极管从亮逐渐变暗，会有时间延迟，不利于高等级灰度控制。 再者，从行上看，若没选中的行为高阻而不是输出高电平假设行扫描从 行1 跳到行2 ，则行1 从低电平变成高阻态，行2 从高阻变成低电平，再假设 列2 点亮，则列2 输出高电平，电流可以从列2 流向行1 ，行l 则从高阻变成 高电平，对行l 的所有电容进行充电增加充电时间，同样不利于高等级灰度 控制，所以没有选中的行输出不应该为高阻，而应输出高电平。 此外，o l e d 显示屏的制作工艺问题也会使相邻行电极、列电极、行列电极 之间产生漏电流而使相邻非选通像素发光，从而形成被动矩阵驱动显示的交叉 效应现象，造成显示图像的模糊和混乱。1 。 o l e d 是电流发光器件，它的交叉效应成因与l c d 相似却又不同。o l e d 器件 有一定大小电阻值，电极电阻率以及电阻率沿电极分布的均匀性都会对实际的 显示效果产生影响，电极间的漏电流或分布电容也不容忽视。静态驱动单个像 素时，电极间的漏电流会使相邻像素上出现一向电压，当正向电压积累到一定 程度时就会使o l e d 器件发光；动态扫描时，行列电极上施加的都是脉冲电压或 电流信号，此时非选通像素的等效电容就会使这些脉冲信号在电极间串扰，加 上电极间的漏电，就会使交叉效应更加严重，造成所显示图像失真。所以电极 间的漏电和o l e d 的等效电容是交叉效应的j 三要成因“。 交叉效应可以通过改变驱动电路结构，或是通过改善扫描信号来消除。通 过采用预充电和强放电结构可以迅速保持非选中行列电极输出无效电平，以减 小电流损失，将在下一节介绍。 海大学顺l 学位论文 2 4 预充电和强放电电路结构 为减轻交叉效应，除了( ) l e d 器件制作上提高工艺水平，在电路控制方面， 无效行电极应迅速上拉至高电平，不亮的列电极迅速i - $ , 2 至低电平。如果驱动 部分采用传统的无源矩阵单电流源驱动方法，则充电时i h j 由电源和m o s f e t 管决 定，充电时间较长，交叉效应明显。根据o l e d 电流一发光亮度特性，在电流未 到达发光阈值前o l e d 器件发光亮度很小，当电流达到o l e d 发光阈值后，随着 电流增加发光强度增大。因此可在啦恒流源驱动基础上增加预充电结构，如图 2 2 所示。 一 v d d h 图2 2 预充电驱动恒流源单元结构 预充电时，s a c t 输入无效，s p r e 打开，电源v d d h 对像素单元强充电，c o l 输出预充电电流。待电流达到由v p r e b a s e 限定的发光闽值电流后，s s c t 打开， s p f e 关闭，切换预充电恒流源c 2 至亡作恒流源c l 丌始正常驱动。阂值电压比 理论值偏低并可调以保证闽值精度，由过充电流将o l e d 器件充电至发光阈值。 预充电时间l 1 由驱动芯片控制或者由过流保护装置检测，预充电电源由芯片外输 入。强放电时，s d i s 输出有效，放电恒流源c 3 对o l e d 像素点放电。s d is 和 $ 8 c 1 ：不能同时有效，s d is 与s p r e 也不能同时有效。r a c t 、r p r e 分别为恒流源 c 1 、c 2 、c 3 恒流调节电阻，控制恒流源电流输入大小，其中r p r e 为c 2 、c 3 共 用。s p u l l d o w n 为下拉电阻公用使能端，用于控制强放电，高电平有效。r 为限 流电阻，取5 0 0 q 或1 k q 左右阻值。 j ：海大学硕一卜学位论文 预充电期问电流较大，为防止预充电时二极管过流，预充电可以采用两种 与案： 1 准线性充电法 准线性充电法电流一时间关系如图2 3 所示。预充电时间由扫描电路控制， 预充电过程中列电极电压线性上升，当电压或电流上升至o l e d 发光阈值t lh 寸， 控制器将充电电流叨换为正常驱动电流。实际发光闽值电流应比理论电压稍低 以保证电流没有过充，所以仍需一定时间进行充电，最后至t 2 时刻充电结束开 始i f 常驱动。当前权值扫描时间结束后，o l e d 驱动电路开始在t 3 时刻对o l e d 器件进行强放电，直至t 4 时刻放电结束，完成单个权值的扫描驱动。准线性充 电法的所有充电及放电时间均由软件设置，它的充电电流并不是严格的线性上 升和下降。 i八 图2 3 准线性充电法i t 关系 2 强充强放法 强充强放法电流一时间关系如图2 4 所示。预充电期间，所有行电极关闭， 整个o l e d 面板只有充电行为，像素单元不被点亮。快速充电使列电极电压达到 电源电压，检测电路检测充电完成后停止充电。由于大电流的存在，电压会超 过阈值至t l 时n 2 j 一会结束充电。这时列电极上的过压电容回过来放电，至阈值 电压t 2 时刻才开始征常驱动，下拉当前行电极至低电平以使该行有效。这样充 电时间更短，但过流值高。若正常驱动时列电极输出电流最大为3 5 0 u a ，充电 期间可将列电流提高到2 5 m a 以上。根据实验，强充强放法充电时间将减至原 来的1 8 至l 7 。其放电过程与准线性充电法相同。 e i 。1 e d 0 t l t 2t 3t 4 图2 4 强充强放法t t 关系 12 卜海大学颀 j 学位论文 比较这两种方法，从电路结构复杂性来说，准线性充电法实现简单，强充 强放法需要更复杂的行列控制和过流检测单元：从灰度控制精确性来说，强充 强放法更好，图24 中o t 2 为充电期间t 2 一t 3 为驱动期间，充电过程由硬件 检测和自动调节，而准线性充电法则由扫描控制器预先估计充电时间，存在一 定误差，需要针对每种o l e d 进行反复调试以获最佳性能；从电源功耗上来说， 强充强放法的瞬间电流要求很大，以9 6 列驱动芯片计算，充电期间恒流最大值 约2 5 m a * 9 6 = 2 4 0 m a ，远高于f 常驱动时的最大电流3 5 0 u a 9 6 = 3 3 6 m a ，而准线 性充电法的充放电电流只有2 0 m a 左右，也不存在过充电流。从提高系统响应速 度，以便获得高灰度级效果考虑，设计中采用了强充强放法。 2 5 彩色显示实现方案 对于像素点阵驱动的显示面板，彩色显示可通过r g b 三路驱动来实现。本 系统中，每个发光像素由红、绿、蓝三种颜色的o l e d 混合组成，这种方法设计 简单，效率高，器件成本低，但是制程复杂。 扫描电路的原理是控制器分别产生r g b 三路信号送至行、列驱动器；对r g b 三基色，o l e d 分别驱动以实现彩色显示。 r g b 驱动原理如图2 5 所示，其结构采用一组行驱动芯片和三组列驱动芯 片实现。当选中行有效时，同一个像素点上同时输出红、绿、蓝的灰度信息以 实现彩色。红、绿、蓝列驱动芯片的驱动结构相同，它们的恒流源电流可分别 调制。彩色显示的实现很大程度上取决于器件工艺水平。 图25r g b 驱动原理 2 6 灰度扫描方法 像素的捉度等级是指像素亮度深浅的层次，本节所讨论的灰度均指单色灰 度，彩色显示灰度可通过r g b 三种灰度叠加而成。不同环境要求不同的灰度等 】3 一 海大学硕十学位论文 级，从最简r p 的2 级( 单色) 到2 5 6 级不等。狄度等级控制主要有三种方法， 一种是在空f n j 上控制显示器件的发光区域来控制发光亮度的灰度空分扫描法， 它是用n 个子像素( o l e d ) 组成一个大的像素，可以实现n + l 级灰度显示。这 种方法经常运用在图像传感器中；一种是电。气灰度调制法，它是通过电路控制像 素驱动电压或电流来实现的；另一种方法是从时间上控制显示单元的发光时间 以改变发光亮度的灰度时分扫描法，也是显示控制驱动芯片主要的灰度控制方 法，其研究重点在于时序控制。灰度时分扫描分为直接灰度扫描法、脉宽移何 狄度调制法和灰度权值扫描法州”1 。 为了适应可变灰度等级的扫描要求，并且尽可能减小驱动恒流源电流集中 问题，可以采用灰度权值扫描法，它将列电极扫描有效时间分为若干个子单元， 不同单元占有不同时间比例，定义为灰度权值，若干个灰度权值的代数和定义 为灰度值。控制像素点在这些子单元中的开通或关断，就可以达到灰度控制的 目的。 按权值扫描技术( 又称子场技术) 是种时间灰度调制方法。将一场输入视 频信号的显示时间按l ：2 ：4 ：8 的比例分为n 个子场，须满足n = 0 9 2 l ， 其中l 为灰度级数，通过子