一种集中补偿的IGZO AM-OLED像素电路.docx

一种集中补偿的IGZO AM-OLED像素电路冷传利 张盛东北京大学深圳研究生院 广东深圳 518055摘 要：本文提出了一种新型的四管单元AM-OLED像素电路。此电路采用新的阈值电压提取方法和集中补偿的方式，不仅可以有效补偿薄膜晶体管（TFT）阈值电压正向及负向漂移带来的问题，而且可以有效简化像素结构和面板外围电路。另外，本方案可以通过将面板像素分组的方式增加OLED的发光时间，从而在高分辨率或高帧频显示中有很好的应用。关键词：AM-OLED 像素电路 IGZO-TFT 集中补偿1 引言非晶硅（a-Si）和多晶硅（Poly-Si）TFTs是AM-OLED显示中的主流技术。a-Si TFTs在均匀性，关态电流，低成本等方面都具有优势，但是a-Si TFTs的阈值电压（VTH）极不稳定，长期偏置状态下会发生严重漂移 M. J. Powell, et al., Time and temperature dependence of instability mechanisms in amorphous silicon thin-film transistors, Appl. Phys. Lett., vol. 54, Jan. 1989. 13231325.。相比于a-Si，Poly-Si TFTs的VTH相对稳定，且迁移率高，可以提供互补的器件 T. F. Chen, et al., Investigation of grain boundary control in the drain junction on laser-crystalized poly-si thin film transistors, IEEE Electron Device Lett., 24(7), 2003, 457459.。但Poly-Si TFTs在像素间VTH和迁移率都会存在差异，会造成显示的不均匀，而且Poly-Si TFTs的制作成本高，尤其在大面积显示中还存在诸多不足。近几年发展起来的IGZO-TFTs其迁移率介于a-Si和Poly-Si之间，VTH稳定性也较a-Si好，且IGZO-TFTs的均匀性与成本都与a-Si TFTs很接近 H.D. Kim, et al., Technological challenges for large-size AMOLED display SID Int. Symp. Dig. Tech. Papers, 39 (2008), 291294.，在AM-OLED驱动电路中显示出巨大优势。因此越来越受到人们的关注。 基金项目：深圳市重点实验室提升（CXB201005260065A，CXB200903090042A） 研究发现IGZO-TFT在长期偏置下VTH还是会有漂移，因此在构成像素电路时仍需要提供补偿机制。目前为了解决TFTs 的VTH漂移带来的问题，出现了很多提供补偿的像素电路 J. C. Goh, et al., A new a-Si:H thin-film transistor pixel circuit for active-matrix organic light-emitting diodes, IEEE Electron Device Lett., 24(9), 2003, 583585. J. C. Goh, C. K. Kim, and J. Jang, A novel pixel circuit for active-matrix organic light-emitting diodes, Dig. Tech. Paper, SID Int. Symp., 2003, 494497. S. W. Tam, Y. Matsueda, M. Kimura, et al., Poly-Si driving circuits for organic EL displays, in Proc. SPIE, vol. 4295, Apr. 2001, 125133.。这些电路一般的操作步骤是预充电，VTH提取，电流调整和驱动四步 A. Nathan, G. R. Chaji and S. J. Ashtiani, Driving schemes for a-Si and LTPS AMOLED displays, J. Display Technol., vol. 1, 2005. 267-277.。这个过程需要复杂的时序控制 H-S Park, K-H Oh, et al., A pixel structure for simultaneous programming and emission method for shutter-glasses-type stereoscopic 3-D AMOLED displays. Journal of SID. March 2012. Vol. 20. 162-168.和相应的外围电路。本文提出了一种基于IGZO TFTs的四管单元像素电路。与传统像素电路的逐行补偿并写入数据的方法不同，本方案在帧初始阶段先对整个面板的所有像素进行阈值提取，然后再逐行写入图像数据。这样做既可以减少行驱动电路的数目，实现低成本，又可以有充分的时间进行阈值提取。另外这种方案对于IGZO TFTs中出现的负阈值情况也有很好的补偿效果。2 四管单元电路图1所示即为四管单元的像素电路和相关时序图。电路由一个驱动管（T1），三个开关管（T2T4），两个电容（C1,C2）和一个OLED组成。控制线由三跟行线（SCANn，EM和 （a）初始化 VTH提取 数据写入 发光 （b）图1 四管单元电路（a）电路结构（b）相关点时序 Fig. 1 The proposed circuit (a) equivalent schematic (b) timing diagramVDD），两根列线（DATAm和VREF）以及公共电极VSS组成。其中EM，VREF和VDD属于全局控制线。电路工作主要分为初始化，VTH提取，数据写入和发光四个阶段如图1（b）所示。初始化：在初始化阶段，EM信号变为高电平，使T2,T4开启。从而A点电位变为VREF，VREF为高电平，会使T1开启。同时VDD变为低电平VDD1，并通过T1将B点电位拉低。初始化的作用就是给T1管的源极一个初始的低电位。VTH提取：在初始化结束后，EM信号维持高电平，使A点电位为VREF，VDD电平由低变高，开始对B点电容充电，B点电位上升直至T1截止。此时B点电位为VREF-VTH。在这个过程中，由于T4管处于导通状态，因此，C点电位与B点相同，电容C1两侧形成电位差为：VA-VC=VREF-(VREF-VTH)=VTH （1）由（1）可以看出，VTH被存储在电容C1上。值得注意的是，初始化和VTH提取阶段是针对面板上所有像素进行的。数据写入：在数据写入阶段，EM变为低电平，T2和T4截止，此时A点处于悬浮态，B点和C点也不再连通。VDD变为低电平，以保证在数据写入阶段，OLED不会导通。另一方面，SCANn信号逐行变为高电平，依次打开T3管，此时数据线上的电压经T3管写到C点，C点电位变为VDATAm，由于A点处于悬浮状态，因此C点的电位变化会通过电容C1耦合到A点。数据写入后，A点电位变为：VA=VREF+VDATA-(VREF-VTH)=VDATA+VTH （2）发光阶段：在这一阶段，EM和SCANm信号为低电平，T2，T3和T4都处于截止状态。VDD变为高电平，T1开始导通，B点电位由VREF-VTH变为VOLED。VOLED为OLED上对应的电压。此时，流过OLED的电流为：IOLED=(W/2L)mnCox(VDATA+VTH-VOLED-VTH)2 =(W/2L)mnCox(VDATA-VOLED)2 （3）式中WL是T1管的沟道宽和长，mn和Cox分别为TFT管的迁移率和本征电容。由式（3）可以看出流过OLED的电流不随驱动管VTH改变而改变，而只与数据电压和OLED上的电压有关，这两部分电压都是提前预知的，则能够解决因阈值电压漂移而产生OLED亮度不均匀的问题。3 像素电路仿真及特性分析为了验证提出的电路，我们采用SILVACO SMART SPICE 软件进行仿真，IGZO模型是在a-Si TFT模型（level=35）的基础上通过修改得到的。图2显示的就是在不同VTH情况下数据电压与OLED电流的转移曲线。其中（a）图代表的是四管单元电路，（b）图是传统的两管单元电路11。从图中对比可以看出，提出的电路在整个数据电压范围内都对VTH起到了很好的补偿作用。（a）（b）图2不同VTH下的数据电压电流转移特性 （a）提出的电路 （b）传统的2-TFTs电路Fig. 2 Transfer characteristics with different VTH variations (a) The proposed circuit (b) Conventional 2-tfts circuit在VTH提取阶段，大多数的电压型像素补偿电路都是通过驱动管给预充电的电容放电的形式来提取阈值。而在IGZO TFTs中，VTH可能为负值或经过一段时间漂移变成负值 Y. G. Mo, et al., Amorphous-oxide TFT backplane for large-sized AMOLED TVs. Journal of SID. 2011. Vol.19. 16-20.。此时这种方法就不适用，因为这个负的VTH不能存储在VGS里。这里我们采用的VTH提取方法是先在T1管栅极加一恒定电压VREF，然后给源极充电，直到T1截止，最后在T1管栅源形成的电压差即为驱动管的VTH。采用这种方法，当VTH为负值时，也会形成一个负的VGS。图3所示的就是VTH向正负两个方向漂移时造成的电流误差。其中实线表示的就是四管单元像素电路，圆点线为文献 S. J. Ashtiani, et al. AMOLED pixel circuit with electronic compensation of luminance degradation, J. Display Technol. 2007 36-39.中采用传统补偿方式的像素电路，短划线表示无补偿的两管单元电路 A. Nathan, A. Kumar, et al., Amorphous silicon thin film transistor circuit integration for organic LED displays on glass and plastic IEEE J. Solid-State Circuits, 2004, 39(9), 14771486.。图中明显看出在阈值电压发生负向漂移时，四管单元电路仍可以起到很好的补偿作用。图3 不同VTH下的电流误差Fig. 3 Non-uniformity of the OLED current due to threshold voltage variation在四管像素电路的工作过程中值得注意的一点是（1）（2）（4）三个过程是整个面板所有像素同时完成的，只有过程（3）是逐行进行的。这样做的优点是：A 简化外围电路。传统的像素电路补偿阶段和数据写入阶段都是逐行进行的，这个往往需要为每行电路设置多条控制线及相应的控制电路。如果采用集中补偿的方式，就可以将部分扫描电路模块省略，而只用一根全局的Vcomp线来实现原有功能，这样做可以有效降低成本，提高成品率。B 增加补偿时间。阈值提取的精度与其所用的时间密切相关，根据8所给出的结论，VTH所用的时间越长，提取的VTH越精确。在传统的像素电路中，阈值补偿是逐行进行的，这就使得阈值提取的时间受到时序限制 C. L. Lin and Y. C. Chen A novel LTPS-TFT pixel circuit compensating for TFT threshold-voltage shift and OLED degradation for AMOLED, IEEE Electron Device Lett., 28, 2007,129. A Novel IGZO AMOLED Pixel Circuit Using Simultaneous VTH CompensationChuanli Leng, Shengdong ZhangPeking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen, Guangdong Province 518055Abstract：In this paper, a four thin-film transistors pixel circuit for AMOLED is proposed based on IGZO technology. The simulation results show that the proposed circuit can compensate for threshold voltage shift of both positive and negative directions with its new VTH-generation method. This is especially beneficial when adopting the IGZO techniques. The circuit uses a simultaneous threshold voltage compensation technique which can effectively simplify the pixel structure and the peripheral circuits of the panel. Whats more, the scheme can increase the OLED lighting time by grouping the pixels on the panel by rows. This scheme manifest superiority when applied to high resolution or high frame frequency displays, like 3D displays.Key words: AM-OLED pixel circuit IGZO-TFT simultaneous compensation technique而产生较大的误差。而在本方案中，我们可以拿出足够的时间来进行补偿。图3所示的结果就可以看出，提出的电路对于VTH的补偿效果明显要优于文献10中的五管单元电路。在电路工作过程中，阶段（4）是OLED的发光时间，与传统的电路相比，发光时间要少于一帧的时间。为了增加发光时间，就必须减少数据写入所用的时间。而在数据写入阶段，电压信号通过T3管写入到存储电容C2上，所以减小T3的导通电阻或存储电容的值都可以有效减少其所需的时间（数据线上的寄生电容虽然比较大，但是考虑到其寄生电阻比较小，所以可以忽略其所造成的时间延迟）。T3管工作在线性区，其导通电阻可以表示为：RON=1/mnCoxW (VGS-VTH3) /L （5）由（5）式可以看出，减小RON可以通过增大管子的宽长比或提高栅极电压来实现。图4所示的就是不同沟道宽度下数据写入时间与栅极电压（即SCANn）的关系曲线。图 4数据写入时间与Scan电压的关系Fig. 4 Data input time due to Scan current with different W.由图中可以看出，写入时间随W增加或者Scan电压