AMOLED像素驅(qū)動類型、像素電路及相關(guān)補(bǔ)償電路淺

發(fā)布時間：2018-09-14

OLED像素驅(qū)動主要類型

• PMOLED

• AMOLED：電壓編程型、電流編程型

無源OLED像素驅(qū)動：

傳統(tǒng)2T1C像素電路：

AMOLED遇到的問題

輸入相同的數(shù)據(jù)信號，而產(chǎn)生不同的電流，造成亮度不均勻。

補(bǔ)償電路設(shè)計（1）

工作原理：

補(bǔ)償電路設(shè)計（2）

不同TFT技術(shù)的AMOLED像素電路

與PMOLED不同，AMOLED的每個像素都有一個由TFT和存儲電容組成的驅(qū)動電路，從而具有連續(xù)發(fā)光、低功耗以及發(fā)光組件壽命長等特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)OLED顯示的主流。目前，可用于AMOLED的薄膜晶體管有a-Si、LTPS、IGZO等。其中，a-Si 是較早應(yīng)用于AMOLED的，且相對而言比較成熟的一種薄膜晶體管，其成本低，工藝易實(shí)現(xiàn)，但同時也存在遷移率低，穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，目前基本沒采用。

• 模型

像素電路

AMOLED像素電路按照數(shù)據(jù)信號的不同，可分為電壓式驅(qū)動電路和電流驅(qū)動式電路，如圖1所示，其中Cs為存儲電容，Ms為驅(qū)動TFT，其余薄膜晶體管為開關(guān)TFT。

像素電路實(shí)現(xiàn)的功能是：在采樣階段，將與OLED亮度呈一定關(guān)系的電信號充到Cs中；在保持階段，存儲在Cs中的驅(qū)動信號保證OLED在的非采樣階段信號持續(xù)發(fā)光。以下是基于這兩個典型的驅(qū)動電路。

兩種典型像素電路：（a）電壓驅(qū)動式像素電路；（b）電流驅(qū)動式像素電路

TFT器件

下圖是根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)提取的三種TFT的有效載流子遷移率(μ_eff)。顯然，a-Si的遷移率很低，約為1 cm²/Vs左右，LTPS的遷移率較高，在開態(tài)超過了30 cm²/Vs，而IGZO在兩者之間，約為13 cm²/Vs。

提取的三種TFT的有效載流子遷移率(μeff)隨柵源電壓變化的關(guān)系

• 電壓驅(qū)動式

在相同的信號電壓為5V的條件下，仿真中的參數(shù)如表所示。

電流式驅(qū)動電路仿真參數(shù)

遷移率越大，Ms的漏極電流越大。而且，在信號電壓僅為5V的情況下，即使是遷移率最低的a-Si，其輸出電流也已經(jīng)接近8 μA。然而，一般情況下，OLED的最大驅(qū)動電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個值，所以可考慮減小驅(qū)動TFT Ms的尺寸,用于增加反饋部分的電路，以補(bǔ)償電壓式驅(qū)動電路中TFT閾值電壓漂移帶來的影響。

從采樣準(zhǔn)確性的角度，由于電壓驅(qū)動方式下的信號延遲很小，如圖4所示，在三種TFT的電路中，信號最大延遲亦不超過5 μs。而且，即使對于目前最高分辨率為1920×1200的顯示產(chǎn)品，在輸入信號掃描頻率為60Hz的情況下，即幀周期約為13.9us時，亦能保證較準(zhǔn)確的采樣。

不同TFT的電壓驅(qū)動式像素電路中，Ms漏極電流的輸出

• 電流驅(qū)動式

在相同的信號電流為0.1μA的條件下，仿真中的參數(shù)如表所示。

電流式驅(qū)動電路仿真參數(shù)：

由于該電路為電流驅(qū)動方式，所以無論采用哪種TFT器件，其延遲時間都較長，最小的延遲時間亦不低于60 μs，這顯然不能滿足準(zhǔn)確采樣的要求。

不同TFT的電流驅(qū)動式像素電路中，Ms漏極電流的輸出

在Ms已被預(yù)充了VT的情況下，Ms的漏極電流隨時間的變化可表達(dá)為:

其中：

其中，C_pix為像素電路中的存儲電容和Ms等效電容的總和。由式（2）可知，延遲時間與整個電路的電容成正比，而與遷移率的平方根成反比。所以要提高采樣信號的準(zhǔn)確性，可以考慮降低整個電路的電容，但是大幅度降低整個電路的寄生電容較難實(shí)現(xiàn)，所以，比較有效的方案是采用高遷移率的薄膜晶體管技術(shù)。

集中補(bǔ)償?shù)腎GZO AMOLED像素電路

非晶硅（a-Si）和多晶硅（Poly-Si）TFT是AMOLED顯示中的主流技術(shù)。a-Si在均勻性，關(guān)態(tài)電流，低成本等方面都具有優(yōu)勢，但是a-Si的閾值電壓（V_TH）極不穩(wěn)定，長期偏置狀態(tài)下會發(fā)生嚴(yán)重漂移。

相比于a-Si，Poly-Si的V_TH相對穩(wěn)定，且遷移率高，可以提供互補(bǔ)的器件。

但Poly-Si在像素間V_TH和遷移率都會存在差異，會造成顯示的不均勻，而且Poly-Si的制作成本高，尤其在大面積顯示中還存在諸多不足。

近幾年發(fā)展起來的IGZO其遷移率介于a-Si和Poly-Si之間，V_TH穩(wěn)定性也較a-Si好，且IGZO的均勻性與成本都與a-Si很接近，在AM-OLED驅(qū)動電路中顯示出巨大優(yōu)勢。 

IGZO在長期偏置下V_TH還是會有漂移，因此在構(gòu)成像素電路時仍需要提供補(bǔ)償機(jī)制。

目前為了解決TFT的V_TH漂移帶來的問題，出現(xiàn)了很多提供補(bǔ)償?shù)南袼仉娐?。這些電路一般的操作步驟是預(yù)充電，V_TH提取，電流調(diào)整和驅(qū)動四步。

這個過程需要復(fù)雜的時序控制和相應(yīng)的外圍電路。 

• 四管單元電路

下圖所示即為四管單元的像素電路和相關(guān)時序圖。電路由一個驅(qū)動管（T1），三個開關(guān)管（T2~T4），兩個電容（C1,C2）和一個OLED組成?？刂凭€由三跟行線（SCAN[n]，EM和VDD），兩根列線（DATA[m]和V_REF）以及公共電極

電極VSS組成。其中EM，VREF和VDD屬于全局控制線。電路工作主要分為初始化，VTH提取，數(shù)據(jù)寫入和發(fā)光四個階段如圖1（b）所示。

初始化：在初始化階段，EM信號變?yōu)楦唠娖?，使T2,T4開啟。從而A點(diǎn)電位變?yōu)閂REF，VREF為高電平，會使T1開啟。同時VDD變?yōu)榈碗娖絍DD1，并通過T1將B點(diǎn)電位拉低。初始化的作用就是給T1管的源極一個初始的低電位。

VTH提?。涸诔跏蓟Y(jié)束后，EM信號維持高電平，使A點(diǎn)電位為VREF，VDD電平由低變高，開始對B點(diǎn)電容充電，B點(diǎn)電位上升直至T1截止。此時B點(diǎn)電位為VREF-VTH。在這個過程中，由于T4管處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此，C點(diǎn)電位與B點(diǎn)相同，電容C1兩側(cè)形成電位差為：

V_A-V_C=V_REF-(V_REF-V_TH)=V_TH           （1）

由（1）可以看出，V_TH被存儲在電容C1上。值得注意的是，初始化和VTH提取階段是針對面板上所有像素進(jìn)行的。

數(shù)據(jù)寫入：在數(shù)據(jù)寫入階段，EM變?yōu)榈碗娖?，T2和T4截止，此時A點(diǎn)處于懸浮態(tài)，B點(diǎn)和C點(diǎn)也不再連通。VDD變?yōu)榈碗娖?，以保證在數(shù)據(jù)寫入階段，OLED不會導(dǎo)通。另一方面，SCAN[n]信號逐行變?yōu)楦唠娖剑来未蜷_T3管，此時數(shù)據(jù)線上的電壓經(jīng)T3管寫到C點(diǎn)，C點(diǎn)電位變?yōu)閂_DATA[m]，由于A點(diǎn)處于懸浮狀態(tài)，因此C點(diǎn)的電位變化會通過電容C1耦合到A點(diǎn)。數(shù)據(jù)寫入后，A點(diǎn)電位變?yōu)椋?/span>

V_A=V_REF+[V_DATA-(V_REF-V_TH)]=V_DATA+V_TH   （2）

發(fā)光階段：在這一階段，EM和SCAN[m]信號為低電平，T2，T3和T4都處于截止?fàn)顟B(tài)。VDD變?yōu)楦唠娖?，T1開始導(dǎo)通，B點(diǎn)電位由V_REF-V_TH變?yōu)閂_OLED。V_OLED為OLED上對應(yīng)的電壓。此時，流過OLED的電流為：

I_OLED=(W/2L)μ_nC_ox(V_DATA+V_TH-V_OLED-V_TH)²    

=(W/2L)μ_nCox(VDATA-VOLED)²   （3）

式中WL是T1管的溝道寬和長，μn和C_ox分別為TFT管的遷移率和本征電容。由式（3）可以看出流過OLED的電流不隨驅(qū)動管VTH改變而改變，而只與數(shù)據(jù)電壓和OLED上的電壓有關(guān)，這兩部分電壓都是提前預(yù)知的，則能夠解決因閾值電壓漂移而產(chǎn)生OLED亮度不均勻的問題。

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