TFT-OLED像素單元及驅(qū)動(dòng)電路分析

1 引言

有機(jī)電致發(fā)光器件(OLED)是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的全固體器件，因其具有薄而輕、高對(duì)比度、快速響應(yīng)、寬視角、寬工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)而引起人們的極大關(guān)注，被認(rèn)為是新一代顯示器件。要真正實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，必須提高器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)有效的圖像顯示驅(qū)動(dòng)電路。近來(lái)，隨著研究的深入，OLED的發(fā)光效率和穩(wěn)定性已達(dá)到某些應(yīng)用的要求，而其專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)還不是很成熟。目前，所有平板顯示的驅(qū)動(dòng)均采用矩陣驅(qū)動(dòng)方式，由X和Y電極構(gòu)成的矩陣顯示屏。根據(jù)每個(gè)像素中引入和未引入開(kāi)關(guān)元器件將矩陣顯示分為有源矩陣(AM)顯示和無(wú)源矩陣(PM)顯示。

PM-OLED具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要用于信息量低的簡(jiǎn)單顯示中;AM-OLED在大信息量顯示中占優(yōu)勢(shì)，一般采用非晶硅TFT(a-SiTFT)或多晶硅(poly-SiTFT)開(kāi)關(guān)元器件，輸入信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電容器上，使在幀周期內(nèi)像素保持選通態(tài)，因而不需要瞬態(tài)高亮度，克服了PM-OLED的缺點(diǎn)且不受占空比限制。因此，OLED要實(shí)現(xiàn)高品位顯示，必須采用有源矩陣驅(qū)動(dòng)方式。本文從TFT-OLED有源矩陣像素單元電路出發(fā)，著重分析了電壓控制型與電流控制型像素單元電路，簡(jiǎn)要討論了控制/驅(qū)動(dòng)IC對(duì)TFT-OLED有源驅(qū)動(dòng)電路的影響。

2 模擬像素單元電路

AM-OLED驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案包括模擬和數(shù)字兩種。在數(shù)字驅(qū)動(dòng)方案中，每一像素與一開(kāi)關(guān)相連，TFT僅作模擬開(kāi)關(guān)使用，灰度級(jí)產(chǎn)生方法包括時(shí)間比率灰度和面積比率灰度，或者兩者的結(jié)合。目前，模擬像素電路仍占主流，但在灰度級(jí)實(shí)現(xiàn)上，模擬技術(shù)與時(shí)間比率灰度和面積比率灰度理論相結(jié)合將會(huì)是將來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。在模擬方案中，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的類(lèi)型不同，單元像素電路可分為電壓控制型和電流控制型。

2.1 電壓控制型像素電路

2.1.1 兩管TFT結(jié)構(gòu)

電壓控制型單元像素電路以數(shù)據(jù)電壓作為視頻信號(hào)。最簡(jiǎn)單的電壓控制型兩管TFT單元像素電路如圖1所示。

圖1 兩管TFT驅(qū)動(dòng)電路

其工作原理如下：當(dāng)掃描線被選中時(shí)，開(kāi)關(guān)管T1開(kāi)啟，數(shù)據(jù)電壓通過(guò)T1管對(duì)存儲(chǔ)電容CS充電，CS的電壓控制驅(qū)動(dòng)管T2的漏極電流;當(dāng)掃描線未被選中時(shí)，T1截止，儲(chǔ)存在CS上的電荷繼續(xù)維持T2的柵極電壓，T2保持導(dǎo)通狀態(tài)，故在整個(gè)幀周期中，OLED處于恒流控制。

其中(a)，(b)被分別稱(chēng)為恒流源結(jié)構(gòu)與源極跟隨結(jié)構(gòu)，前者OLED處于驅(qū)動(dòng)管T2的漏端，克服了OLED開(kāi)啟電壓的變化對(duì)T2管電流的影響;后者在工藝上更容易實(shí)現(xiàn)。兩管電路結(jié)構(gòu)的不足之處在于驅(qū)動(dòng)管T2閾值電壓的不一致將導(dǎo)致逐個(gè)顯示屏的亮度的不均勻，OLED的電流和數(shù)據(jù)電壓呈非線性關(guān)系，不利于灰度的調(diào)節(jié)。

2.1.2 三管TFT結(jié)構(gòu)

基于第二代電流傳輸器原理的電壓控制型像素單元電路如圖2所示，虛線左邊可視為外部驅(qū)動(dòng)電路，右邊為單元像素電路。

圖2 基于第二代電流傳輸器原理的像素電路

在控制模式下，T2和T3開(kāi)啟，T1和運(yùn)算放大器構(gòu)成第二代電流傳輸器，由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)可以取得很大，T1管的閾值電壓對(duì)電流的影響變得不敏感，此時(shí)，流經(jīng)T1的電流：

IT1=Vin/Rin

并且T1管源極電壓應(yīng)低于OLED的開(kāi)啟電壓，防止OLED開(kāi)啟。在保持模式下，T2和T3關(guān)斷，存儲(chǔ)電容Cs維持T1管的柵極電壓，電流經(jīng)T1進(jìn)入OLED。其中放大器由COMS電路實(shí)現(xiàn)，所有同行像素可共用一個(gè)運(yùn)算放大器。

仿真結(jié)果表明，盡管T3管存在電荷注入與時(shí)鐘饋漏效應(yīng)，使得OLED電流略小于控制電流;在OLED標(biāo)稱(chēng)電流為1μA,閾值電壓漂移超過(guò)5V時(shí)，控制電流、OLED電流相對(duì)誤差分別為-0.18%、5.2%,成功補(bǔ)償了TFT的空間不均性和不穩(wěn)定性。

2.1.3 四管TFT結(jié)構(gòu)

Dawson等人首次提出了四管TFT結(jié)構(gòu)的單元像素電路，該電路通過(guò)自動(dòng)置零將數(shù)據(jù)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)管進(jìn)行比較，以消除TFT柵壓的偏移，并在數(shù)據(jù)信號(hào)之前施加優(yōu)先置零信號(hào)(VAZB)，使寄生電容所積累的電荷得以釋放，解決了閾值電壓變化的問(wèn)題，并且不依賴(lài)OLED的開(kāi)啟與充電時(shí)間。這種電路的缺陷在于：當(dāng)溝道長(zhǎng)度變短時(shí)，又將出現(xiàn)發(fā)光不均勻現(xiàn)象。

GohJC等人提出了利用亞閾值電流補(bǔ)償閾值電壓變化電壓控制型電路，在驅(qū)動(dòng)時(shí)序上增加一個(gè)補(bǔ)償階段，使驅(qū)動(dòng)管工作于亞閾值區(qū)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)管的柵源電壓即閾值電壓Vth儲(chǔ)存于存儲(chǔ)電容，該電壓在數(shù)據(jù)輸入階段可補(bǔ)償了TFT閾值電壓的漂移。他們還提出了利用放電式補(bǔ)償閾值電壓變化的電壓控制型驅(qū)動(dòng)電路，與前者不同的是，該電路利用放電的方式使驅(qū)動(dòng)管進(jìn)入亞閾值區(qū)，獲得數(shù)據(jù)電壓與閾值電壓疊加值，從而有效補(bǔ)償閾值電壓變化。

電壓控制型驅(qū)動(dòng)電路除了能有效補(bǔ)償閾值電壓變化外，其優(yōu)勢(shì)還在于具有快速響應(yīng)特性，因?yàn)殡妷褐苯蛹拥酱鎯?chǔ)電容CS的兩端，充電電流一開(kāi)始會(huì)有一個(gè)瞬間的大電流對(duì)電容充電，極大地降低了充電時(shí)間。

2.2 電流控制型像素電路

盡管電壓控制型電路具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但由于不能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)顯示的灰度，難以滿(mǎn)足顯示的需求，于是人們提出電流驅(qū)動(dòng)方案。電流控制型單元像素電路是以數(shù)據(jù)電流作為視頻信號(hào)的。

一般說(shuō)來(lái)，電流控制型像素電路需要滿(mǎn)足以下要求：

1)有效補(bǔ)償閾值電壓的漂移，

2)具有良好的電流跟隨特性及良好的線性，

3)響應(yīng)速度在可接受的范圍內(nèi)，

4)在允許的條件下盡量降低驅(qū)動(dòng)電源電壓以降低功耗。

因此，絕大多數(shù)電流控制型像素電路是通過(guò)接收輸入的電流信號(hào)并將其映射到輸出端，同時(shí)儲(chǔ)存到像素內(nèi)的存儲(chǔ)電容上，以保證整幀內(nèi)穩(wěn)定的輸出。目前報(bào)道過(guò)的電流驅(qū)動(dòng)型電路主要有三管TFT結(jié)構(gòu)、四管TFT結(jié)構(gòu)、五管甚至更多管TFT結(jié)構(gòu)。

2.2.1 三管TFT結(jié)構(gòu)

圖3所示是三管TFT電流控制型電路，它工作于控制和保持兩個(gè)階段?？刂齐A段，掃描線處于高電平，T2和T3開(kāi)啟，T1漏極施加低電平，OLED反向偏置，輸入數(shù)據(jù)電流流經(jīng)T2,T1,T1的柵源電壓存儲(chǔ)于Cs中。保持階段，掃描線處于低電平，T2和T3關(guān)斷，同時(shí)T1漏極施加高電平，電流流經(jīng)T1與OLED,T1的柵源電壓維持T1電流不變。電路能有效補(bǔ)償閾值電壓的變化，工作700小時(shí)，電流衰減11%,這可以通過(guò)減小TFT的交疊電容加以改善。