基于亞閾值技術(shù)的AM-OLED驅(qū)動(dòng)電路研究

張慧熙，孫亞萍，王玉槐

(杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310012)

基于亞閾值技術(shù)的AM-OLED驅(qū)動(dòng)電路研究

張慧熙，孫亞萍，王玉槐

(杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310012)

有機(jī)電致發(fā)光二極管(OLED)作為新一代顯示技術(shù)，將來極有可能取代LCD.OLED的驅(qū)動(dòng)電路也成為研究熱點(diǎn).在已有有源陣列OLED(AM-OLED)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的基于亞閾值技術(shù)的柵壓控制OLED有源驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過HSPICE仿真，該電路較好解決了工作于飽和區(qū)的有源驅(qū)動(dòng)電路所引起的發(fā)光亮度非線性問題.

AMOLED；有源驅(qū)動(dòng)；亞閾值

0 引 言

有機(jī)電致發(fā)光二極管(organic light-emitting diode，OLED)由于具備自發(fā)光特性，所以不需要背光源，而液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)通常是需要背光源的.OLED的可視度和亮度均較高，同時(shí)工作電壓較低、功耗較小.而且與LCD相比，OLED還具有響應(yīng)快、重量輕、厚度薄、構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低的特性.綜上所述，OLED被業(yè)界認(rèn)為是新興的下一代平面顯示應(yīng)用技術(shù)[1].

與LCD顯示屏不同，OLED顯示屏的亮度取決于其像素驅(qū)動(dòng)電流的大小，即OLED是電流驅(qū)動(dòng)型器件.OLED像素驅(qū)動(dòng)方式有2種，一種是無源驅(qū)動(dòng)(PM-OLED)，一種是有源驅(qū)動(dòng)(AM-OLED).無源驅(qū)動(dòng)是由電流源直接驅(qū)動(dòng)[2].有源驅(qū)動(dòng)技術(shù)分為2種，一種是柵壓控制的有源驅(qū)動(dòng)，另一種是電流鏡驅(qū)動(dòng)方法.與PM-OLED相比，AM-OLED具有發(fā)光亮度高、壽命長(zhǎng)、顯示容量大等特點(diǎn)[3].

1 AM-OLED電路驅(qū)動(dòng)方法

1.1 電流鏡驅(qū)動(dòng)方法

該方法直接把電壓數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過伏安變換電路轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)Idata，通過電流鏡把電流信號(hào)拷貝到OLED上，從而克服了薄膜晶體管液晶顯示(TFT-LCD)的分散性，實(shí)現(xiàn)了灰度顯示，如圖1所示[3].

圖1 電流鏡像像素電路Fig.1 Pixel circuit based on current mirror

圖2 兩管柵壓控制有源驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Gate-voltage-controlled drive circuit for AM-OLED with two PMOS transistors

圖1中晶體管為NMOS管，當(dāng)掃描線上的電壓Vselect處于高電平時(shí)，晶體管T1、T2導(dǎo)通，像素電流Idata先通過T1管對(duì)像素電容Cs充電，隨著Cs兩端電壓升高，T3中有電流通過.當(dāng)電容Cs兩端電壓達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，全部電流通過T2管流到T3管，而T1管無電流通過.整個(gè)充電過程與T3和T4管的閾值電壓無關(guān).同時(shí)，由于T3管和T4管的柵極相連，電壓相等，數(shù)據(jù)電流IDATA被鏡像為流經(jīng)OLED的驅(qū)動(dòng)電流IOLED.

上述電路中，當(dāng)顯示灰度很小時(shí)，像素電流Idata也相應(yīng)地很小(幾十nA)，用它對(duì)像素存儲(chǔ)電容充電就會(huì)很慢，使得延遲問題突出，這樣在滿足視頻帶寬的條件下，想保持很高的像素刷新率非常困難.

1.2 柵壓控制有源驅(qū)動(dòng)

柵壓控制的有源驅(qū)動(dòng)就是在像素驅(qū)動(dòng)電路中增加了尋址TFT(薄膜晶體管)和驅(qū)動(dòng)TFT.圖2所示的電路是最簡(jiǎn)單的兩管驅(qū)動(dòng)電路，通過調(diào)制驅(qū)動(dòng)管的柵極電壓來控制流過OLED的電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)像素發(fā)光亮度的目的[4].

圖2中兩個(gè)晶體管為PMOS管，T1為尋址TFT，T2為驅(qū)動(dòng)TFT.寫信號(hào)時(shí)，掃描線電壓Vselect為低電平，T1導(dǎo)通，數(shù)據(jù)信號(hào)存到電容C1；顯示時(shí)，掃描線處于高電平，T2受存儲(chǔ)電容C1上的電壓控制，使OLED發(fā)光.T1管在顯示時(shí)是截止的，而T2是持續(xù)導(dǎo)通的，因此可以不用考慮T1柵壓的偏移，而考慮T2柵壓的偏移.該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)精確的灰度顯示有很大困難，因?yàn)闁艠O電壓和電流成非線性關(guān)系.限于實(shí)際工藝水平，每個(gè)像素驅(qū)動(dòng)TFT的閾值電壓并不完全一致，這一點(diǎn)將導(dǎo)致整個(gè)顯示屏的亮度不一致.為了消除TFT柵壓的偏移，可以通過增加閾值補(bǔ)償電路的方法來解決[4].驅(qū)動(dòng)電路中的MOS管柵極電壓與導(dǎo)通電流成非線性關(guān)系，這會(huì)產(chǎn)生顯示屏發(fā)光亮度不均勻的問題，可以采用數(shù)字灰度驅(qū)動(dòng)方案來解決，但需要編寫控制程序，處理速度較慢.而該文提出的基于亞閾值的柵壓控制有源驅(qū)動(dòng)可以解決顯示屏發(fā)光亮度不均勻的問題.

2 基于亞閾值的柵壓控制有源驅(qū)動(dòng)

2.1 MOS-FET亞閾值特性

當(dāng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOS-FET)的柵極電壓Vgs處在閾值電壓Vth以下時(shí),沒有形成導(dǎo)電溝道，即當(dāng)Vgs≤Vth時(shí)，MOS管表現(xiàn)為弱反型狀態(tài).在這種狀態(tài)下仍有一股較小的電流通過器件，該電流即稱為亞閾值電流.

圖3 MOS管的漏電流和柵極電壓的傳輸特性圖Fig.3 Transmission characteristic of MOS’s leakage current and gate voltage

亞閾電流雖然較小，但是它卻能夠很好地受到柵極電壓的控制，所以亞閾值狀態(tài)下的MOS管在低電壓、低功耗應(yīng)用時(shí)很有利用價(jià)值.MOS管在其Vgs逼近Vth時(shí)，Vds-Vgs的特性會(huì)從平方關(guān)系變?yōu)橹笖?shù)關(guān)系[5]，如式(1).

(1)

其中μeff、W/Leff、Cox、VT和m分別代表載流子遷移率、MOS管寬長(zhǎng)比、MOS管表面擴(kuò)散電容、熱電勢(shì)和亞閾值電流參數(shù).

在MOS管的亞閾值區(qū)，漏電流和柵壓的傳輸特性如圖3所示[5].由MOS管漏電流和柵壓的傳輸特性圖可以看出，當(dāng)MOS管工作在亞閾值區(qū)時(shí)，其漏電流和柵壓具有近似線性關(guān)系.而OLED像素的驅(qū)動(dòng)電流為幾十pA到幾百nA[6]，不難設(shè)計(jì)并制造出亞閾值電流在這個(gè)范圍的MOS管.因此，工作于亞閾值區(qū)的MOS管可以為OLED提供驅(qū)動(dòng)電流.

2.2 基于亞閾值的柵壓控制有源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

文[7]提出亞閾值壓控電流源，如圖4所示,該電流源用于OLED像素的驅(qū)動(dòng)電路.該電路的掃描控制電路復(fù)雜，時(shí)序要求嚴(yán)格，不利于高速或高分辨率OLED顯示屏的驅(qū)動(dòng).在此基礎(chǔ)上，該文設(shè)計(jì)了電路更為簡(jiǎn)單、時(shí)序要求較低的OLED驅(qū)動(dòng)電路，如圖5虛線框內(nèi)所示.這是基于亞閾值柵壓控制的有源驅(qū)動(dòng)電路，它構(gòu)成了OLED單個(gè)像素的驅(qū)動(dòng)模塊.

圖4 亞閾值壓控電流源Fig.4 Subthreshold-voltage-scaling current source

圖5 基于亞閾值的柵壓控制OLED有源驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 Gate-voltage-controlled drive circuit for AM-OLED based on sub-threshold

當(dāng)掃描選通線Vselect為高電平時(shí)，P1、P5截止，P4導(dǎo)通，VB的電平上升為VH，使得VA電平躍升VH-VL，確保P2工作于亞閾值區(qū)，而P3導(dǎo)通，因此P2產(chǎn)生的亞閾值電流通過P3驅(qū)動(dòng)OLED，使得該像素被點(diǎn)亮.因?yàn)橐驪MOS工作于亞閾值區(qū)，所以Vdata不能太小也不能太大.由于采用的是PMOS構(gòu)成的電路，所以當(dāng)Vdata越大，P2的亞閾值電流越小.

Vdata的取值范圍為|Vth|

理論上顯示灰度級(jí)可以很高，但顯示屏所能達(dá)到的灰度級(jí)由所設(shè)計(jì)的單元驅(qū)動(dòng)電路的輸出Cdrive電流值的動(dòng)態(tài)范圍決定，這又受限于驅(qū)動(dòng)PMOS管的設(shè)計(jì)參數(shù)和生產(chǎn)工藝.

2.3 電路仿真結(jié)果

采用如圖6(a)所示的掃描線信號(hào)和圖6(b)所示的數(shù)據(jù)線信號(hào)對(duì)設(shè)計(jì)的亞閾值柵壓控制的OLED有源驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行HSPICE模擬,模擬時(shí)采用了150 nm工藝參數(shù)，寬長(zhǎng)比為6∶1，VDD為2.5 V，P2管的閾值電壓為-1.2 V，VH為0.6 V，VL為0.1 V，電容C為1 pf.圖6(c)為流過OLED的電流.模擬結(jié)果表明，在亞閾值區(qū)，驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流基本成線性關(guān)系，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)在1.1 ～1.5 V之間時(shí)，輸出的電流在幾十nA到幾nA之間，滿足OLED像素的驅(qū)動(dòng)電流需要.

圖6 基于亞閾值的柵壓控制有源驅(qū)動(dòng)電路的HSPICE模擬Fig.6 Simulation in HSPICE of gate-voltage-controlled drive circuit for AM-OLED based on sub-threshold

3 結(jié) 論

由于工作在飽和區(qū)MOS管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路中，MOS管的柵極電壓與電流成非線性關(guān)系，所以產(chǎn)生了顯示屏發(fā)光亮度不均勻的問題.文章提出基于亞閾值的柵壓控制OLED有源驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，時(shí)序要求低，經(jīng)過HSPICE仿真驗(yàn)證，數(shù)據(jù)信號(hào)與OLED的驅(qū)動(dòng)電流具有較好的線性關(guān)系，解決了因MOS管的柵壓與電流的非線性而造成顯示屏發(fā)光亮度不均勻的問題.

[1] 才華,司玉娟,郎六琪.彩色有源OLED顯示屏上像素仿真及外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2006，27(4):618-623.

[2] 桂太龍，梁棟，張秀芳,等.OLED無源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與仿真[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,14(3):122-125.

[3] 曹偉，林祖?zhèn)?，何世東.AMOLED電流鏡像像素電路的穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代顯示,2009(4):44-47.

[4] 劉輝.OLED驅(qū)動(dòng)控制電路的研究[D].長(zhǎng)春:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,2004.

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[6] Huang Ran, Wang Xiaohui, Wang Wenbo,etal.Design of a 16 gray scales 320×240 pixels OLED-on-silicon driving circuit[J].Journal of Semiconductors，2009,30(1):015010-1-4.

[7] Levy G B, Evans W, Ebner J,etal.An 852×600 pixel OLED-on-silicon color microdisplay using CMOS subthreshold-voltage-scaling current drivers[J].Solid-State Circuits, IEEE Dec,2002,37(12):1879-1889.

ResearchesonDriveCircuitforAM-OLEDBasedonSub-ThresholdTechnology

ZHANG Hui-xi, SUN Ya-ping, WANG Yu-huai

(Qianjiang College， Hangzhou Normal University, Hangzhou 310012, China)

As a new generation of display technology, organic light-emitting diode(OLED) will probably take place of liquid crystal display(LCD).Drive circuits for OLED becomes a research hotspot.According to the existing drive circuit technology for AM-OLED, the paper proposed a new kind of gate-voltage-controlled drive circuit for AM-OLED based on sub-threshold technology, which is simpler.Simulation with HSPICE suggests that the designed drive circuit resolved the problem of nonlinear brightness caused by other gate-voltage-controlled active drive circuits.

AM-OLED; drive circuit; sub-threshold

2011-01-17

杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院科研基金項(xiàng)目(2010QJJL10).

張慧熙(1980—)，女，浙江溫嶺人，講師，碩士，主要從事集成電路設(shè)計(jì)、數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理研究.E-mail：zhhuixi@126.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2011.04.014

TN312.8

A

1674-232X(2011)04-0354-05