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AMOLED像素驱动类型、像素电路及相关补偿电路浅

发布时间:2018-09-14

OLED像素驱动主要类型

  • PMOLED

  • AMOLED:电压编程型、电流编程型

无源OLED像素驱动:

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传统2T1C像素电路:

微信图片_20180914150849.jpg

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AMOLED遇到的问题

输入相同的数据信号,而产生不同的电流,造成亮度不均匀。

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补偿电路设计(1)

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工作原理:

微信图片_20180914151138.jpg

补偿电路设计(2)

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不同TFT技术的AMOLED像素电路

与PMOLED不同,AMOLED的每个像素都有一个由TFT和存储电容组成的驱动电路,从而具有连续发光、低功耗以及发光组件寿命长等特点,成为实现高品质OLED显示的主流。目前,可用于AMOLED的薄膜晶体管有a-Si、LTPS、IGZO等。其中,a-Si 是较早应用于AMOLED的,且相对而言比较成熟的一种薄膜晶体管,其成本低,工艺易实现,但同时也存在迁移率低,稳定性差的缺点,目前基本没采用。

  • 模型

像素电路

AMOLED像素电路按照数据信号的不同,可分为电压式驱动电路和电流驱动式电路,如图1所示,其中Cs为存储电容,Ms为驱动TFT,其余薄膜晶体管为开关TFT。

像素电路实现的功能是:在采样阶段,将与OLED亮度呈一定关系的电信号充到Cs中;在保持阶段,存储在Cs中的驱动信号保证OLED在的非采样阶段信号持续发光。以下是基于这两个典型的驱动电路。

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两种典型像素电路:(a)电压驱动式像素电路;(b)电流驱动式像素电路

TFT器件

下图是根据实验数据和相关文献提取的三种TFT的有效载流子迁移率(μeff)。显然,a-Si的迁移率很低,约为1 cm2/Vs左右,LTPS的迁移率较高,在开态超过了30 cm2/Vs,而IGZO在两者之间,约为13 cm2/Vs。

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提取的三种TFT的有效载流子迁移率(μeff)随栅源电压变化的关系

  • 电压驱动式

在相同的信号电压为5V的条件下,仿真中的参数如表所示。

电流式驱动电路仿真参数

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迁移率越大,Ms的漏极电流越大。而且,在信号电压仅为5V的情况下,即使是迁移率最低的a-Si,其输出电流也已经接近8 μA。然而,一般情况下,OLED的最大驱动电流要远远低于这个值,所以可考虑减小驱动TFT Ms的尺寸,用于增加反馈部分的电路,以补偿电压式驱动电路中TFT阈值电压漂移带来的影响。

从采样准确性的角度,由于电压驱动方式下的信号延迟很小,如图4所示,在三种TFT的电路中,信号最大延迟亦不超过5 μs。而且,即使对于目前最高分辨率为1920×1200的显示产品,在输入信号扫描频率为60Hz的情况下,即帧周期约为13.9us时,亦能保证较准确的采样。

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不同TFT的电压驱动式像素电路中,Ms漏极电流的输出

  • 电流驱动式

在相同的信号电流为0.1μA的条件下,仿真中的参数如表所示。

电流式驱动电路仿真参数:

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由于该电路为电流驱动方式,所以无论采用哪种TFT器件,其延迟时间都较长,最小的延迟时间亦不低于60 μs,这显然不能满足准确采样的要求

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不同TFT的电流驱动式像素电路中,Ms漏极电流的输出

在Ms已被预充了VT的情况下,Ms的漏极电流随时间的变化可表达为:

微信图片_20180914151956.jpg
其中:

微信图片_20180914152039.jpg

其中,Cpix为像素电路中的存储电容和Ms等效电容的总和。由式(2)可知,延迟时间与整个电路的电容成正比,而与迁移率的平方根成反比。所以要提高采样信号的准确性,可以考虑降低整个电路的电容,但是大幅度降低整个电路的寄生电容较难实现,所以,比较有效的方案是采用高迁移率的薄膜晶体管技术。


集中补偿的IGZO AMOLED像素电路

非晶硅(a-Si)和多晶硅(Poly-Si)TFT是AMOLED显示中的主流技术。a-Si在均匀性,关态电流,低成本等方面都具有优势,但是a-Si的阈值电压(VTH)极不稳定,长期偏置状态下会发生严重漂移。

相比于a-Si,Poly-Si的VTH相对稳定,且迁移率高,可以提供互补的器件。

但Poly-Si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其迁移率介于a-Si和Poly-Si之间,VTH稳定性也较a-Si好,且IGZO的均匀性与成本都与a-Si很接近,在AM-OLED驱动电路中显示出巨大优势。 

IGZO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TFT的VTH漂移带来的问题,出现了很多提供补偿的像素电路。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。

这个过程需要复杂的时序控制和相应的外围电路。 

  • 四管单元电路

下图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(T2~T4),两个电容(C1,C2)和一个OLED组成。控制线由三跟行线(SCAN[n],EM和VDD),两根列线(DATA[m]和VREF)以及公共电极

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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。

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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,SCAN[n]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VDATA[m],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SCAN[m]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)μnCox(VDATA+VTH-VOLED-VTH)2    

=(W/2L)μnCox(VDATA-VOLED)2   (3)

式中WL是T1管的沟道宽和长,μn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。

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