TFT-OLED像素單元及驅(qū)動(dòng)電路分析

圖3 電流控制型3-TFT像素電路

2.2.2 四管TFT結(jié)構(gòu)

國外較早見報(bào)道的4-TFT電流控制帶閾值電壓補(bǔ)償?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/驅(qū)動(dòng)">驅(qū)動(dòng)電路如圖4。在尋址階段，掃描電壓開啟T1、T3,數(shù)據(jù)電流Idata流過T4進(jìn)入發(fā)光單元，T4的柵源電壓保存在Cs中;尋址結(jié)束，T1和T3關(guān)閉，VG的引入能使T2打開，這時(shí)T4連到VDD上作為電流源，它只受保存在Cs中的電壓控制，這就消除了閾值電壓變化的影響，然而VG線的引入影響了顯示器的開口率。

圖4 電流控制帶閾值電壓補(bǔ)償?shù)哪M驅(qū)動(dòng)電路

圖5 電流控制電流鏡像素電路

獲得廣泛應(yīng)用的是以電流鏡像為基礎(chǔ)的電流控制型像素單元電路，下面以圖5所示結(jié)構(gòu)闡述這類電路的工作原理。當(dāng)掃描線上電壓處于高電平時(shí)，此像素被選中，晶體管T1、T2導(dǎo)通，Idata首先從數(shù)據(jù)線通過T1管對(duì)電容Cs充電。當(dāng)電容Cs兩端電壓達(dá)到一定值時(shí)，整個(gè)Idata通過T2管流到T3管。同時(shí)，由于T3管和T4管的柵極電壓相等，數(shù)據(jù)電流Idata被鏡像為流經(jīng)OLED的電流。當(dāng)此像素未被選中時(shí)，T4管的柵極電壓由電容Cs兩端所存儲(chǔ)的電壓所決定，維持著電流驅(qū)動(dòng)OLED。

研究發(fā)現(xiàn)開關(guān)管T2的老化，T3、T4閾值電壓VT的漂移差別，T3、T4的閾值電壓VT初始值不同是影響以電流鏡為基礎(chǔ)a-Si:H電路的驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定性的主要機(jī)制。因此，電流鏡準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電流跟隨功能的基本要求是T2盡可能開態(tài)低阻，關(guān)態(tài)低漏電流;T3、T4的初始閾值電壓相等，且變化一致;T3、T4工作于飽和區(qū)。而郭斌等人模擬和分析了作為電流控制型多晶硅薄膜晶體管(poly-SiTFT)有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管(AM-LOED)像素單元的poly-SiTFT/OLED耦合對(duì)的J-V特性和poly-SiTFT電流鏡的I-V特性。結(jié)果表明，poly-SiTFT/OLED耦合對(duì)的驅(qū)動(dòng)電壓低，在200A/m2下不超過8V;而TFT電流鏡的跟隨能力很好，在0.0～2.5μA時(shí)飽和電壓只有1.5～2.5V。一般說來，以電流鏡像為基礎(chǔ)的電路具有良好的補(bǔ)償特性，類似于此類型的電流控制型驅(qū)動(dòng)電路也能很好地證明這一點(diǎn)，并從實(shí)驗(yàn)得出，這種電路具有很好的線性輸出，能對(duì)顯示的灰度作精確性地調(diào)節(jié)。

四管電流驅(qū)動(dòng)型電路缺陷在于低亮度顯示時(shí)，充電時(shí)間長，信號(hào)延時(shí)嚴(yán)重。目前，主要通過調(diào)節(jié)OLED的電流與輸入數(shù)據(jù)電流的縮減比例，來減小數(shù)據(jù)線與像素間的充電時(shí)間。已見報(bào)道的有兩類方法，一是基于TFT幾何尺寸，一是基于存儲(chǔ)電容尺寸。分壓式電流控制型驅(qū)動(dòng)電路屬于前者，電路中流經(jīng)OLED的電流與數(shù)據(jù)電流的關(guān)系為：

這里μ為場(chǎng)效應(yīng)遷移率，Cox為單位面積的絕緣層電容;W和L分別為MOS管溝道寬度和長度。由以上關(guān)系可知，采用大數(shù)據(jù)電流充電，能得到小的IOLED,同時(shí)減少了充電時(shí)間，但這是以增加功耗為代價(jià)的。而串聯(lián)存儲(chǔ)電容結(jié)構(gòu)的電流控制型電路屬于后者，選通階段，Idata=IOLED,非選通階段，電路中流經(jīng)OLED的電流與數(shù)據(jù)電流的關(guān)系為Idata=RSCALEIOLED,其中RSCALE為電流縮減比率，它與存儲(chǔ)電容CST2、開關(guān)管柵源/柵漏等效交迭電容COV-T2、掃描信號(hào)在選通與非選通時(shí)幅度的變化△VSCAN相關(guān)，且隨著以上參數(shù)的增大，RSCALE隨之增大。與前者相比，該電路優(yōu)勢(shì)在于通過RSCALE與IOLED適當(dāng)組合，不僅可以更大程度地減小響應(yīng)時(shí)間，而且在不增加功耗的前提下，能滿足高、低不同灰度級(jí)的顯示需要。

2.2.3 五管TFT結(jié)構(gòu)

B.Mazhari等人提出了五管單元像素電路，該電路采用一個(gè)柵源短接的TFT作為負(fù)反饋電阻，有效抑制多晶硅TFT扭結(jié)效應(yīng)(kinkeffect)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)電流高達(dá)20A,輸出特性曲線仍具有良好的線性，克服了以前各種電路在保證線性的前提下電流范圍小的缺陷。愛普生-劍橋?qū)嶒?yàn)室提出了先進(jìn)的自調(diào)整電壓源技術(shù)，這也是一種五管驅(qū)動(dòng)方案，電路通過單位增益放大器存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)管TFT的源電壓，保證選通與非選通階段驅(qū)動(dòng)管偏置條件一致。

盡管電流范圍限制在0.2A～1A,還是有效改善了數(shù)據(jù)電流較小時(shí)閾值電壓的變化對(duì)OLED電流影響較大的缺點(diǎn)，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了像素的占空因數(shù)。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

一個(gè)完整的有源矩陣OLED驅(qū)動(dòng)顯示系統(tǒng)，除了由像素單元電路構(gòu)成的矩陣顯示屏外，還包括驅(qū)動(dòng)IC(行、列控制/驅(qū)動(dòng)電路)、單片機(jī)控制電路等，OLED有源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型框圖如圖6。

圖6 OLED有源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型框圖

顯示用的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于ROM或RAM中，CPU或MCU控制電路產(chǎn)生總控制信號(hào)，行控制電路和列驅(qū)動(dòng)電路在總控制信號(hào)下，結(jié)合各自內(nèi)部功能，產(chǎn)生基本行信號(hào)和基本列信號(hào)，行驅(qū)動(dòng)電路和列驅(qū)動(dòng)電路在總控制信號(hào)、基本行信號(hào)和基本列信號(hào)下，結(jié)合各自內(nèi)部功能，產(chǎn)生行掃描信號(hào)和列數(shù)據(jù)信號(hào)，使OLED顯示屏顯示存儲(chǔ)于ROM或RAM中的圖像信息。

驅(qū)動(dòng)IC置于控制電路與有源玻璃板之間，是整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的核心。全球已經(jīng)有多家公司在從事OLED驅(qū)動(dòng)IC的研究，到目前為止，還沒有完全商業(yè)化的AM-OLED的驅(qū)動(dòng)IC。但NextSierra公司已推出了分別集成的TFT-OLED行列驅(qū)動(dòng)NXS1008、NXS1009和控制芯片NXS1010,張志偉等人采用該系列芯片，通過MCS-51單片機(jī)的控制來驅(qū)動(dòng)240×320×3點(diǎn)陣的TFT-OLED屏，實(shí)現(xiàn)了大信息量的動(dòng)態(tài)圖形顯示。

由于液晶顯示器件的配套驅(qū)動(dòng)芯片功能比較完善，且價(jià)格低廉，所以將此類芯片移用于有源矩陣顯示屏(AM-OLED)成為了國內(nèi)外當(dāng)前的研究焦點(diǎn)。