TFT-OLED像素單元及驅動(dòng)電路分析

1 引言

有機電致發(fā)光器件(OLED)是將電能直接轉換成光能的全固體器件，因其具有薄而輕、高對比度、快速響應、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，被認為是新一代顯示器件。要真正實(shí)現其大規模產(chǎn)業(yè)化，必須提高器件的發(fā)光效率和穩定性，設計有效的圖像顯示驅動(dòng)電路。近來(lái)，隨著(zhù)研究的深入，OLED的發(fā)光效率和穩定性已達到某些應用的要求，而其專(zhuān)用的驅動(dòng)電路技術(shù)還不是很成熟。目前，所有平板顯示的驅動(dòng)均采用矩陣驅動(dòng)方式，由X和Y電極構成的矩陣顯示屏。根據每個(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具有結構簡(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，一般采用非晶硅TFT(a-SiTFT)或多晶硅(poly-SiTFT)開(kāi)關(guān)元器件，輸入信號存儲在存儲電容器上，使在幀周期內像素保持選通態(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)現高品位顯示，必須采用有源矩陣驅動(dòng)方式。本文從TFT-OLED有源矩陣像素單元電路出發(fā)，著(zhù)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/驅動(dòng)IC對TFT-OLED有源驅動(dòng)電路的影響。

2 模擬像素單元電路

AM-OLED驅動(dòng)實(shí)現方案包括模擬和數字兩種。在數字驅動(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，或者兩者的結合。目前，模擬像素電路仍占主流，但在灰度級實(shí)現上，模擬技術(shù)與時(shí)間比率灰度和面積比率灰度理論相結合將會(huì )是將來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢。在模擬方案中，根據輸入數據信號的類(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結構

電壓控制型單元像素電路以數據電壓作為視頻信號。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驅動(dòng)電路

其工作原理如下：當掃描線(xiàn)被選中時(shí)，開(kāi)關(guān)管T1開(kāi)啟，數據電壓通過(guò)T1管對存儲電容CS充電，CS的電壓控制驅動(dòng)管T2的漏極電流;當掃描線(xiàn)未被選中時(shí)，T1截止，儲存在CS上的電荷繼續維持T2的柵極電壓，T2保持導通狀態(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)為恒流源結構與源極跟隨結構，前者OLED處于驅動(dòng)管T2的漏端，克服了OLED開(kāi)啟電壓的變化對T2管電流的影響;后者在工藝上更容易實(shí)現。兩管電路結構的不足之處在于驅動(dòng)管T2閾值電壓的不一致將導致逐個(gè)顯示屏的亮度的不均勻，OLED的電流和數據電壓呈非線(xiàn)性關(guān)系，不利于灰度的調節。

2.1.2 三管TFT結構

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(xiàn)左邊可視為外部驅動(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和運算放大器構成第二代電流傳輸器，由于運算放大器的放大倍數可以取得很大，T1管的閾值電壓對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，所有同行像素可共用一個(gè)運算放大器。

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

2.1.3 四管TFT結構

Dawson等人首次提出了四管TFT結構的單元像素電路，該電路通過(guò)自動(dòng)置零將數據信號與驅動(dòng)管進(jìn)行比較，以消除TFT柵壓的偏移，并在數據信號之前施加優(yōu)先置零信號(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：當溝道長(cháng)度變短時(shí)，又將出現發(fā)光不均勻現象。

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

電壓控制型驅動(dòng)電路除了能有效補償閾值電壓變化外，其優(yōu)勢還在于具有快速響應特性，因為電壓直接加到存儲電容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速度快的特點(diǎn)，但由于不能準確地調節顯示的灰度，難以滿(mǎn)足顯示的需求，于是人們提出電流驅動(dòng)方案。電流控制型單元像素電路是以數據電流作為視頻信號的。

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(xiàn)性，

3)響應速度在可接受的范圍內，

4)在允許的條件下盡量降低驅動(dòng)電源電壓以降低功耗。

因此，絕大多數電流控制型像素電路是通過(guò)接收輸入的電流信號并將其映射到輸出端，同時(shí)儲存到像素內的存儲電容上，以保證整幀內穩定的輸出。目前報道過(guò)的電流驅動(dòng)型電路主要有三管TFT結構、四管TFT結構、五管甚至更多管TFT結構。

2.2.1 三管TFT結構

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(xiàn)處于高電平，T2和T3開(kāi)啟，T1漏極施加低電平，OLED反向偏置，輸入數據電流流經(jīng)T2,T1,T1的柵源電壓存儲于Cs中。保持階段，掃描線(xiàn)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。