TFT-OLED像素單元及驅動電路分析

1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/167935.htm

有機電致發光器件(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、寬工作溫度範圍等優點而引起人們的極大關注，被認為是新一代顯示器件。要真正實現其大規模產業化，必須提高器件的發光效率和穩定性，設計有效的圖像顯示驅動電路。近來，隨著研究的深入，OLED的發光效率和穩定性已達到某些應用的要求，而其專用的驅動電路技術還不是很成熟。目前，所有平板顯示的驅動均採用矩陣驅動方式，由X和Y電極構成的矩陣顯示屏。根據每個像素中引入和未引入開關元器件將矩陣顯示分為有源矩陣(AM)顯示和無源矩陣(PM)顯示。

PM-OLED具有結構簡單、成本低等優點，主要用於信息量低的簡單顯示中;AM-OLED在大信息量顯示中佔優勢，一般採用非晶矽TFT(a-SiTFT)或多晶矽(poly-SiTFT)開關元器件，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，因而不需要瞬態高亮度，克服了PM-OLED的缺點且不受佔空比限制。因此，OLED要實現高品位顯示，必須採用有源矩陣驅動方式。本文從TFT-OLED有源矩陣像素單元電路出發，著重分析了電壓控制型與電流控制型像素單元電路，簡要討論了控制/驅動IC對TFT-OLED有源驅動電路的影響。

2 模擬像素單元電路

AM-OLED驅動實現方案包括模擬和數字兩種。在數字驅動方案中，每一像素與一開關相連，TFT僅作模擬開關使用，灰度級產生方法包括時間比率灰度和面積比率灰度，或者兩者的結合。目前，模擬像素電路仍佔主流，但在灰度級實現上，模擬技術與時間比率灰度和面積比率灰度理論相結合將會是將來的一個發展趨勢。在模擬方案中，根據輸入數據信號的類型不同，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驅動電路

其工作原理如下：當掃描線被選中時，開關管T1開啟，數據電壓通過T1管對存儲電容CS充電，CS的電壓控制驅動管T2的漏極電流;當掃描線未被選中時，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，故在整個幀周期中，OLED處於恆流控制。

其中(a)，(b)被分別稱為恆流源結構與源極跟隨結構，前者OLED處於驅動管T2的漏端，克服了OLED開啟電壓的變化對T2管電流的影響;後者在工藝上更容易實現。兩管電路結構的不足之處在於驅動管T2閾值電壓的不一致將導致逐個顯示屏的亮度的不均勻，OLED的電流和數據電壓呈非線性關係，不利於灰度的調節。

2.1.2 三管TFT結構

基於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動電路，右邊為單元像素電路。

圖2 基於第二代電流傳輸器原理的像素電路

在控制模式下，T2和T3開啟，T1和運算放大器構成第二代電流傳輸器，由於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，流經T1的電流：

IT1=Vin/Rin

並且T1管源極電壓應低於OLED的開啟電壓，防止OLED開啟。在保持模式下，T2和T3關斷，存儲電容Cs維持T1管的柵極電壓，電流經T1進入OLED。其中放大器由COMS電路實現，所有同行像素可共用一個運算放大器。

仿真結果表明，儘管T3管存在電荷注入與時鐘饋漏效應，使得OLED電流略小於控制電流;在OLED標稱電流為1μA,閾值電壓漂移超過5V時，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，該電路通過自動置零將數據信號與驅動管進行比較，以消除TFT柵壓的偏移，並在數據信號之前施加優先置零信號(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題，並且不依賴OLED的開啟與充電時間。這種電路的缺陷在於：當溝道長度變短時，又將出現發光不均勻現象。

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，在驅動時序上增加一個補償階段，使驅動管工作於亞閾值區，此時驅動管的柵源電壓即閾值電壓Vth儲存於存儲電容，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電路，與前者不同的是，該電路利用放電的方式使驅動管進入亞閾值區，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。

電壓控制型驅動電路除了能有效補償閾值電壓變化外，其優勢還在於具有快速響應特性，因為電壓直接加到存儲電容CS的兩端，充電電流一開始會有一個瞬間的大電流對電容充電，極大地降低了充電時間。

2.2 電流控制型像素電路

儘管電壓控制型電路具有響應速度快的特點，但由於不能準確地調節顯示的灰度，難以滿足顯示的需求，於是人們提出電流驅動方案。電流控制型單元像素電路是以數據電流作為視頻信號的。

一般說來，電流控制型像素電路需要滿足以下要求：

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性，

3)響應速度在可接受的範圍內，

4)在允許的條件下儘量降低驅動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接收輸入的電流信號並將其映射到輸出端，同時儲存到像素內的存儲電容上，以保證整幀內穩定的輸出。目前報導過的電流驅動型電路主要有三管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，它工作於控制和保持兩個階段。控制階段，掃描線處於高電平，T2和T3開啟，T1漏極施加低電平，OLED反向偏置，輸入數據電流流經T2,T1,T1的柵源電壓存儲於Cs中。保持階段，掃描線處於低電平，T2和T3關斷，同時T1漏極施加高電平，電流流經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，電流衰減11%,這可以通過減小TFT的交疊電容加以改善。