基于亚阈值技术的AM-OLED驱动电路研究

张慧熙，孙亚萍，王玉槐

(杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310012)

基于亚阈值技术的AM-OLED驱动电路研究

张慧熙，孙亚萍，王玉槐

(杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310012)

有机电致发光二极管(OLED)作为新一代显示技术，将来极有可能取代LCD.OLED的驱动电路也成为研究热点.在已有有源阵列OLED(AM-OLED)驱动技术的基础上，提出一种结构较为简单的基于亚阈值技术的栅压控制OLED有源驱动电路，经过HSPICE仿真，该电路较好解决了工作于饱和区的有源驱动电路所引起的发光亮度非线性问题.

AMOLED；有源驱动；亚阈值

0 引 言

有机电致发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)由于具备自发光特性，所以不需要背光源，而液晶显示器(liquid crystal display,LCD)通常是需要背光源的.OLED的可视度和亮度均较高，同时工作电压较低、功耗较小.而且与LCD相比，OLED还具有响应快、重量轻、厚度薄、构造简单、成本低的特性.综上所述，OLED被业界认为是新兴的下一代平面显示应用技术[1].

与LCD显示屏不同，OLED显示屏的亮度取决于其像素驱动电流的大小，即OLED是电流驱动型器件.OLED像素驱动方式有2种，一种是无源驱动(PM-OLED)，一种是有源驱动(AM-OLED).无源驱动是由电流源直接驱动[2].有源驱动技术分为2种，一种是栅压控制的有源驱动，另一种是电流镜驱动方法.与PM-OLED相比，AM-OLED具有发光亮度高、寿命长、显示容量大等特点[3].

1 AM-OLED电路驱动方法

1.1 电流镜驱动方法

该方法直接把电压数据信号经过伏安变换电路转换成电流信号Idata，通过电流镜把电流信号拷贝到OLED上，从而克服了薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD)的分散性，实现了灰度显示，如图1所示[3].

图1 电流镜像像素电路Fig.1 Pixel circuit based on current mirror

图2 两管栅压控制有源驱动电路Fig.2 Gate-voltage-controlled drive circuit for AM-OLED with two PMOS transistors

图1中晶体管为NMOS管，当扫描线上的电压Vselect处于高电平时，晶体管T1、T2导通，像素电流Idata先通过T1管对像素电容Cs充电，随着Cs两端电压升高，T3中有电流通过.当电容Cs两端电压达到稳定值时，全部电流通过T2管流到T3管，而T1管无电流通过.整个充电过程与T3和T4管的阈值电压无关.同时，由于T3管和T4管的栅极相连，电压相等，数据电流IDATA被镜像为流经OLED的驱动电流IOLED.

上述电路中，当显示灰度很小时，像素电流Idata也相应地很小(几十nA)，用它对像素存储电容充电就会很慢，使得延迟问题突出，这样在满足视频带宽的条件下，想保持很高的像素刷新率非常困难.

1.2 栅压控制有源驱动

栅压控制的有源驱动就是在像素驱动电路中增加了寻址TFT(薄膜晶体管)和驱动TFT.图2所示的电路是最简单的两管驱动电路，通过调制驱动管的栅极电压来控制流过OLED的电流，从而达到调节像素发光亮度的目的[4].

图2中两个晶体管为PMOS管，T1为寻址TFT，T2为驱动TFT.写信号时，扫描线电压Vselect为低电平，T1导通，数据信号存到电容C1；显示时，扫描线处于高电平，T2受存储电容C1上的电压控制，使OLED发光.T1管在显示时是截止的，而T2是持续导通的，因此可以不用考虑T1栅压的偏移，而考虑T2栅压的偏移.该电路结构简单，但实现精确的灰度显示有很大困难，因为栅极电压和电流成非线性关系.限于实际工艺水平，每个像素驱动TFT的阈值电压并不完全一致，这一点将导致整个显示屏的亮度不一致.为了消除TFT栅压的偏移，可以通过增加阈值补偿电路的方法来解决[4].驱动电路中的MOS管栅极电压与导通电流成非线性关系，这会产生显示屏发光亮度不均匀的问题，可以采用数字灰度驱动方案来解决，但需要编写控制程序，处理速度较慢.而该文提出的基于亚阈值的栅压控制有源驱动可以解决显示屏发光亮度不均匀的问题.

2 基于亚阈值的栅压控制有源驱动

2.1 MOS-FET亚阈值特性

当MOS场效应管(MOS-FET)的栅极电压Vgs处在阈值电压Vth以下时,没有形成导电沟道，即当Vgs≤Vth时，MOS管表现为弱反型状态.在这种状态下仍有一股较小的电流通过器件，该电流即称为亚阈值电流.

图3 MOS管的漏电流和栅极电压的传输特性图Fig.3 Transmission characteristic of MOS’s leakage current and gate voltage

亚阈电流虽然较小，但是它却能够很好地受到栅极电压的控制，所以亚阈值状态下的MOS管在低电压、低功耗应用时很有利用价值.MOS管在其Vgs逼近Vth时，Vds-Vgs的特性会从平方关系变为指数关系[5]，如式(1).

(1)

其中μeff、W/Leff、Cox、VT和m分别代表载流子迁移率、MOS管宽长比、MOS管表面扩散电容、热电势和亚阈值电流参数.

在MOS管的亚阈值区，漏电流和栅压的传输特性如图3所示[5].由MOS管漏电流和栅压的传输特性图可以看出，当MOS管工作在亚阈值区时，其漏电流和栅压具有近似线性关系.而OLED像素的驱动电流为几十pA到几百nA[6]，不难设计并制造出亚阈值电流在这个范围的MOS管.因此，工作于亚阈值区的MOS管可以为OLED提供驱动电流.

2.2 基于亚阈值的栅压控制有源驱动电路设计

文[7]提出亚阈值压控电流源，如图4所示,该电流源用于OLED像素的驱动电路.该电路的扫描控制电路复杂，时序要求严格，不利于高速或高分辨率OLED显示屏的驱动.在此基础上，该文设计了电路更为简单、时序要求较低的OLED驱动电路，如图5虚线框内所示.这是基于亚阈值栅压控制的有源驱动电路，它构成了OLED单个像素的驱动模块.

图4 亚阈值压控电流源Fig.4 Subthreshold-voltage-scaling current source

图5 基于亚阈值的栅压控制OLED有源驱动电路Fig.5 Gate-voltage-controlled drive circuit for AM-OLED based on sub-threshold

当扫描选通线Vselect为高电平时，P1、P5截止，P4导通，VB的电平上升为VH，使得VA电平跃升VH-VL，确保P2工作于亚阈值区，而P3导通，因此P2产生的亚阈值电流通过P3驱动OLED，使得该像素被点亮.因为要求PMOS工作于亚阈值区，所以Vdata不能太小也不能太大.由于采用的是PMOS构成的电路，所以当Vdata越大，P2的亚阈值电流越小.

Vdata的取值范围为|Vth|

理论上显示灰度级可以很高，但显示屏所能达到的灰度级由所设计的单元驱动电路的输出Cdrive电流值的动态范围决定，这又受限于驱动PMOS管的设计参数和生产工艺.

2.3 电路仿真结果

采用如图6(a)所示的扫描线信号和图6(b)所示的数据线信号对设计的亚阈值栅压控制的OLED有源驱动电路进行HSPICE模拟,模拟时采用了150 nm工艺参数，宽长比为6∶1，VDD为2.5 V，P2管的阈值电压为-1.2 V，VH为0.6 V，VL为0.1 V，电容C为1 pf.图6(c)为流过OLED的电流.模拟结果表明，在亚阈值区，驱动电路输出的电流基本成线性关系，当数据信号在1.1 ～1.5 V之间时，输出的电流在几十nA到几nA之间，满足OLED像素的驱动电流需要.

图6 基于亚阈值的栅压控制有源驱动电路的HSPICE模拟Fig.6 Simulation in HSPICE of gate-voltage-controlled drive circuit for AM-OLED based on sub-threshold

3 结 论

由于工作在饱和区MOS管构成的驱动电路中，MOS管的栅极电压与电流成非线性关系，所以产生了显示屏发光亮度不均匀的问题.文章提出基于亚阈值的栅压控制OLED有源驱动电路，结构简单，时序要求低，经过HSPICE仿真验证，数据信号与OLED的驱动电流具有较好的线性关系，解决了因MOS管的栅压与电流的非线性而造成显示屏发光亮度不均匀的问题.

[1] 才华,司玉娟,郎六琪.彩色有源OLED显示屏上像素仿真及外围驱动电路设计[J].发光学报，2006，27(4):618-623.

[2] 桂太龙，梁栋，张秀芳,等.OLED无源驱动电路设计与仿真[J].哈尔滨理工大学学报,2009,14(3):122-125.

[3] 曹伟，林祖伦，何世东.AMOLED电流镜像像素电路的稳定性分析[J].现代显示,2009(4):44-47.

[4] 刘辉.OLED驱动控制电路的研究[D].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2004.

[5] Hrishikesh K.Subthreshold circuits: design, implementation and application[D].New York: Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering, Kate Gleason College of Engineering Rochester Institute of Technology Rochester,2009.

[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

杭州师范大学钱江学院科研基金项目(2010QJJL10).

张慧熙(1980—)，女，浙江温岭人，讲师，硕士，主要从事集成电路设计、数字系统开发、数据采集和信号处理研究.E-mail：zhhuixi@126.com

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

TN312.8

A

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