OLED像素驱动电路的实验研究

魏 芬，刘银春

(1.福建农林大学金山学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002)

引言

OLED(Organic Light Emitting Diode)又称为有机电致发光显示器(Organic Electroluminescence Display)，它是用有机半导体发光材料在电驱动下产生的发光来实现显示和照明的技术，被美国政府列为21世纪最具产业化前景的25项高科技之一[1]。与液晶显示器(LCD)相比，它具有全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超薄、低成本、低功耗、快速响应、宽视角、工作温度范围宽、易做柔性显示等诸多优点，被认为是最具发展前景的新型显示技术之一[2-3]。随着OLED光效的提高，以及白光OLED工艺的发展，OLED出现了应用于照明的趋势。与传统的LED点光源相比，它具有发光均匀、色彩鲜艳、发光材料丰富、无散热问题等特点，有望成为未来照明的新主流[4，5]。OLED是一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而发光的现象，发光强度与注入的电流成正比[6]。因此无论OLED是用于平板显示还是照明，驱动发光中都会出现一些类似的特点，如电流大小不一致造成的温度不均匀、亮度不均匀和颜色不均匀等问题[7]。

本文针对OLED在平板显示中驱动亮度的不均匀性问题，对传统两管驱动的源极跟随型和恒定电流型电路及其改进的四管电流编程型驱动电路进行实验研究，希望在提高OLED显示质量的同时，也为OLED照明技术的开发提供参考。

1 传统两管驱动电路的设计

1.1 传统两管驱动电路的工作原理

有源驱动显示技术已经成为当前平板显示技术的主流，OLED有源驱动技术与LCD有源驱动相似，不同的是LCD为电压型器件，OLED为电流型器件。这就要求OLED像素驱动电路中至少要有两个MOS管：一个作为开关管，另一个作为驱动管，OLED可放在驱动管的源极和漏极，分别称为源极跟随型和恒定电流型，这就是最简单的传统两管驱动方案，如图1所示。其中M1是开关管，M2是驱动管，这里的MOS管与TFT管的工作原理相似，但是MOS的制作工艺较TFT简单，物理特性也更稳定；CS是存储电容，保证像素在整个帧周期内一直处于点亮状态；Vscan是行扫描线上的扫描电压，Vdata是列数据线上的数据电压。其工作原理是：当Vscan是高电平时，M1管导通，此时数据电压Vdata通过M1管给存储电容CS充电，当CS两端电压大于M2管阈值电压时，M2管导通，OLED 发光；当Vscan是低电平时，M1管关断，这时存储电容CS上的电压维持M2管的栅极电压恒定，驱动M2管输出恒定的电流，从而使OLED像素在整个帧周期内一直发光。

图1 传统两管驱动电路Fig.1 Traditional two-MOS driving circuits(a) Source follower configuration；(b) Constant current configuration

根据MOS的I-V特性，当M2管工作在饱和区时，其工作电流，即流过OLED的电流IOLED由栅源电压VGS2决定。对于源极跟随型电路，M2管的栅源电压VGS2约为Vdata-VOLED，其中VOLED为OLED导通时本身存在的压降，而恒定电流型栅源电压VGS2约为Vdata。

1.2 传统两管驱动电路的实验设计

为了精确地研究源极跟随型和恒定电流型两种电路的区别，在设计的实验电路中需排除元件的参数差异所引起的误差，换句话说要设计出一个集两种电路为一体，共用元件的电路，如图2所示。设计的电路中增加了三个单刀双掷开关S1、S2和S3，其他的元件都是共用，当三个开关都闭合于1时为源极跟随型电路，当三个开关都闭合于3时为恒定电流型电路。

图2 传统两管驱动的实验电路原理图Fig.2 SCH of traditional two-MOS driving circuit

图3 源极跟随型(S型)和恒定电流型(D型)的工作电流曲线图Fig.3 IOLED of source follower configuration (S configuration) and constant current configuration (D configuration)

1.3 测试结果

图3是两种传统两管驱动电路的实验测试结果，从图中可以看出：在实现流经OLED像素的电流IOLED相同的情况下，源极跟随型所需的数据电压Vdata远大于恒定电流型。比如，要使IOLED都为0.47mA，源极跟随型所需Vdata是4.9V，而恒定电流型是3.3V，具体见表1和表2。这差值就是VOLED，因此从功耗角度看，恒定电流型电路更节能。不过源极跟随型电路更主要的问题是VOLED存在分散性，而且在长时间工作下会发生漂移，这都会引起VGS2的轻微变化，使M2管的工作电流产生漂移从而引起整个屏幕显示亮度的不均匀和灰度的不准确[8]，恒定电流型电路则不会有类似的问题。

表1 源极跟随型电路的工作电流数据Table 1 IOLED of source follower driver

表2 恒定电流型电路的工作电流数据Table 2 IOLED of constant current driver

综上所述，恒定电流型电路优于源极跟随型电路，因此在后续的改进电路中采取恒定电流型接法，即OLED放在驱动管的漏极。

2 四管电流编程型驱动电路的实验设计

2.1 四管电流编程型驱动电路的工作原理

恒定电流型电路虽然能够解决OLED本身的阈值分散性和阈值漂移所引起的亮度不均匀问题，但无法克服驱动管M2阈值电压漂移所造成的显示屏亮度不一致的缺点，并且其阈值电压依赖于温度的变化[9-10]，另外，从图3中我们也可以看到，IOLED与Vdata不成线性关系，而且是很陡的I-V特性：Vdata很小的变化将引起IOLED很大的变化，这样不利于灰度的准确调节，这些因素都将影响显示效果[11]。因此，一些研究人员提出了多种补偿方案[12-14], 目前获得广泛应用的是以电流镜为基础的电流编程型像素驱动电路[15]，每个像素配有4个MOS管，如图4所示。Vscan是行扫描线上的扫描电压，Idata是列数据线上的电流数据；M1、M2是P型MOS管，作为开关管；M3、M4是参数相同的N型MOS管，构成电流镜的基础，完成电流跟随的功能；存储电容CS接在驱动管M3、M4栅极和地之间，保证OLED 像素在整个帧周期内一直发光，OLED放在驱动管M4的漏极。其电路的工作原理：Vscan是低电平时，此像素被选中，M1、M2导通，Idata通过M1、M2管对电容CS充电。当电容CS两端电压大于M3阈值电压时，Idata都通过M3，由于M3、M4管的栅极电压相等，M3的电流数据Idata被镜像到M4的工作电流，即IOLED等于Idata。当此像素未被选中时，由电容CS两端所存储的电压维持M4管的栅极电压，驱动其输出恒定的电流来驱动OLED。

图4 四管电流编程型驱动电路的原理图Fig.4 SCH of four-MOS current-programmed driving circuit

相对于传统两管电路，四管电流编程型电路有两大特点：一是用电流数据信号Idata替换电压数据信号Vdata；二是电流镜的设计。其主要思想是：让Idata为驱动管M3、M4的栅极充电使两管导通而发挥电流镜的作用，同时也让电流Idata全部流进M3漏极，由于镜像作用，驱动管M4的工作电流IOLED都等于Idata，实现跟随功能。因为OLED是电流驱动型器件，驱动电流相同，则发光亮度也相同，从而不仅克服了驱动管阈值电压不均匀和阈值电压漂移而引起的显示器亮度不均匀的问题，而且因为直接输入的是电流数据信号，容易实现显示灰度的准确调节。

图5 四管电流编程型驱动电路的工作电流曲线图Fig.5 IOLED of four-MOS current-programmed driving circuit

2.2 测试结果

图5是四管电流编程型驱动电路的传输特性，从图中可以看出：在选通期间，IOLED与电路中驱动管和OLED的参数无关，仅与输入Idata相关，表现出很好的跟随能力，实验测试数据见表3。由此表明：该四管电流编程型驱动电路基本上比较圆满地解决了各像素的阈值问题[16]。

表3 四管电流编程型驱动电路的工作电流数据Table 3 IOLED of four-MOS current-programmed driving circuit

3 结果讨论与分析

针对OLED有源驱动中显示亮度的不均匀性问题，进行电路设计和测试分析，并设计制作了具体的实验装置。测试结果发现：恒定电流型电路更稳定更节能；四管电流编程型驱动电路能够较好地补偿因驱动管阈值漂移和OLED阈值分散性和阈值漂移导致的发光亮度非均匀性，并且能容易地实现显示灰度的准确调节，这将为OLED照明系统中灯光的准确调节提供了技术参考，特别是在植物特征光谱试验仪的光源设计中得到具体的应用，以满足实验对光强连续性调节的需要。这种四管电流编程型驱动电路的缺陷在于对驱动管的工艺要求很高，必须要M3和M4管的各项参数一致，这在实际生产中有一定的难度；同时在低亮度显示时，充电时间长，会出现信号滞后问题，这将在下一步的工作中继续进行研究。

[1] 陈大华, 陈枕流, 居家奇, 等. 从LS 13会议探讨我国照明产业发展趋势[J]. 中国照明电器, 2013, 5:10-14.

[2] 王少伟, 朱艳华, 陈敏泽, 等. OLED显示控制与驱动技术专利申请状况分析[J]. 统计分析, 2013, 7:53-56.

[3] 刘银春. 平板显示技术基础[M]. 杭州:浙江大学出版社, 2013:271.

[4] 张敏. 照明用OLED技术进展[J]. 光电子技术. 2013, 33(1):64-67.

[5] 刘 刚, 方旭东, 卞成芬, 等. 基于专利视角的我国OLED照明技术发展态势分析[J]. 照明工程学报, 2013, 24(4):8-13.

[6] 刘艳艳, 耿卫东, 代永平, 等. 硅基OLED像素及驱动电路研究[J]. 光电子技术, 2009, 29(3):201-205.

[7] 施宇飞, 杨洁翔, 朱文清, 等. OLED照明模组的光电衰减特性研究[J]. 照明工程学报， 2012, 23(6):107-110.

[8] J H Lee, J H Kim, M K Han. A new a-Si:H TFT pixel circuit compensating the threshold voltage shift of a-Si:H TFT and OLED for active matrix OLED[J]. IEEE Electron Device Letters, 2005, 26(12):897-899.

[9] G R Chaji, C Ng, A Nathan, et a1. Electrical compensation of OLED luminance degradation[J].IEEE Electron Device Letters, 2007, 28(2):1108-1110.

[10] C L Lin，Y C Chen.A novel LTPS-TFT pixel circuit compensating for TFT threshold-voltage shift and OLED degradation for AMOLED[J].IEEE Electron Device Letters, 2007, 28(2):129-131.

[11] 张彤, 郭小军, 赵毅, 等. a-Si TFT OLED 有源驱动阵列参数的优化与布图设计[J]. 液晶与显示, 2003, 18(5):332-337.

[12] W J Wu, L Zhou, R H Yao, et al. A new voltage-programmed pixel circuit for enhancing the uniformity of AMOLED displays[J]. IEEE Electron Device Letters, 2011, 32(7):931-933.

[13] A Nathan, A Kumar, K Sakariya, et al. Amorphous silicon thin film transistor circuit integration for organic LED displays on glass and plastic[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2004, 39(9):1477-1486.

[14] Y He, R Hattori, J Kanicki. Improved a-Si:H TFT pixel electrode circuits for active-matrix organic light emitting displays[J]. IEEE Transactions on Electron Device, 2001, 48(7):1322-1325.

[15] 朱儒晖, 李宏建, 闫玲玲. TFT-OLED像素单元电路及驱动系统分析[J]. 中国集成电路，2005,11:70-76.

[16] 周雷, 张立荣, 宋小峰, 等. 新型有源矩阵有机发光显示电流编程像素电路[J]. 液晶与显示, 2013, 28(3):386-391.