一种新型的电压型AMOLED像素补偿电路

严利民，郭丽媛，龙云腾

(上海大学微电子研究与开发中心，上海200072)

一种新型的电压型AMOLED像素补偿电路

严利民，郭丽媛，龙云腾

(上海大学微电子研究与开发中心，上海200072)

针对常用3T1C结构的AMOLED像素补偿电路容易受到阈值电压漂移影响的问题，介绍了一种新型电压型4T2C结构的AMOLED像素补偿电路，阐明了该电路的工作原理，并对OLED的驱动电流作了定性分析。结果显示该驱动电流值只与驱动电压及电源电压有关，从而有效地解决了因阈值电压变化而造成的显示器亮度不均匀的问题。该电路已通过Spectre仿真软件验证了其有效性。

有机发光二极管;有源矩阵;像素补偿

有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)作为一种新型显示技术，具有自发光、全彩色显示、高亮度、高对比度、低功耗等优点，已逐渐成为显示界的新宠。而有源矩阵有机发光二极管(Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED)相比较于无源矩阵驱动显示器(Passive Matrix Organic Light Emitting Diode，PMOLED)，更易实现高分辨率和大尺寸面板显示，在近几年更是倍受关注［1］。与液晶显示不同，OLED的亮度与通过每个像素的驱动电流有直接关系，因此其像素驱动电路必须在整帧周期内为其提供持续稳定的驱动电流［2］。

理想的AMOLED显示像素驱动电路大多采用2T1C结构，即1个开关TFT、1个驱动TFT、1个存储电容。这种设计简单、开口率高的像素电路在一开始得到了广泛的好评和应用，然而随着AMOLED屏幕使用时间的增长或制作工艺的不同，其缺点也相继出现。研究表明，这种像素电路对TFT的阈值电压Vth和沟道迁移率μ、OLED的启动电压和量子效率以及供电电压的瞬变过程等因素都很敏感［3］。为避免因上述因素而导致的亮度不均，各种像素补偿技术相继出现。

本文介绍了一种新型的4T2C结构电压型像素补偿电路，能够有效地改善显示器亮度不均，该电路已通过仿真验证了其可行性。

1 理想的像素驱动电路

理想的AMOLED显示器的像素驱动电路大多采用2T1C结构，如图1所示，其中T1为开关TFT，T2为驱动TFT，Cs为存储电容。

图1 理想的像素驱动电路

其工作原理是:当扫描线Vscan为高电平时，开关TFT T1导通，外部电路送入电压信号VDATA经由T1存储在电容Cs中，此电压信号控制驱动TFT T2导通，流过T2的电流大小，也就决定了OLED的灰阶;当扫描线截止时，存储于Cs中的电压仍能保持T2处于导通的状态，因此能在一个画面时间内维持OLED的固定电流。

根据图1所示电路可以得出，流过OLED的饱和电流I的计算公式［3］为

式中:μ为载流子迁移率;COX为栅氧化层电容;W/L为驱动管T2的沟道宽长比;Vgs为T2的栅源电压;Vth为T2的阈值电压。

从式(1)可以看出，这种像素电路对TFT的阈值电压Vth非常敏感，而这项因素很容易因为显示屏老化或制作工艺不同而发生漂移［4］。因此，为避免因上述因素而导致的亮度不均，像素补偿技术便显得尤为重要。

2 改进的像素驱动电路

具有补偿功能的像素驱动电路又被称为像素补偿电路。像素补偿电路根据其驱动方式的不同，可分为电流补偿电路和电压补偿电路。电流补偿是指像素电路以电流作为输入信号的驱动方式，电压补偿是指像素电路以电压作为输入信号的驱动方式［5］。由于电压补偿电路成本低、竞争力强，故而得到了广泛的应用。本文主要介绍一个电压补偿电路。

2.1 常用的3T1C型像素补偿电路

电压型AMOLED像素补偿电路发展至今，电路结构既有简单的二管结构(2T)，也有较为复杂的三管结构到十管结构(3T－10T)，并且依然在不断改进中。常用的像素补偿电路有3T1C、3T2C、4T1C、4T2C等类型的电路。

图2所示为一种常用的3T1C电压型像素补偿电路，该电路使用3个TFT和1个电容控制与驱动OLED，并带有像素补偿功能。其中T2、T3为开关TFT，T1为驱动TFT，Cs为存储电容。

图2 3T1C电压型像素补偿电路

式中:W/L为驱动管T1的沟道宽长比;Vgs为驱动管T1的栅源电压;Vth为驱动管T1的阈值电压;ΔV为VDATA发生的变化量。

根据式(2)可以看出，流经OLED的电流不受T1阈值电压Vth的影响，从而有效地避免因阈值电压漂移引起的亮度不均。

但是，该电路中数据线VDATA直接与存储电容Cs相连，当数据线驱动多个像素点时，容易因驱动力不足而影响器件开关速度;且数据线上产生的IR压降，会导致A点电压不稳定，引起Cs充电不足进而导致像素点之间灰度不均匀。

2.2 新型4T2C型像素补偿电路

本文在分析了大量相关电压型补偿电路的基础上，介绍了一种新型的电压型补偿电路，能够有效地避免因阈值电压漂移引起的亮度不均。

如图3所示为一种新型4T2C结构的电压型像素补偿电路及其输入波形。其中，T1，T2和T3均为开关TFT，T4为驱动TFT，C1和C2为存储电容。相较于3T1C型电路，该电路增加了VDATA与存储电容C1之间的开关晶体管T1，可以有效地避免因数据线驱动力不足而引起的开关过慢;且增加存储电容C2，可以稳定A点电压，使C1可以充分充电。该像素补偿电路的工作过程可划分为4个阶段。

图3 新型4T2C电压型像素补偿电路及其时序图

S1为初始化阶段，此时Vscan，EN和GN信号均为低电平，T1，T2和T3均导通;数据电压信号VDATA为高电平，数值等于VDD。VDATA通过T1传输至A点，将数据存储在电容C1和C2中，并对OLED的寄生电容进行清除。

式中:W/L为驱动管T4的沟道宽长比;Vgs为驱动管T4的栅源电压;Vth为驱动管T4的阈值电压;V0为数据信号在第3阶段的电压值。

由式(3)可以看出，流经OLED的驱动电流不再是驱动管T4的阈值电压的函数，电容上存储的电压与驱动管T4的阈值电压进行了抵消。因此，达到了补偿阈值电压漂移的目的。

3 仿真验证

为验证该电路的功能，本文使用Cadence公司的Spectre电路仿真软件，采用Chart的0.35μm 18 V 2P4M工艺对该电路进行了仿真。得到的输出电流仿真波形图如图4所示。

其中，(A)、(B)、(C)、(D)4个波形分别对应4个输入信号VDATA，Vscan，GN和EN，其横坐标为时间(单位s)，纵坐标为电压值(单位V)。波形(E)为输出电流的波形图，其横坐标为时间(单位s)，纵坐标为电流值(单位A)。

对应输入信号所划分的阶段不同，输出的电流信号也相应地被分为4个阶段，即S1(初始化阶段)，S2(补偿阶段)，S3(写数据阶段)，S4(显示阶段)。其中，S1阶段的主要作用是对OLED的寄生电容进行清除，由于此时开关晶体管T3的导通，致使OLED上有一个较小的电流通过，由仿真可知，该电流的大小为0.4μA。根据红、绿、蓝3种OLED器件的发光特性可得到它们工作时的驱动电流值，其中驱动电流最小的为绿光，其驱动电流值为Igreen=0.447μA［6］。因此，S1阶段的电流值不足以驱动OLED，而S4阶段即显示阶段的电流值为0.9μA，可驱动OLED平稳的发光。

图4 输出电流仿真结果(截图)

4 结论

随着AMOLED越来越广泛的应用，传统的像素驱动电路已无法满足产品日益增长的需求，因而像素补偿电路的研究应运而生。本文在研究了像素补偿电路原理的基础上，介绍了一种新的电压型像素补偿电路，并对OLED的电流值进行了定性分析，证明了该电流值只与驱动电压及电源电压有关，从而有效地改善了因阈值电压变化而造成的显示器亮度不均匀，最后通过Spectre仿真软件验证了其可行性。

［1］周志敏，纪爱华.OLED驱动电源设计与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

［2］王龙彦，王中健，马仙梅，等.几种电流型AMOLED像素电路及其电流缩放比的分析［J］.液晶与显示，2010，24(2):204-208.

［3］应根裕.AM-OLED的像素电路集锦(一)［J］.现代显示，2011，22 (5):11-21.

［4］李震梅，董传岱.AM-OLED像素驱动电路的研究［J］.电视技术，2004，28(12):49-54.

［5］杨佳，王英志.一种有源四管OLED像素驱动电路的研究与设计［J］.黑龙江科技信息，2010(27):17.

［6］夏志强.Poly-Si TFT有源驱动OLED像素电路的参数设计与仿真［D］.长春:吉林大学，2007.

Novel Voltage AMOLED Com pensation Pixel Circuit

YAN Limin，GUO Liyuan，LONG Yunteng
(Microelectronic Research＆Development Center，Shanghai University，Shanghai200072，China)

The common AMOLED compensation pixel circuit based on 3T1C structure is easily influenced by the unsteady threshold voltage.In this paper，according to the problem，a novel voltage AMOLED compensation pixel circuitwhich based on 4T2C structure is introduced，the principle of operation of the circuit is clarified，and a qualitative analysis of the OLED drive current ismade.The results show that this drive current is only related to the drive voltage and the supply voltage，which can protect the display luminance from the unsteady threshold voltage.The circuit is verified through spectre simulation software.

OLED;activematrix;pixel compensation

TN949.199

B

�� 盈

2014－01－14

【本文献信息】严利民，郭丽媛，龙云腾.一种新型的电压型AMOLED像素补偿电路［J］.电视技术，2014，38(13).

严利民(1971— )，副教授，从事平板显示驱动技术的研究;

郭丽媛(1989— )，女，硕士生，研究方向为新型平板显示技术;

龙云腾(1989— )，硕士生，研究方向为新型显示技术。