一种新型的OLED像素补偿驱动电路

严利民，龙云腾，郭丽媛

（上海大学 微电子研究与开发中心，上海 200072）

1 引 言

近年来，人们对平板显示装置的需求越来越大，例如LCD、PDP、OLED等显示器已得到广泛的应用。与其它显示器相比，OLED显示装置因为具有自发光、全彩色显示、宽视角、高亮度、高对比度、低功耗等优势而有着广阔的市场［1－2］。

OLED显示装置的亮度是由流过OLED自身的电流决定的，因此，在OLED发光的过程中，为了要保证OLED发光的均匀性，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，这需要将电流的不均匀性控制在一定范围内。由于大部分的IC电路传输的是电压信号，而不是电流信号，所以OLED像素电路需要将电压信号转变为电流信号来驱动OLED发光［3］。

本文介绍了一种新型的5T1C结构的像素补偿驱动电路，该电路能够有效地改善显示器亮度不均等缺点。

2 通用的像素驱动电路

AMOLED的通用型的像素驱动电路结构如图1所示［4－5］，该电路是2T1C 结构，其中，T1为选址TFT，T2为驱动TFT，Cs为存储电容。

该电路的工作原理为：当扫描信号scan为高电平时，T1导通，Vdata传递到驱动管T2的栅极上，存储在电容Cs中，当扫描信号scan为低电平时，T1截止，由于存储电容Cs的存在，Vdata将保持在T2的栅极，可以维持一个周期内OLED电流的稳定。

图1 通用的像素驱动电路Fig.1 Common pixel driving circuit

这种电路结构可以实现将电压信号转变为电流信号而驱动OLED发光的目的。然而，这种电路较简单，会对驱动TFT的阈值电压、沟道迁移率、电源线上的IR压降等因素很敏感［6］，从而引起发光不均匀，严重影响显示效果。而这些问题可以通过对每一个像素增加补偿电路的方法来解决［7］，补偿电路的作用是对每一个像素中的驱动TFT的参数（包括阈值电压、沟道迁移率）进行补偿，使得输出的电流不会因这些参数的恶化以及电源线上的IR压降而改变。目前，对OLED像素补偿驱动电路的研究已成为一大研究热点。

3 改进的像素驱动电路

在模拟驱动电路中，根据驱动方式的不同，OLED像素补偿电路可分为电压补偿电路和电流补偿电路。电压补偿电路只能补偿驱动TFT的阈值电压和电源线上的IR压降引起的亮度不均匀，对于沟道迁移率引起的不均匀现象则无能为力。而电流补偿电路能够补偿各驱动TFT的阈值电压和沟道迁移率引起的亮度不均匀，还有电源线上的IR压降引起的亮度不均匀［8］。

已有的补偿电路有3T1C、3T2C、4T1C、4T2C等各种类型的电路。传统的3T类型的电路大多都有充电电流小而导致充电时间长或者对于电源线上的IR压降没有很好的补偿效果的缺点。目前，使用较多的补偿电路主要是4T结构的电路。

3.1 4T1C型像素补偿电路

本文以韩国三星公司的一种电流型像素补偿电路为例［9］，介绍市场上应用较多的4T1C型的电流补偿驱动电路。其电路结构和时序图分别如图2、图3所示。

图2 4T1C像素补偿电路Fig.2 Pixel compensation driving circuit of 4T1C

图3 4T1C像素补偿电路工作时序图Fig.3 Timing chart of 4T1Cpixel compensation circuit

其工作可分为2个时期：在s1时期，scan为低电平，EM为高电平，此时，T1和T2导通，T3截止，该阶段为数据写入阶段。数据信号Idata经过T1对存储电容Cs充电。当存储电容Cs被充电至驱动管Td的阈值电压Vth时，驱动管Td开始导通，驱动管Td的阈值电压被存储在电容Cs中，此时，进入了s2时期，scan为高电平，EM为低电平，T1和T2处于截止状态，T3处于导通阶段，Idata停止为存储电容Cs充电，该阶段为显示阶段。由于存储电容Cs存储了驱动管Td的阈值电压Vth，使得电流Ids只受存储电容上存储的电压的控制，而不会受驱动管Td的阈值电压漂移的影响，从而使输出电流Ids保持稳定。输出电流Ids的计算公式如下：

其中：μ为载流子迁移率，Cox为栅氧化层电容，W／L为驱动管Td的沟道宽长比。由式（1）可以看出，输出电流Ids只受到器件本身的尺寸、迁移率、栅氧化层电容等自身因素以及电源电压的影响，与驱动管的阈值电压无关，因此，达到了补偿阈值电压的目的，保证了OLED发光的均匀性。

图2所示的电路可以解决因为驱动管的阈值电压漂移而造成的OLED发光不均匀的现象，可以实现像素补偿的目的。但是，在低亮度显示的过程中，由于输入电流比较小，会造成充电时间很长，显示信号会有很长时间的延时，这会严重影响显示的效果［10］。而且，由于最后的输出电流Ids的大小受到了电源电压Vdd的影响，因此会影响OLED发光的稳定性和寿命［11］。

3.2 改进的5T1C型像素补偿电路

本文在分析、研究了大量像素补偿电路的基础上，介绍了一种新的5T1C的像素补偿电路，能够有效地避免因阈值电压漂移和电源电压变化而引起的亮度不均匀的现象，其像素补偿电路及其时序图如图4、图5所示。

图4 5T1C像素补偿电路Fig.4 Pixel compensation driving circuit of 5T1C

图5 5T1C像素补偿电路工作时序图Fig.5 Timing chart of 5T1Cpixel compensation circuit

由图5可知，5T1C像素补偿电路工作分为3个时期，在s1时期，scan为高电平，EM为低电平，此阶段为初始化阶段。此时，T1、T2和T3导通，T4处于截止状态，A点电压，即驱动管Td的栅极电压为Vdata，C点直接与电源端相连，电压为Vdd，B点直接与地相连，电压为0V，即电容Cs间存储的电压为Vdd。

在s2时期，scan和EM均为高电平，此阶段为阈值电压补偿阶段。此时，T2和T3导通，T1和T4截止，驱动管Td的栅极电压仍为传输到A点的数据电压，即Vdata，C点开始放电，电压下降为Vdata＋，变化量为由于电容Cs的作用，B点电压由0V变为Vdd－此时，驱动管Td的栅源电压Vgs＝

其中：μ为载流子迁移率，Cox为栅氧化层电容，W／L为驱动管Td的沟道宽长比。由式（3）可以看出，输出电流Ids只受到器件本身的尺寸、迁移率、栅氧化层电容等自身因素的影响，与驱动管的阈值电压及电源电压的变化无关，因此，达到了补偿阈值电压漂移和电源电压不稳定的目的。而且，在该电路中，由于是由电源电压为电容充电，可以极大地缩短充电时间。

4 仿真结果

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0.35 μm 18V2P4M工艺对该电路进行了仿真。其中，OLED模型根据实验数据利用Verilog－A编写［12］，得到的输出电流仿真波形图和温度对输出电流影响的仿真图分别如图6、图7所示。

图6 输出电流仿真结果Fig.6 Simulation results of output currents

在图6中，从上向下4个波形分别对应着输出电流Ids、扫描信号scan、控制信号EM和数据信号Vdata。由仿真结果可知，在显示阶段，输出电流Ids稳定在2μA，可以驱动OLED稳定发光。

在图7中，从上到下4个波形分别对应着驱动管漏端电压、栅端电压、源端电压和输出电流。由仿真结果可知，在从－50～150℃，输出电流的变化范围是2.127μA～2.094μA，变化率为1.5%，基本可以保证输出电流不受温度变化的影响。

图7 不同温度下的输出电流Fig.7 Output currents at different temperatures

5 结 论

随着AMOLED的应用越来越广泛，对像素驱动电路的研究也成为了热点，但仅有电压电流转换功能的电路会对驱动TFT的阈值电压、沟道迁移率、电源线上的IR压降等因素很敏感，从而引起发光不均匀，严重影响显示效果。本文介绍了一种新的5T1C结构的像素驱动电路，根据仿真结果，输出电流Ids为2μA，通过补偿阈值电压漂移及电源电压的变化，基本可以改善OLED显示器亮度不稳定和不均匀的缺点。

［1］黄锡珉.有源矩阵 OLED［J］.液晶与显示，2003，18（3）：157－160.Huang X M.Active Matrix－OLED ［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Display，2003，18（3）：157－160.（in Chinese）

［2］周雷，张立荣，宋小锋，等.新型有源矩阵有机发光显示电流编程像素电路［J］.发光学报，2013，28（3）：386－391.Zhou L，Zhang L R，Song X F，et al.New current－programmed active－matrix organic light－emitting diode pixel circuit［J］.Chinese Journal of Luminescence，2013，28（3）：386－391.（in Chinese）

［3］应根裕.AM－OLED的像素电路集锦（一）［J］.现代显示，2011，22（5）：11－21.Ying G Y.A collection of the pixel circuit used in AM－OLED display（Ⅰ）［J］.Advanced Display，2011，22（5）：11－21.（in Chinese）

［4］司玉娟，李春星，刘式墉，等.有源 OLED两管 TFT像素驱动电路的仿真研究［J］.发光学报，2002，23（5）：518－522.Si Y J，Li C X，Liu S Y.Two－TFT pixel electrode circuit simulation research for active matrix OLED ［J］.Chinese Journal of Luminescence，2002，23（5）：518－522.（in Chinese）

［5］程加力，司玉娟，李春星，等.用液晶驱动芯片驱动有机发光显示屏的设计［J］.发光学报，2004，25（5）：597－600.Cheng L J，Si Y J，Li C X，et al.Design of driving OLED by liquid crystal driving chip［J］.Chinese Journal of Luminescence，2004，25（5）：597－600.（in Chinese）

［6］Lee J H，Kim J H，Han M K.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 Lett.，2005，26（12）：897－899.

［7］Wu W J，Zhou L，Yao R H，et al.A new Voltage－Programmed pixel circuit for enhancing the uniformity of AMOLED displays［J］.IEEE Electron Device Lett.，2011，332（7）：931－933.

［8］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.Zhou Z M，Ji A H.Design and Application of OLED Driving Power ［M］.Beijing：Post ＆ Telecommunication Press，2010.（in Chinese）

［9］SAMSUNG MOBILE DISPLAY CO.，LTD.［YONGIN，KR］.organic light emitting display device：US，US7825881B2［P］.2010.

［10］Servati P，Nathan A.Functional pixel circuits for elastic AMOLED displays［J］.Proceedings of the IEEE，2005，93（7）：1257－1264.

［11］Sang Hoon Jung，Hong Koo Lee，Chang Yeon Kim.15in AMOLED display with SPC TFT and a symmetric driving method［C］.SID，2008：101－104.

［12］任春明.基于 OLED－on－Silicon微显示的像素矩阵的研究与设计［D］.上海：上海大学，2011：12－17.Ren C M.The research and design of pixel matrix based On OLED－on－Silicon micro－display ［D］.Shanghai：Shanghai University，2011：12－17.（in Chinese）