AMOLED像素驱动类型、像素电路及相关补偿电路浅析

1

OLED像素驱动主要类型

• PMOLED
  

• AMOLED：电压编程型、电流编程型

无源OLED像素驱动：

传统2T1C像素电路：

2

AMOLED遇到的问题

输入相同的数据信号，而产生不同的电流，造成亮度不均匀。

补偿电路设计（1）

工作原理：

补偿电路设计（2）

3

不同TFT技术的AMOLED像素电路

与PMOLED不同，AMOLED的每个像素都有一个由TFT和存储电容组成的驱动电路，从而具有连续发光、低功耗以及发光组件寿命长等特点，成为实现高品质OLED显示的主流。目前，可用于AMOLED的薄膜晶体管有a-Si、LTPS、IGZO等。其中，a-Si 是较早应用于AMOLED的，且相对而言比较成熟的一种薄膜晶体管，其成本低，工艺易实现，但同时也存在迁移率低，稳定性差的缺点，目前基本没采用。

• 模型

像素电路

AMOLED像素电路按照数据信号的不同，可分为电压式驱动电路和电流驱动式电路，如图1所示，其中Cs为存储电容，Ms为驱动TFT，其余薄膜晶体管为开关TFT。

像素电路实现的功能是：在采样阶段，将与OLED亮度呈一定关系的电信号充到Cs中；在保持阶段，存储在Cs中的驱动信号保证OLED在的非采样阶段信号持续发光。以下是基于这两个典型的驱动电路。

a                                                  b

两种典型像素电路：（a）电压驱动式像素电路；（b）电流驱动式像素电路

TFT器件

下图是根据实验数据和相关文献提取的三种TFT的有效载流子迁移率(μ_eff)。显然，a-Si的迁移率很低，约为1 cm²/Vs左右，LTPS的迁移率较高，在开态超过了30 cm²/Vs，而IGZO在两者之间，约为13 cm²/Vs。

提取的三种TFT的有效载流子迁移率(μeff)随栅源电压变化的关系

• 电压驱动式

在相同的信号电压为5V的条件下，仿真中的参数如表所示。

电流式驱动电路仿真参数

迁移率越大，Ms的漏极电流越大。而且，在信号电压仅为5V的情况下，即使是迁移率最低的a-Si，其输出电流也已经接近8 μA。然而，一般情况下，OLED的最大驱动电流要远远低于这个值，所以可考虑减小驱动TFT Ms的尺寸,用于增加反馈部分的电路，以补偿电压式驱动电路中TFT阈值电压漂移带来的影响。

从采样准确性的角度，由于电压驱动方式下的信号延迟很小，如图4所示，在三种TFT的电路中，信号最大延迟亦不超过5 μs。而且，即使对于目前最高分辨率为1920×1200的显示产品，在输入信号扫描频率为60Hz的情况下，即帧周期约为13.9us时，亦能保证较准确的采样。

不同TFT的电压驱动式像素电路中，Ms漏极电流的输出

• 电流驱动式

在相同的信号电流为0.1μA的条件下，仿真中的参数如表所示。

电流式驱动电路仿真参数：

由于该电路为电流驱动方式，所以无论采用哪种TFT器件，其延迟时间都较长，最小的延迟时间亦不低于60 μs，这显然不能满足准确采样的要求。

不同TFT的电流驱动式像素电路中，Ms漏极电流的输出

在Ms已被预充了VT的情况下，Ms的漏极电流随时间的变化可表达为:

其中：

其中，C_pix为像素电路中的存储电容和Ms等效电容的总和。由式（2）可知，延迟时间与整个电路的电容成正比，而与迁移率的平方根成反比。所以要提高采样信号的准确性，可以考虑降低整个电路的电容，但是大幅度降低整个电路的寄生电容较难实现，所以，比较有效的方案是采用高迁移率的薄膜晶体管技术。

4

集中补偿的IGZO AMOLED像素电路

非晶硅（a-Si）和多晶硅（Poly-Si）TFT是AMOLED显示中的主流技术。a-Si在均匀性，关态电流，低成本等方面都具有优势，但是a-Si的阈值电压（V_TH）极不稳定，长期偏置状态下会发生严重漂移。

相比于a-Si，Poly-Si的V_TH相对稳定，且迁移率高，可以提供互补的器件。

但Poly-Si在像素间V_TH和迁移率都会存在差异，会造成显示的不均匀，而且Poly-Si的制作成本高，尤其在大面积显示中还存在诸多不足。

近几年发展起来的IGZO其迁移率介于a-Si和Poly-Si之间，V_TH稳定性也较a-Si好，且IGZO的均匀性与成本都与a-Si很接近，在AM-OLED驱动电路中显示出巨大优势。

IGZO在长期偏置下V_TH还是会有漂移，因此在构成像素电路时仍需要提供补偿机制。

目前为了解决TFT的V_TH漂移带来的问题，出现了很多提供补偿的像素电路。这些电路一般的操作步骤是预充电，V_TH提取，电流调整和驱动四步。

这个过程需要复杂的时序控制和相应的外围电路。 

• 四管单元电路

下图所示即为四管单元的像素电路和相关时序图。电路由一个驱动管（T1），三个开关管（T2~T4），两个电容（C1,C2）和一个OLED组成。控制线由三跟行线（SCAN[n]，EM和VDD），两根列线（DATA[m]和V_REF）以及公共电极

电极VSS组成。其中EM，VREF和VDD属于全局控制线。电路工作主要分为初始化，VTH提取，数据写入和发光四个阶段如图1（b）所示。

初始化：在初始化阶段，EM信号变为高电平，使T2,T4开启。从而A点电位变为VREF，VREF为高电平，会使T1开启。同时VDD变为低电平VDD1，并通过T1将B点电位拉低。初始化的作用就是给T1管的源极一个初始的低电位。

VTH提取：在初始化结束后，EM信号维持高电平，使A点电位为VREF，VDD电平由低变高，开始对B点电容充电，B点电位上升直至T1截止。此时B点电位为VREF-VTH。在这个过程中，由于T4管处于导通状态，因此，C点电位与B点相同，电容C1两侧形成电位差为：

V_A-V_C=V_REF-(V_REF-V_TH)=V_TH           （1）

由（1）可以看出，V_TH被存储在电容C1上。值得注意的是，初始化和VTH提取阶段是针对面板上所有像素进行的。

数据写入：在数据写入阶段，EM变为低电平，T2和T4截止，此时A点处于悬浮态，B点和C点也不再连通。VDD变为低电平，以保证在数据写入阶段，OLED不会导通。另一方面，SCAN[n]信号逐行变为高电平，依次打开T3管，此时数据线上的电压经T3管写到C点，C点电位变为V_DATA[m]，由于A点处于悬浮状态，因此C点的电位变化会通过电容C1耦合到A点。数据写入后，A点电位变为：

V_A=V_REF [V_DATA-(V_REF-V_TH)]=V_DATA V_TH   （2）

发光阶段：在这一阶段，EM和SCAN[m]信号为低电平，T2，T3和T4都处于截止状态。VDD变为高电平，T1开始导通，B点电位由V_REF-V_TH变为V_OLED。V_OLED为OLED上对应的电压。此时，流过OLED的电流为：

I_OLED=(W/2L)μ_nC_ox(V_DATA V_TH-V_OLED-V_TH)²    

=(W/2L)μ_nCox(VDATA-VOLED)²   （3）

式中WL是T1管的沟道宽和长，μn和C_ox分别为TFT管的迁移率和本征电容。由式（3）可以看出流过OLED的电流不随驱动管VTH改变而改变，而只与数据电压和OLED上的电压有关，这两部分电压都是提前预知的，则能够解决因阈值电压漂移而产生OLED亮度不均匀的问题。