TFT-OLED像素单元及驱动电路分析1引言有机电致发光器件（OLED）是将电能直接转换成光能的全固体器件，因其 具有薄而轻、高对比度、快速响应、宽视角、宽工作温度范围等优点而引起人们 的极大关注，被认为是新一代显示器件要真正实现其大规模产业化，必须提高 器件的发光效率和稳定性，设计有效的图像显示驱动电路近来，随着研究的 深入，OLED的发光效率和稳定性已达到某些应用的要求，而其专用的驱动电 路技术还不是很成熟目前，所有平板显示的驱动均采用矩阵驱动方式，由X 和Y电极构成的矩阵显示屏根据每个像素中引入和未引入开关元器件将矩阵 显示分为有源矩阵（AM）显示和无源矩阵（PM）显示PMOLED具有结构简单、成本低等优点，主要用于信息量低的简单显示 中；AMOLED在大信息量显示中占优势，一般采用非晶硅TFT（aSiTFT）或 多晶硅（polySiTFT）开关元器件，输入信号存储在存储电容器上，使在帧周 期内像素保持选通态，因而不需要瞬态高亮度，克服了 PMOLED的缺点且不 受占空比限制因此，OLED要实现高品位显示，必须采用有源矩阵驱动方式 本文从TFTOLED有源矩阵像素单元电路出发，着重分析了电压控制型与电流 控制型像素单元电路，简要讨论了控制/驱动IC对TFTOLED有源驱动电路的 影响。
2模拟像素单元电路AMOLED驱动实现方案包括模拟和数字两种在数字驱动方案中，每一像 素与一开关相连，TFT仅作模拟开关使用，灰度级产生方法包括时间比率灰度 和面积比率灰度，或者两者的结合目前，模拟像素电路仍占主流，但在灰度 级实现上，模拟技术与时间比率灰度和面积比率灰度理论相结合将会是将来的 一个发展趋势在模拟方案中，根据输入数据信号的类型不同，单元像素电路 可分为电压控制型和电流控制型2.1电压控制型像素电路2.1.1两管TFT结构电压控制型单元像素电路以数据电压作为视频信号最简单的电压控制型 两管TFT单元像素电路如图1所示其工作原理如下：当扫描线被选中时，开关管T1开启，数据电压通过T1 管对存储电容CS充电，CS的电压控制驱动管T2的漏极电流；当扫描线未被 选中时，T1截止，储存在CS上的电荷继续维持T2的栅极电压，T2保持导通 状态，故在整个帧周期中，OLED处于恒流控制其中（a），（b）被分别称为恒流源结构与源极跟随结构，前者OLED处 于驱动管T2的漏端，克服了 OLED开启电压的变化对T2管电流的影响；后者 在工艺上更容易实现两管电路结构的不足之处在于驱动管T2阈值电压的不一 致将导致逐个显示屏的亮度的不均匀，OLED的电流和数据电压呈非线性关系， 不利于灰度的调节。
基于第二代电流传输器原理的电压控制型像素单元电路如图2所示，虚线 左边可视为外部驱动电路，右边为单元像素电路图2基于第二代电流传输器原理的像素电路在控制模式下，T2和T3开启，T1和运算放大器构成第二代电流传输器，由于 运算放大器的放大倍数可以取得很大，T1管的阈值电压对电流的影响变得不敏 感，此时，流经T1的电流：IT1=Vin/Rin并且T1管源极电压应低于OLED的开启电压，防止OLED开启在保持 模式下，T2和T3关断，存储电容Cs维持T1管的栅极电压，电流经T1进入 OLED其中放大器由COMS电路实现，所有同行像素可共用一个运算放大 器仿真结果表明，尽管T3管存在电荷注入与时钟馈漏效应，使得OLED电流 略小于控制电流；在OLED标称电流为1pA,阈值电压漂移超过5V时，控制电 流、OLED电流相对误差分别为-0.18%、5.2%,成功补偿了 TFT的空间不均 性和不稳定性2.1.3四管TFT结构Dawson等人首次提出了四管TFT结构的单元像素电路，该电路通过自动 置零将数据信号与驱动管进行比较，以消除TFT栅压的偏移，并在数据信号之 前施加优先置零信号（VAZB），使寄生电容所积累的电荷得以释放，解决了阈 值电压变化的问题，并且不依赖OLED的开启与充电时间。
这种电路的缺陷在 于：当沟道长度变短时，又将出现发光不均匀现象GohJC等人提出了利用亚阈值电流补偿阈值电压变化电压控制型电路，在 驱动时序上增加一个补偿阶段，使驱动管工作于亚阈值区，此时驱动管的栅源 电压即阈值电压Vth储存于存储电容，该电压在数据输入阶段可补偿了 TFT阈 值电压的漂移他们还提出了利用放电式补偿阈值电压变化的电压控制型驱动 电路，与前者不同的是，该电路利用放电的方式使驱动管进入亚阈值区，获得 数据电压与阈值电压叠加值，从而有效补偿阈值电压变化电压控制型驱动电路除了能有效补偿阈值电压变化外，其优势还在于具有 快速响应特性，因为电压直接加到存储电容CS的两端，充电电流一开始会有 一个瞬间的大电流对电容充电，极大地降低了充电时间2.2电流控制型像素电路尽管电压控制型电路具有响应速度快的特点，但由于不能准确地调节显示的 灰度，难以满足显示的需求，于是人们提出电流驱动方案电流控制型单元像 素电路是以数据电流作为视频信号的一般说来，电流控制型像素电路需要满足以下要求：1） 有效补偿阈值电压的漂移，2） 具有良好的电流跟随特性及良好的线性，3） 响应速度在可接受的范围内，4） 在允许的条件下尽量降低驱动电源电压以降低功耗。
因此，绝大多数电流控制型像素电路是通过接收输入的电流信号并将其映 射到输出端，同时储存到像素内的存储电容上，以保证整帧内稳定的输出目 前报道过的电流驱动型电路主要有三管TFT结构、四管TFT结构、五管甚至更 多管TFT结构2.2.1三管TFT结构图3所示是三管TFT电流控制型电路，它工作于控制和保持两个阶段控 制阶段，扫描线处于高电平，T2和T3开启，T1漏极施加低电平，OLED反向 偏置，输入数据电流流经T2,T1,T 1的栅源电压存储于Cs中保持阶段，扫描 线处于低电平，T2和T3关断，同时T1漏极施加高电平，电流流经T1与 OLED,T 1的栅源电压维持T1电流不变电路能有效补偿阈值电压的变化，工 作700小时，电流衰减11%,这可以通过减小TFT的交叠电容加以改善图3电流控制型3-TFT像素电路2.2.2四管TFT结构国外较早见报道的4-TFT电流控制带阈值电压补偿的驱动电路如图4在 寻址阶段，扫描电压开启T1、T3,数据电流Idata流过T4进入发光单元，T4 的栅源电压保存在Cs中；寻址结束，T1和T3关闭，VG的引入能使T2打开， 这时T4连到VDD上作为电流源，它只受保存在Cs中的电压控制，这就消除 了阈值电压变化的影响，然而VG线的引入影响了显示器的开口率。
DELO图4电流控制带阈值电压补偿的模拟驱动电路图5电流控制电流镜像素电路获得广泛应用的是以电流镜像为基础的电流控制型像素单元电路，下面以 图5所示结构阐述这类电路的工作原理当扫描线上电压处于高电平时，此像 素被选中，晶体管T1、T2导通，Idata首先从数据线通过T1管对电容Cs充 电当电容Cs两端电压达到一定值时，整个Idata通过T2管流到T3管同 时，由于T3管和T4管的栅极电压相等，数据电流Idata被镜像为流经OLED 的电流当此像素未被选中时，T4管的栅极电压由电容Cs两端所存储的电压 所决定，维持着电流驱动OLED研究发现开关管T2的老化，T3、T4阈值电压VT的漂移差别，T3、T4 的阈值电压VT初始值不同是影响以电流镜为基础aSi:H电路的驱动电流稳定 性的主要机制因此，电流镜准确实现电流跟随功能的基本要求是T2尽可能开 态低阻，关态低漏电流；T3、T4的初始阈值电压相等，且变化一致；T3、T4 工作于饱和区而郭斌等人模拟和分析了作为电流控制型多晶硅薄膜晶体管(polySiTFT)有源矩阵有机发光二极管(AMLOED)像素单元的 polySiTFT/OLED耦合对的JV特性和polySiTFT电流镜的IV特性。
结果 表明，polySiTFT/OLED耦合对的驱动电压低，在200A/m2下不超过8V 而TFT电流镜的跟随能力很好，在0.0〜2.5pA时饱和电压只有1.5〜2.5V 一般说来，以电流镜像为基础的电路具有良好的补偿特性，类似于此类型的电 流控制型驱动电路也能很好地证明这一点，并从实验得出，这种电路具有很好 的线性输出，能对显示的灰度作精确性地调节四管电流驱动型电路缺陷在于低亮度显示时，充电时间长，信号延时严重目 前，主要通过调节OLED的电流与输入数据电流的缩减比例，来减小数据线与 像素间的充电时间已见报道的有两类方法，一是基于TFT几何尺寸，一是基 于存储电容尺寸分压式电流控制型驱动电路属于前者，电路中流经OLED的 电流与数据电流的关系为：这里M为场效应迁移率，Cox为单位面积的绝缘层电容；W和L分别为MOS管沟道宽度和长度由以上关系可知，采用大数据电流充电，能得到小的 IOLED,同时减少了充电时间，但这是以增加功耗为代价的而串联存储电容结 构的电流控制型电路属于后者，选通阶段，Idata = IOLED,非选通阶段，电路 中流经OLED的电流与数据电流的关系为Idata = RSCALEIOLED,其中 RSCALE为电流缩减比率，它与存储电容CST2、开关管栅源/栅漏等效交迭电 容COVT2、扫描信号在选通与非选通时幅度的变化A/SCAN相关，且随着以 上参数的增大，RSCALE随之增大。
与前者相比，该电路优势在于通过 RSCALE与IOLED适当组合，不仅可以更大程度地减小响应时间，而且在不增 加功耗的前提下，能满足高、低不同灰度级的显示需要2.2.3五管TFT结构B.Mazhari等人提出了五管单元像素电路，该电路采用一个栅源短接的 TFT作为负反馈电阻，有效抑制多晶硅TFT扭结效应(kinkeffect)，实现了 数据电流高达20A,输出特性曲线仍具有良好的线性，克服了以前各种电路在保 证线性的前提下电流范围小的缺陷爱普生-剑桥实验室提出了先进的自调整电 压源技术，这也是一种五管驱动方案，电路通过单位增益放大器存储驱动管 TFT的源电压，保证选通与非选通阶段驱动管偏置条件一致尽管电流范围限制在0.2A〜1A,还是有效改善了数据电流较小时阈值电压 的变化对OLED电流影响较大的缺点，但电路结构复杂，限制了像素的占空因 数3驱动系统一个完整的有源矩阵OLED驱动显示系统，除了由像素单元电路构成的矩阵 显示屏外，还包括驱动IC(行、列控制/驱动电路)、单片机控制电路等，OLED 有源驱动系统典型框图如图6图6 OLED有源驱动系统典型框图显示用的图像数据存储于ROM或RAM中，CPU或MCU控制电路产生总控制 信号，行控制电路和列驱动电路在总控制信号下，结合各自内部功能，产生基 本行信号和基本列信号，行驱动电路和列驱动电路在总控制信号、基本行信号 和基本列信号下，结合各自内部功能，产生行扫描信号和列数据信号，使 OLED显示屏显示存储于ROM或RAM中的图像信息。
驱动IC置于控制电路与有源玻璃板之间，是整个驱动电路的核心全球已 经有多家公司在从事OLED驱动IC的研究，到目前为止，还没有完全商业化的 AM-OLED的驱动IC但NextSierra公司已推出了分别集成的TFT-OLED行 列驱动NXS1008、NXS1009和控制芯片NXS1010,张志伟等人采用该系列 芯片，通过MCS51单片机的控制来驱动240x320x3点阵的TFTOLED屏, 实现了大信息量的动态图形显示由于液晶显示器件的配套驱动芯片功能比较完善，且价格低廉，所以将此类 芯片移用于有源矩阵显示屏（AMOLED）成为了国内外当前的研究焦点要想让液晶驱动芯片能驱动TFTOLED,关键在于两点：1）。