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。

PM-OLED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;AM-OLED在大信息量显示中占优势，一般采用非晶硅TFT(a-SiTFT)或多晶硅(poly-SiTFT)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PM-OLED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TFT-OLED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TFT-OLED有源驱动电路的影响。

2 模拟像素单元电路

AM-OLED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。

图1 两管TFT驱动电路

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。

2.1.2 三管TFT结构

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1μA,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,T1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,T1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。