有源OLED显示驱动控制电路分析与设计

摘要：提高OLED图像显示质量，是AMOLED驱动电路设计中的重点。文章阐述了AMOLED显示驱动电路的基本工作原理，在给出显示驱动系统的基本结构后分析了门阀电压补偿、OLED衰退补偿、电源线IR Drop补偿等改进型像素电路结构，最后提出一种新型的像素电路设计并验证其改进效果。

关键词：AMOLED；薄膜晶体管；像素驱动电路；驱动电路设计；驱动系统 文献标识码：A

中图分类号：TN873 文章编号：1009-2374（2017）02-0024-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.011

1 概述

有机电致发光二极管（OLED）属于一种新型电流型半导体发光器件，是通过控制该器件载流子的注入和复合激发有机材料发光显示，可分为有源驱动（AMOLED）和无源驱动（PMOLED）两种驱动方式。与无源驱动相比，有源驱动为每个子像素配备薄膜晶体管（TFT）和电荷贮存电容，以提高负载驱动能力，易于实现高分辨率和高亮度，具有工作效率高和功耗低等优点。AMOLED驱动便于集成在显示屏内，更易于提高电路集成度实现大面积显示，是低功耗大尺寸显示终端的理想器件。

2 AMOLED显示概述

OLED显示使用的是自主发光技术。与被动发光的液晶（LCD）显示器相比，自主发光的OLED显示器具有响应速度快、对比度高、视角广等优点，并且容易实现柔性显示，被业内普遍看好。一致认为OLED显示器极有可能成为下一代显示技术的主流产品。

AMOLED与LCD两种面板的显示原理基本相同，都是通过控制每个子像素的TFT开关状态实现显示的。两者的区别在于：AMOLED显示是通过TFT控制OLED上的电流改变其发光亮度；LCD显示则是通过TFT控制加载在液晶盒两端电压调整其背光的透射率。两者相比，对通过TFT驱动电流能力，AMOLED要求更高。OLED对其驱动电流非常灵敏，微弱的电流变化会影响其发光强度，因此要求TFT驱动管能持续稳定地提供工作电流。这对AMOLED驱动电路的稳定性提出了严格的要求，该要求也提高了对AMOLED驱动电路的设计目标。所以在AMOLED技术的研究工作中，像素驱动电路的设计质量至关重要，具有实用价值和重要意义。

3 AMOLED像素驱动

3.1 AMOLED显示面板驱动电路基本结构

AMOLED面板显示驱动系统的结构示意图如图1所示。根据接收到的图像信号，每个像素驱动电路独立调控单点像素OLED的发光强弱，使得显示面板发光后重现图像内容。当前，驱动芯片的集成化程度很高，已经实现将诸如源极驱动模块、栅极驱动模块等多个功能模块集成在一颗芯片中。驱动芯片内部各个功能模块由电源管理模块提供稳定的直流工作电压。各个功能模块之间、图像信号处理器与驱动芯片之间的信号传输由时序控制模块完成。

栅极驱动器负责输出行扫描信号，该信号加载到各个像素驱动电路中开关管M1的栅极，逐行开启像素阵列中的每个像素电路。源极驱动器同时提供每个像素所需要的灰度信号电压。当开启某一行栅极开关管M1后，每个子像素灰度信号通过源极驱动器输出，以电流形式流入驱动管M2，使OLED发光。此时，每个子像素的灰度信号会以电压形式保持在电容C中进行存储，直到下一帧图像显示信号进行刷新。R、G、B三个子像素驱动电路中OLED的发光强弱和占比决定每个像素色彩和亮度。时序控制模块向源极驱动器和栅极驱动器提供输出到像素矩阵的图像显示信号和控制信号。

图1中显示的像素驱动电路是最基本的双TFT结构，其驱动管M2的门阈电压（Vth）偏移后会导致在面板不同位置的像素驱动管M2产生差异，引起各个像素OLED上的驱动电流发生偏差，致使屏幕画面出现显示均匀性问题。这种Vth偏移问题对于现在量产的a-Si、LTPS以及IGZO几种类型的TFT都会存在，需要设计高性能的像素补偿电路来解决。

3.2 门阀电压补偿电路

AMOLED像素电路需要对TFT驱动管的Vth偏移进行补偿，改善各管Vth的一致性。LG公司在国际信息显示学会（SID）2009年学术会议上发表的一篇关于AMOLED像素电路的论文，设计出一种门阀电压补偿电路。如图2（a）所示，其像素电路包括5个TFT和1个电容（后称5T1C结构）。因驱动管T4与OLED串接，OLED上的电流与T4的漏极电流相等，依据TFT在饱和区的工作特性，OLED上的电流IOLED如下：

在式（1）和式（2）中，K为常量。可见OLED上的电流跟TFT驱动管的门阀电压无关，从而保证OLED面板显示质量。

3.3 OLED衰退补偿电路

在前述的两种像素驱动电路中，OLED的阳极直接和TFT驱动管的源极相连。对于N型构造的TFT，流经TFT的漏极电流取决于栅-源极之间电压差（Vgs）。OLED在工作一段时间后性能衰退会引起参数发生变化，其跨压变大，造成Vgs电压变化。由式（1）可以看出，Vgs电压变化后OLED上的电流就会随之变化，导致其发光亮度变化。显示面板上各个像素OLED衰退状态不同，造成显示均匀性变差。所以在像素驱动电路设计时必须考虑对OLED衰退后的影响，进行补偿。

台湾国立交通大学设计出的一种针对OLED衰退进行补偿的像素驱动电路，如图2（b）所示。该电路包括5个TFT和1个电容，和前文给出的门阀电压补偿电路一样，都是5T1C電路结构，但具体连接方式不同。将该电路中提供对应的栅极和源极的电压代入式（1）后，可得到如下结果：

由式（3）可见，OLED上的电流与其跨压变化无关，不会因OLED衰退而影响其发光亮度。

3.4 IR Drop补偿电路

常温下，金属导体电阻为非零值，经过该导体的电流会产生一定的电压降，这一现象被称为IR Drop。金属导线上的IR Drop会导致在距离输入端的不同位置存在电位差异。在大面积显示的面板上，这种IR Drop使得处于不同的位置的OLED上的电流产生差异，导致面板发光不均匀，影响图像显示质量。所以在设计像素电路时，如何消除供电导线上的IR Drop是需要考虑的一个重点问题。

各家OLED研究机构和面板厂商都在积极研究，寻找消除IR Drop不利影响的技术方案。图2（c）是在2009年的SID会议上由三星公司推出的一个带IR Drop补偿功能的像素电路。该电路采用5T2C结构，包含了5个TFT和2个电容，通过补偿消除了OLED阳极供电（ELVDD）线上IR Drop的影响。当处于显示阶段时，流经OLED的电流公式如下：

将该电路中对应的栅极和源极的电压代入式（4）可以得到：

由式（5）可见，该电路OLED电流仅仅与Vsus以及信号电压有关，与ELVDD无关，从而消除了阳极电压信号线上IR Drop的影响。

4 新型AMOLED像素驱动电路的设计

由于存在TFT门阀电压偏移、OLED衰退以及信号线IR Drop三大因素的影响，在设计AMOLED像素驱动电路时，必须考虑同时消除它们的不利影响，从而获得较优的显示图像品质。驱动电路的设计目标就是要实现消除这三种因素对像素OLED工作电流的不利影响。

4.1 设计新型像素驱动电路

图2（a）给出的TFT门阀补偿电路具有一定的局限性。它采用获得Vth的方法如图3（a）所示，将TFT的栅极和漏极相连。获取Vth时，首先使TFT的漏-源极电压（Vds）大于Vth，然后将漏极和栅极浮接，开启TFT后，漏极有电流流入，随后Vds下降，直至TFT关闭。当Vth≥0V时，栅源极电压（Vgs）变为Vth，TFT关闭，Vds不变，就可以获得Vth的值。当Vth<0V时，Vds电压若为零，TFT无电流，此时，Vgs=0V，没有获得Vth值。因此，当TFT的Vth<0V时，该电路无法获得Vth值进行补偿。

改变TFT的连接方式可以解决这个缺憾。如图3（b）所示，将TFT栅极和漏极分别被设定为不同的电压，对源极需先设定一个初始电压，该电压满足Vds>Vth条件，然后使源极处于浮接状态。此时TFT处于开启状态，漏极有电流流向源极，源极电位随之升高，源极电位的最终值会由栅极电压（V2）和漏极电压（V3）的以下两种状态决定，即：（1）当V2-Vth>V3时，源极电位为V3；（2）当V2-Vth≤V3时，源极电位为V2-Vth。

当我们设定V2-Vth≤V3后，无论Vth为正或为负值都能被获得。

根据获取Vth的这种新方法，在结合前文给出的几种补偿电路基础上，我们设计出一种新的像素驱动电路。该电路如图4（a）所示，采用7T1C电路结构，包括7个TFT和1个电容，可以同时消除前文所述的TFT门阀电压偏移、OLED衰退以及导线上IR Drop三种因素产生的不利影响。

参照图4（b）中给出的工作时序，分析该电路各个时序阶段的工作情况：（1）t1阶段：前一行扫描线控制信号（Scan_n-1）端输入高电平，开关管M1和M2被开启，对储存电容C两端的电压进行初始化。此时，驱动管M_Drive各极电压被设置为初始值，设定Vds>Vth；（2）t2阶段：当前行扫描线控制信号（Scan_n）端输入高电平，开关管M5和M6被开启，驱动管M_Drvie的栅极PG点通过M6接通VSUS，数据信号电压（Vdata）加载到储存电容C左端的PD点。此时，Emit_n端输入为低电平，M4关闭，驱动管M_Drive的源极（PS点）处于浮接状态，符合前文给出的获取Vth改进后方式的条件。PS点电位被设置为，储存电容C两端的压差为；（3）t3阶段：Emit_n端输入高电平，同时开启M3和M4，PG和PD两点通过M3相连，电位相等。开启M4后，PS点的电位发生变化。由于PG和PD两点电位相等无电流进出，经电容C耦合，PD和PS之间的电压差维持在。此时，驱动管M_Drive的Vgs电压为，将该值代入式（1）后，可以得到OLED上的电流为：

由式（6）可以看出，OLED上的电流与驱动管门阀值、OLED门阀值以及供电电压均无关联，可以满足电路设计要求。

4.2 新型像素驱动电路仿真

为了验证电路的实际补偿效果，使用模拟软件对上述新型像素电路进行了仿真。分别按驱动管阀值偏移、OLED阀值偏移以及供电线的IR Drop三種情况进行了模拟，观测OLED上电流的变化。模拟时设置的具体TFT和OLED模型参数是由器件厂商从实物中萃取。三种模拟结果分别参见图5（a）、图5（b）、图5（c）：（1）TFT阀值偏移的模拟结果：如图5（a）所示，Vth被设定从

-3～2V之间变化，OLED上电流的变化率小于5%；（2）OLED衰退的模拟结果：因OLED衰退会引起其门阀电压变化，而门阀电压和阴极电位（VSS）的变化对于驱动电路的影响是等效的，所以我们是通过调整VSS电位进行模拟的。如图5（b）所示，设定VSS从0V到3V的之间变化，OLED上电流变化率小于1%，基本维持不变；（3）供电线上IR Drop模拟结果：可以通过设定不同供电端电压VDD来观察OLED上电流的变化，如图5（c）所示，调整VDD电压在1.3～1.5V之间变化，OLED上电流变化率小于3%。

5 结语

像素驱动电路的稳定性是AMOLED图像显示品质的关键，因此在电路设计之初需要考虑克服三种因素的不利影响，包括TFT门阀电压偏移、OLED衰退以及信号线上IR Drop。本文在综合了现有的几种像素电路结构的基础上，设计出一种改进型7T1C结构的驱动电路。经过仿真模拟，结果表明该电路基本不受上述三种因素的影响，达到像素驱动电路设计初衷的目的。

当前，彩色AMOLED显示屏主要分为白光+彩色滤光膜和RGB子像素独立发光两种方式。与前者相比，后者有许多优势。但是由于RGB三种不同发光材料的退化周期不同，将会破坏图像色彩的白平衡。因此，在使用采用后者方式的OLED面板时，还需针对因三基色退化引起的白平衡变差现象进行补偿。以亮度衰减一半所需的时间定义为发光器件的半衰期，不同有机发光材料的半衰期是不同的。红光OLED的半衰期最短，绿光OLED次之，蓝光OLED比较稳定。RGB子像素独立发光的OLED面板在工作一段时间后，屏幕图像红色逐渐减弱，颜色会偏蓝，引起图像色度坐标变化和亮度衰减。使用线性补偿法可以实现对三基色退化造成的白平衡影响进行补偿，但这种方法是以牺牲亮度为代价的。

随着社会和科技的进步，用户对图像显示品质有更高的要求。在新一代的OLED显示领域中，本文所做的工作只是冰山一角，还有许多难点亟需继续探讨和完善。

参考文献

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作者简介：刘明（1974-），男，南京中电熊猫家电有限公司研发中心高级工程师，硕士，研究方向：新一代平板显示智能影音系统。

（责任编辑：黄银芳）