有機(jī)電致發(fā)光器件（OLED）是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的全固體器件，因其具有薄而輕、高對(duì)比度、快速響應(yīng)、寬視角、寬工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)而引起人們的極大關(guān)注，被認(rèn)為是新一代顯示器件。要真正實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，必須提高器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)有效的圖像顯示驅(qū)動(dòng)電路。近來，隨著研究的深入，OLED的發(fā)光效率和穩(wěn)定性已達(dá)到某些應(yīng)用的要求，而其專用的驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)還不是很成熟。目前，所有平板顯示的驅(qū)動(dòng)均采用矩陣驅(qū)動(dòng)方式，由X和Y電極構(gòu)成的矩陣顯示屏。根據(jù)每個(gè)像素中引入和未引入開關(guān)元器件將矩陣顯示分為有源矩陣（AM）顯示和無(wú)源矩陣（PM）顯示。

本文從TFT-OLED有源矩陣像素單元電路出發(fā)，著重分析了電壓控制型與電流控制型像素單元電路，簡(jiǎn)要討論了控制/驅(qū)動(dòng)IC對(duì)TFT-OLED有源驅(qū)動(dòng)電路的影響。

電壓控制型像素電路

兩管TFT結(jié)構(gòu)

電壓控制型單元像素電路以數(shù)據(jù)電壓作為視頻信號(hào)。最簡(jiǎn)單的電壓控制型兩管TFT單元像素電路如圖1所示。

圖1 兩管TFT驅(qū)動(dòng)電路

其工作原理如下：當(dāng)掃描線被選中時(shí)，開關(guān)管T1開啟，數(shù)據(jù)電壓通過T1管對(duì)存儲(chǔ)電容CS充電，CS的電壓控制驅(qū)動(dòng)管T2的漏極電流;當(dāng)掃描線未被選中時(shí)，T1截止，儲(chǔ)存在CS上的電荷繼續(xù)維持T2的柵極電壓，T2保持導(dǎo)通狀態(tài)，故在整個(gè)幀周期中，OLED處于恒流控制。

其中（a），（b）被分別稱為恒流源結(jié)構(gòu)與源極跟隨結(jié)構(gòu)，前者OLED處于驅(qū)動(dòng)管T2的漏端，克服了OLED開啟電壓的變化對(duì)T2管電流的影響;后者在工藝上更容易實(shí)現(xiàn)。兩管電路結(jié)構(gòu)的不足之處在于驅(qū)動(dòng)管T2閾值電壓的不一致將導(dǎo)致逐個(gè)顯示屏的亮度的不均勻，OLED的電流和數(shù)據(jù)電壓呈非線性關(guān)系，不利于灰度的調(diào)節(jié)。

三管TFT結(jié)構(gòu)

基于第二代電流傳輸器原理的電壓控制型像素單元電路如圖2所示，虛線左邊可視為外部驅(qū)動(dòng)電路，右邊為單元像素電路。

圖2 基于第二代電流傳輸器原理的像素電路

在控制模式下，T2和T3開啟，T1和運(yùn)算放大器構(gòu)成第二代電流傳輸器，由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)可以取得很大，T1管的閾值電壓對(duì)電流的影響變得不敏感，此時(shí)，流經(jīng)T1的電流：

IT1=Vin/Rin

并且T1管源極電壓應(yīng)低于OLED的開啟電壓，防止OLED開啟。在保持模式下，T2和T3關(guān)斷，存儲(chǔ)電容Cs維持T1管的柵極電壓，電流經(jīng)T1進(jìn)入OLED。其中放大器由COMS電路實(shí)現(xiàn)，所有同行像素可共用一個(gè)運(yùn)算放大器。

仿真結(jié)果表明，盡管T3管存在電荷注入與時(shí)鐘饋漏效應(yīng)，使得OLED電流略小于控制電流;在OLED標(biāo)稱電流為1μA，閾值電壓漂移超過5V時(shí)，控制電流、OLED電流相對(duì)誤差分別為-0.18%、5.2%，成功補(bǔ)償了TFT的空間不均性和不穩(wěn)定性。

四管TFT結(jié)構(gòu)

Dawson等人首次提出了四管TFT結(jié)構(gòu)的單元像素電路，該電路通過自動(dòng)置零將數(shù)據(jù)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)管進(jìn)行比較，以消除TFT柵壓的偏移，并在數(shù)據(jù)信號(hào)之前施加優(yōu)先置零信號(hào)（VAZB），使寄生電容所積累的電荷得以釋放，解決了閾值電壓變化的問題，并且不依賴OLED的開啟與充電時(shí)間。這種電路的缺陷在于：當(dāng)溝道長(zhǎng)度變短時(shí)，又將出現(xiàn)發(fā)光不均勻現(xiàn)象。

GohJC等人提出了利用亞閾值電流補(bǔ)償閾值電壓變化電壓控制型電路，在驅(qū)動(dòng)時(shí)序上增加一個(gè)補(bǔ)償階段，使驅(qū)動(dòng)管工作于亞閾值區(qū)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)管的柵源電壓即閾值電壓Vth儲(chǔ)存于存儲(chǔ)電容，該電壓在數(shù)據(jù)輸入階段可補(bǔ)償了TFT閾值電壓的漂移。他們還提出了利用放電式補(bǔ)償閾值電壓變化的電壓控制型驅(qū)動(dòng)電路，與前者不同的是，該電路利用放電的方式使驅(qū)動(dòng)管進(jìn)入亞閾值區(qū)，獲得數(shù)據(jù)電壓與閾值電壓疊加值，從而有效補(bǔ)償閾值電壓變化。

電壓控制型驅(qū)動(dòng)電路除了能有效補(bǔ)償閾值電壓變化外，其優(yōu)勢(shì)還在于具有快速響應(yīng)特性，因?yàn)殡妷褐苯蛹拥酱鎯?chǔ)電容CS的兩端，充電電流一開始會(huì)有一個(gè)瞬間的大電流對(duì)電容充電，極大地降低了充電時(shí)間。

三管TFT結(jié)構(gòu)

圖3所示是三管TFT電流控制型電路，它工作于控制和保持兩個(gè)階段?？刂齐A段，掃描線處于高電平，T2和T3開啟，T1漏極施加低電平，OLED反向偏置，輸入數(shù)據(jù)電流流經(jīng)T2，T1，T1的柵源電壓存儲(chǔ)于Cs中。保持階段，掃描線處于低電平，T2和T3關(guān)斷，同時(shí)T1漏極施加高電平，電流流經(jīng)T1與OLED，T1的柵源電壓維持T1電流不變。電路能有效補(bǔ)償閾值電壓的變化，工作700小時(shí)，電流衰減11%，這可以通過減小TFT的交疊電容加以改善。

圖3 電流控制型3-TFT像素電路

四管TFT結(jié)構(gòu)

國(guó)外較早見報(bào)道的4-TFT電流控制帶閾值電壓補(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)電路如圖4。在尋址階段，掃描電壓開啟T1、T3，數(shù)據(jù)電流Idata流過T4進(jìn)入發(fā)光單元，T4的柵源電壓保存在Cs中;尋址結(jié)束，T1和T3關(guān)閉，VG的引入能使T2打開，這時(shí)T4連到VDD上作為電流源，它只受保存在Cs中的電壓控制，這就消除了閾值電壓變化的影響，然而VG線的引入影響了顯示器的開口率。

圖4 電流控制帶閾值電壓補(bǔ)償?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/analog/" target="_blank">模擬驅(qū)動(dòng)電路

圖5 電流控制電流鏡像素電路

獲得廣泛應(yīng)用的是以電流鏡像為基礎(chǔ)的電流控制型像素單元電路，下面以圖5所示結(jié)構(gòu)闡述這類電路的工作原理。當(dāng)掃描線上電壓處于高電平時(shí)，此像素被選中，晶體管T1、T2導(dǎo)通，Idata首先從數(shù)據(jù)線通過T1管對(duì)電容Cs充電。當(dāng)電容Cs兩端電壓達(dá)到一定值時(shí)，整個(gè)Idata通過T2管流到T3管。同時(shí)，由于T3管和T4管的柵極電壓相等，數(shù)據(jù)電流Idata被鏡像為流經(jīng)OLED的電流。當(dāng)此像素未被選中時(shí)，T4管的柵極電壓由電容Cs兩端所存儲(chǔ)的電壓所決定，維持著電流驅(qū)動(dòng)OLED。

研究發(fā)現(xiàn)開關(guān)管T2的老化，T3、T4閾值電壓VT的漂移差別，T3、T4的閾值電壓VT初始值不同是影響以電流鏡為基礎(chǔ)a-Si:H電路的驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定性的主要機(jī)制。因此，電流鏡準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電流跟隨功能的基本要求是T2盡可能開態(tài)低阻，關(guān)態(tài)低漏電流;T3、T4的初始閾值電壓相等，且變化一致;T3、T4工作于飽和區(qū)。而郭斌等人模擬和分析了作為電流控制型多晶硅薄膜晶體管（poly-SiTFT）有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（AM-LOED）像素單元的poly-SiTFT/OLED耦合對(duì)的J-V特性和poly-SiTFT電流鏡的I-V特性。結(jié)果表明，poly-SiTFT/OLED耦合對(duì)的驅(qū)動(dòng)電壓低，在200A/m2下不超過8V;而TFT電流鏡的跟隨能力很好，在0.0～2.5μA時(shí)飽和電壓只有1.5～2.5V。一般說來，以電流鏡像為基礎(chǔ)的電路具有良好的補(bǔ)償特性，類似于此類型的電流控制型驅(qū)動(dòng)電路也能很好地證明這一點(diǎn)，并從實(shí)驗(yàn)得出，這種電路具有很好的線性輸出，能對(duì)顯示的灰度作精確性地調(diào)節(jié)。

四管電流驅(qū)動(dòng)型電路缺陷在于低亮度顯示時(shí)，充電時(shí)間長(zhǎng)，信號(hào)延時(shí)嚴(yán)重。目前，主要通過調(diào)節(jié)OLED的電流與輸入數(shù)據(jù)電流的縮減比例，來減小數(shù)據(jù)線與像素間的充電時(shí)間。已見報(bào)道的有兩類方法，一是基于TFT幾何尺寸，一是基于存儲(chǔ)電容尺寸。分壓式電流控制型驅(qū)動(dòng)電路屬于前者，電路中流經(jīng)OLED的電流與數(shù)據(jù)電流的關(guān)系為：

這里μ為場(chǎng)效應(yīng)遷移率，Cox為單位面積的絕緣層電容;W和L分別為MOS管溝道寬度和長(zhǎng)度。由以上關(guān)系可知，采用大數(shù)據(jù)電流充電，能得到小的IOLED，同時(shí)減少了充電時(shí)間，但這是以增加功耗為代價(jià)的。而串聯(lián)存儲(chǔ)電容結(jié)構(gòu)的電流控制型電路屬于后者，選通階段，Idata=IOLED，非選通階段，電路中流經(jīng)OLED的電流與數(shù)據(jù)電流的關(guān)系為Idata=RSCALEIOLED，其中RSCALE為電流縮減比率，它與存儲(chǔ)電容CST2、開關(guān)管柵源/柵漏等效交迭電容COV-T2、掃描信號(hào)在選通與非選通時(shí)幅度的變化△VSCAN相關(guān)，且隨著以上參數(shù)的增大，RSCALE隨之增大。與前者相比，該電路優(yōu)勢(shì)在于通過RSCALE與IOLED適當(dāng)組合，不僅可以更大程度地減小響應(yīng)時(shí)間，而且在不增加功耗的前提下，能滿足高、低不同灰度級(jí)的顯示需要。

五管TFT結(jié)構(gòu)

B.Mazhari等人提出了五管單元像素電路，該電路采用一個(gè)柵源短接的TFT作為負(fù)反饋電阻，有效抑制多晶硅TFT扭結(jié)效應(yīng)（kinkeffect），實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)電流高達(dá)20A，輸出特性曲線仍具有良好的線性，克服了以前各種電路在保證線性的前提下電流范圍小的缺陷。愛普生-劍橋?qū)嶒?yàn)室提出了先進(jìn)的自調(diào)整電壓源技術(shù)，這也是一種五管驅(qū)動(dòng)方案，電路通過單位增益放大器存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)管TFT的源電壓，保證選通與非選通階段驅(qū)動(dòng)管偏置條件一致。

盡管電流范圍限制在0.2A～1A，還是有效改善了數(shù)據(jù)電流較小時(shí)閾值電壓的變化對(duì)OLED電流影響較大的缺點(diǎn)，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了像素的占空因數(shù)。

編者結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大屏幕、高分辨率OLED平板顯示器件而言，有源驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)成為其必不可少的部分。本文著重分析了不同數(shù)目TFT管構(gòu)成的電壓控制型與電流控制型像素單元電路的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，并討論了控制/驅(qū)動(dòng)IC對(duì)TFT-OLED有源驅(qū)動(dòng)電路的影響，能為OLED平板顯示器的設(shè)計(jì)提供一些依據(jù)。