一种新型硅基OLED微显示像素电路

张新华，陈文彬

（电子科技大学 光电信息学院，四川 成都610054）

1 引 言

硅基OLED 微显示器是指把OLED 制作在硅片上的一种显示器［1］，利用了成熟的CMOS工艺，在单晶硅片上制作驱动电路，并结合OLED视角大、响应速度、功耗低、全固态等优点，既可应用于个人娱乐设备，又可应用于飞行员的头盔显示 器 等［2］。OLED 微 显 示 器 的 尺 寸 一 般 小 于1.5cm（0.6in）［3］，而显示器的分辨率却可以达到SXVGA（1 280×1 024）的水平［4］。与以TFT为背板的AMOLED 显示器件相比，其像素面积要小得多，流过像素的电流也很小，大约在在几百皮安到几十纳安之间［3］。

如何实现OLED 微显示像素驱动电路所需的小电流是设计像素驱动电路的重点和难点。为了解决这个问题，提出了以下几个方案：

（1）亚阈值电压调节电流法［3］，在目前的IC工艺下，MOS管的亚阈工作特性一致性差，导致显示的均匀性存在问题，对电路的设计和工艺要求高；

（2）源极跟随结构法［5］，此方法的缺点是电路结构复杂；

（3）增 加 分 流MOS 法［6］，其 缺 点 是 造 成MOS管支路电流的浪费，增加了系统功耗。

本文提出了一种新型的像素电路。OLED 只处于两种状态：发光或者不发光，并且当OLED发光时流过OLED 的电流是恒定的。灰度调节是通过时间比率灰度法实现的，即通过控制OLED 的发光时间来实现不同的灰度等级，发光时间的长短决定了灰度等级的高低［7］。此像素电路结构简单、完全是由数字信号控制、发光时流过OLED 的电流是恒定的并且不随MOS的阈值电压变化而改变。

2 像素电路及工作过程

像素电路结构如图1 所示，其中P1、P2为PMOS，N1、N2为NMOS，CS为存储电容，OLED为发光单元。P1和N1构成反相器，P2和N2作为开关。A 点是CS的左端，B 点是CS的右端和反相器的输入端，C 点是反相器的输出端、P1的漏极以及OLED 的阳极。

图1 像素电路原理图Fig.1 Schematic of the pixel circuit

由反相器的特性可知，如果VB（B 点的电压）足够小，则可使N1关断、P1导通。此时相当于VDD经过P1来驱动OLED，会有一个恒定的电流流过，使得OLED 发光。

如果VB足够大，则可使P1关断、N1导通，此时C 点通过N1接地，没有电流流过OLED，OLED 不发光。

此电路可以实现恒定的电流流过OLED，灰度的实现是通过控制OLED 的发光时间实现的。在本论文中，将一帧信号分为6个子场。如果在某一子场中，OLED 可以发光，则此子场称为开启子场。如果在某一子场中，OLED 始终不发光，则此子场称为关闭子场。图2是开启子场中各信号的时序图，图3 是关闭子场中各信号的时序图。从图中可以看出，所有的信号均为数字信号。

下面对两种情况进行说明：

图2 开启子场中各信号时序图Fig.2 Signals timing diagram（on－state sub－frame）

（1）开启子场

第一阶段：SCAN 信号处于高电平，SELECT信号处于低电平，DATA 信号处于高电平。N2和P2均处于开启状态。A 点的电压为VDATA，B点的电压为VDD，电容两端的电压为VDD－VDATA。由于B 点处于高电平，P1处于关闭状态，N1处于开启状态。C 点的电压为0，OLED 不发光；

第二阶段：SCAN 信号仍然处于高电平，SELECT 信号变为高电平，DATA 信号仍然处于高电平。N2仍然处于开启状态，P2处于关闭状态。B 点悬空，由于A 点电压仍然为VDATA，所以B 点电压仍然为VDD。P1处于关闭状态，N1处于开启状态。C 点的电压为0，OLED 不发光；

图3 关闭子场中各信号时序图Fig.3 Signals timing diagram（off－state sub－frame）

第三阶段：SCAN 信号仍然处于高电平，SELECT 信号仍然处于高电平，DATA 变为低电平。N2仍然处于开启状态，P2处于关闭状态。B点悬空，由于A 点电压变为0，所以B 点电压变为VDD－VDATA。并使得此电压使P1处于开启状态，N1处于关闭状态。C 点的电压为VDD，OLED发光；

第四阶段：SCAN 信号变为低电平，SELECT信号仍然处于高电平。N2和P2均关闭状态。A点和B 点均悬空，A 点电压保持在0，所以B 点保持在VDD－VDATA。此电压使P1处于开启状态，N1处于关闭状态。C 点的电压仍然为VDD，OLED 继续发光。

（2）关闭子场

关闭子场中，在第三阶段，由于DATA 信号电压没有发生变化，即不能把B 点的电压拉低，B点的电压仍维持在VDD，C 点的电压为0，OLED不发光。进入第四阶段后，此状态仍然不变。

如果需要的灰度等级数目为n（n＝2k），那么一帧信号需要分为k 个子场SF1，SF2，SF3......SFk。如果帧周期是T，那么各个子场对应的时间为：

在本文中，n＝64，T＝20ms。

需要注意的是，即使在开启子场的第一和第二阶段，OLED 也是不发光的，但是这段不发光的时间小于每一行的扫描时间，如图3所示。对于一个SVGA（600×800）的微显示器，设开启子场中OLED 的发光时间为tL－SFi，不发光时间为tNL－SFi，所以有：

表1 开启子场，发光时间，灰度等级的关系Tab.1 Relationship of on－state sub－frame，light－emitting time and grayscale

3 仿真及分析

由于仿真软件中没有OLED 模型，我们使用一个二极管D 和一个电容C 的并联来代替OLED［8］。我们使用的OLED 的I－B－V 特性曲线如图4所示，其中亚像素面积为10μm×30μm。

二极管主要的模型参数是：反向饱和电流密度Is＝35μA／cm2，发射系数n＝33.20，串联电阻Rs＝0，level＝1。并联电容C＝25nF／cm2×300μm2＝0.075pF［8］。

图4 OLED 的I－B－V 特性曲线图Fig.4 OLED luminance and I－Vcharacteristics

表2 主要仿真参数Tab.1 Main simulation parameters

对于帧周期为20ms，子场SF6的时间最长为10.158ms。存储电容CS应该在这段时间内保持住电压，有公式t＝RC＝VCS／I得到CS＝tI／V。p型晶体管的关态电流的大小为pA 级别，电压为5V，所以存储电容CS＝0.5pF。氧化层的厚度为125nm，电容所需的面积为：

考虑到亚像素面积为300μm2，这样大小的电容是能够实现的。

该仿 真 是 基 于TSMC 的0.35 μm CMOS 5V工艺，利用Hspice的level＝49 模型来完成的。表2 是仿真用的主要参数。

图5是21级灰度的仿真结果，对于21级灰度，OLED 在第1，3，5子场是开启子场，第2，4，6子场是关闭子场。并且OLED 发光时流过OLED 的电流是恒定的。原因如下：

当OLED发光时，N1处于关闭状态，P1处于导通状态，B 点处于低电平，C 点处于高电平，P1处 于线性区。流过OLED的电流等于流过P1的电流：

OLED 是高阻器件，当IOLED为nA 级时，P1的漏极和源极之间的电压VDS小于10－8V ，即使P1的阈值电压由于衬底偏置效应和温度效应在一定范 围 内变 化 时［9］，VDS仍 然 是 小 于10－8V。也就是说阈值电压变化时P1的漏极电压（OLED的阳极电压）的变化小于10－7V，这样小的电压变化对OLED 的电流的影响可以忽略不计。

通过分析，可以看出只需改变各信号的时序，便可实现不同的开启子场的组合，所以64级灰度（0～63）即可以实现。当OLED 发光时，流过OLED 的电流为35.3nA，电流密度为11.8mA／cm2，对应的亮度为1 500cd／m2。

图5 21级灰度的信号时序图和OLED 的发光时间Fig.5 Signals timing diagram and OLED emitting time of 21grayscale

4 结 论

提出了一种用于硅基OLED微显示用的像素驱动电路，通过分子场扫描的方法来控制OLED的发光时间，进而实现不同的灰度等级。并且在像素电路中，OLED 发光时流过的电流是恒定的，并且对阈值电压的变化不敏感。相对于传统的硅基OLED的像素驱动电路，此方案结构简单、易于实现、完全由数字信号控制，能实现精确的灰度调节。

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