CN101140733A - 有机电激发光二极体的驱动电路及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种有机电激发光二极体的驱动电路与驱动方法，该驱动电路包括开关晶体管、驱动晶体管、储存电容、有机发光二极体以及控制晶体管，该控制晶体管的漏极及源极与该驱动晶体管的漏极与源极连接，且该控制晶体管受扫描线控制。在一个图框时间该电压源在扫描阶段为低准位，其余时间为高准位，且在扫描阶段，电压源通过该控制晶体管，使影像数据储存至该储存电容；当该电压源由低准位至高准位时，对驱动晶体管的寄生电容产生电源脉波馈入，补偿该驱动晶体管供给电流的时间稳定性，延长显示面板的使用时间。

Description

有机电激发光二极体的驱动电路及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种有机电激发光显示器的技术，特别是涉及主动式单位像素有机电激发光二极体的驱动技术，稳定提供电流的时间，延长显示面板的使用时间。

背景技术

有机电激发光显示器(Organic Light-Emitting Diodes，OLED)根据驱动方式可分为被动式OLED(Passive Matrix OLED；PMOLED)与主动式OLED(Active Matrix OLED；AMOLED)。在主动驱动方式下，OLED并不需要驱动到非常高的亮度，即可达到较佳的寿命表现，以及高分辨率的需求。因此，OLED结合薄膜晶体管(TFT)实现主动式驱动OLED技术，可符合对目前显示器市场上对于画面播放的流畅度，以及分辨率越来越高的要求，充分展现OLED上述的优越特性。

由于OLED材料在发光效率上的不断改进，于是使用非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)元件作为驱动OLED的平台已不再是遥不可及。另外a-Si TFT的制作过程与设备相对成熟，因此可以提供较低的制造成本，大大降低主动式OLED的成本。

虽然a-SiTFT有低成本的绝对优势，但若要将a-Si TFT应用在驱动OLED上，仍有技术上的难题需要克服，其中有两个目标需要达到：一为提高a-Si TFT元件的稳定性(Stability)，二为增加a-SiTFT元件的电流驱动能力(Capability)。

传统驱动电路技术如图1所示，是传统显示面板的单位像素驱动电路的示意图。每单位像素(Pixel)为2T1C(两个TFT晶体管与一个电容)的电路结构，使用的开关及驱动晶体管皆为N通道(N-channel)a-Si TFTs，其中驱动晶体管12的漏极接至电压源Vdd，源极接至有机发光二极体14的阳极，有机发光二极体14的阴极则耦接至系统的低电位Vss(例如接地成0电位)。此外，开关晶体管11的栅极接入扫描信号Vscan，源极接入数据信号Vdata，且开关晶体管11的漏极耦接至驱动晶体管12的栅极以及储存电容13的一端，而储存电容13的另一端则耦接至参考电位Vref。

基本动作原理为：通过扫描信号Vscan控制开关晶体管11导通后，会使数据线上代表影像灰阶数据的数据信号Vdata输入至储存电容13的一端，用来控制驱动晶体管12的栅极，而驱动晶体管12在不同的栅极电压Vg下会产生不同的栅-源极电压Vgs(即Vg-Vs)，使驱动晶体管12产生不同大小的驱动电流I_D。若要使驱动晶体管12能产生驱动电流I_D，则驱动晶体管12的栅-源极电压Vgs必须大于驱动晶体管12的临界电压值Vth。

然而，上述单位像素电路在操作长时间情况时，有机发光二极体14的驱动电压V_OLED会随着时间而变大，如图2所示。因此会造成该驱动晶体管12的偏压条件减少，进而降低驱动电流I_D的输出，间接导致流经该有机发光二极体14的电流量减少，如图3所示。该有机发光二极体14与驱动电流I_D关系式可以表示如下：

$I_D=\frac{1}{2}k{(\mathrm{Vgs}-\mathrm{Vth})}^2---\left(1\right)$

$I_D=\frac{1}{2}k{(\mathrm{Vg}-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vth})}^2---\left(2\right)$

又Vs＝V_OLED+Vss    (3)

$I_D=\frac{1}{2}k{(\mathrm{Vg}-V_{\mathrm{OLED}}-\mathrm{Vss}-\mathrm{Vth})}^2---\left(4\right)$

其中，k为薄膜晶体管的特性常数，Vg＝Vdata，而V_OLED为跨过有机发光二极体14的驱动电压。由上述公式(4)可看出，当驱动电压V_OLED随长时间开启而变大时，流经该有机发光二极体14的驱动电流I_D随之变小，进而影响有机发光二极体14的发光条件，亮度随之降低，影响显示质量。

另外，若将前述驱动方式应用在a-Si TFT所组成的驱动电路时，当驱动晶体管12因长期开启，将会在驱动晶体管12的栅-源极电压Vgs上持续建立大于零的电压，即对驱动晶体管12而言，栅-源极电压Vgs是一直维持在正偏压(Positive Stress)的情况，这会造成a-Si TFT元件特性的劣化，驱动晶体管12的临界电压值Vth会无法维持原值而随着时间增大，产生正向偏移，无法维持长时间的稳定电流输出，如图4所示。当临界电压值Vth增加时与该驱动电压V_OLED相同，流经该有机发光二极体14的驱动电流I_D随之变小，使该有机发光二极体14无法维持原有的亮度，影响显示质量。

为解决上述传统单位像素驱动电路的缺点，美国专利US6,677,713中披露了一种单位像素的驱动电路，其电路结构是利用两个开关晶体管(第一开关晶体管21、第二开关晶体管22)、以及一个驱动晶体管23和一个储存电容24的搭配，作为该驱动有机发光二极体25的组合，如图5所示。其中该第一开关晶体管21的栅极接收第一扫描频率VscanA；而该第二开关晶体管22的栅极接收第二扫描频率VscanB，且该第二开关晶体管22的漏极接收低电压Vref2。而且，该第二扫描频率VscanB与该第一扫描频率VscanA相同，但是该第二扫描频率VscanB对该第一扫描频率VscanA有延迟时间ΔT(在一个图框时间内)，如图6所示。

该专利主要是增加开关晶体管，通过信号控制的方式进行负压回火(Negative Bias Annealing)的动作，使该驱动晶体管23的临界电压值Vth特性变异问题可以获得改善。但在该专利技术中，当增加该第二开关晶体管22对该驱动晶体管23进行特性改善时，必需增加一条扫描信号线(VscanB)及低电压线(Vref2)进行控制，使单一像素内的走线增加，造成像素开口率的降低，使显示质量下降。另外该专利并未考虑到该有机发光二极体25的驱动电压V_OLED特性变化影响，当显示时间增加，该驱动电压V_OLED会随着时间而变大，进而造成驱动电流下降，使发光亮度跟着下降。

另外，美国专利US 6,680,580也披露了一种单位像素的驱动电路，如图7所示，其电路结构除传统结构的开关晶体管31、驱动晶体管33与储存电容34外，另外增加了控制晶体管32。该控制晶体管32的源极接到共用电压Vcom，漏极则接至该有机发光二极体35的阳极端。而且该开关晶体管31与该控制晶体管32的栅极同时接收该扫描频率Vscan。

其中该共用电压Vcom包括高电压准位与低电压准位，如图8所示，以一频率交替变化，且该共用电压Vcom的高准位比系统的低电位Vss大，而低准位比系统的低电位Vss小。当开关晶体管31与该控制晶体管32被该扫描频率Vscan同时控制而开启时，该数据信号Vdata可输入影像数据电压与关闭负电压两者中的一个。当共用电压Vcom处于低准位时，其关闭负电压输入，用以关闭该驱动晶体管33与该有机发光二极体35。

该专利主要是利用控制晶体管32的加入，将共用电压Vcom信号施加给该驱动晶体管33的源极，由此避免该驱动晶体管33的栅-源极端跨压和有机发光二极体35的驱动电压V_OLED特性变化。也利用一个图框时间，进行影像数据的显示，再利用下一个图框时间，对所有面板上的驱动晶体管33进行负压回火，以有效抑制该驱动晶体管33的临界电压值Vth特性变动的问题。

但是，该专利虽然了改善驱动电压V_OLED特性变化对于像素电路可靠性的影响，但当控制晶体管32被开启时，该驱动晶体管33的源极电压Vs并无法完全等于共用电压Vcom，主要原因是该控制晶体管32的漏-源极间的阻抗问题必需被考虑。由于该驱动晶体管33的电流此时被引导改流至该控制晶体管32，假如该控制晶体管32的元件尺寸过小，则阻抗问题变得严重，即会造成该源极电压Vs无法等同于共用电压Vcom。而且不同电流流过该控制晶体管32时，该源极电压Vs也会有所不同。虽然可加大该控制晶体管32的元件尺寸可解决节点Vs准位的问题，但这样却会降低该像素的开口率，导致发光亮度受到影响。而且，此专利对该驱动晶体管33的临界电压值Vth变异问题进行抑制时，需要利用一个图框时间来进行负压回火，这样显示影像亮度与质量会下降。

美国专利US 6,756,741中的电路结构同样是利用三个晶体管和一个储存电容的搭配，以驱动有机发光二极体，如图9所示。该第一开关晶体管41与第二开关晶体管42的栅极同时接入该扫描信号Vscan；该第一开关晶体管41与驱动晶体管43的漏极则同接到电压源Vdd。而且，该第一开关晶体管41的源极则接至该驱动晶体管43的栅极及该储存电容44的一端；该第二开关晶体管42的源极则接入该数据信号Vdata；该储存电容44另一端则和该第二开关晶体管42的漏极、该驱动晶体管43的源极以及有机发光二极体45的阳极端相接。

该专利主要是通过该第一及第二开关晶体管41、42的使用，让跨压在驱动晶体管43两端的Vgs偏压＝Vdd-Vdata，此时该驱动晶体管43会产生驱动电流流经该有机发光二极体45进行发光动作。由此，可以避免驱动电压V_OLED特性变异所造成的影响。

但是，当该第二开关晶体管42在扫描信号Vscan为高准位(High)时，该数据信号Vdata传送影像数据至该储存电容44的一端。此时，第二开关晶体管42和有机发光二极体45均呈电阻性负载，当有静态电流持续通过该第二开关晶体管42时，会造成实际传送的影像数据到该储存电容44端有误差存在，致使输入影像数据和显示影像结果会有不同的情形产生。而且，该专利并未改善该驱动晶体管43的临界电压值Vth变异问题，驱动晶体管43的临界电压值Vth会无法维持原值而随着时间增大，产生正向偏移，无法维持长时间的稳定电流输出。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种驱动电路及其控制方法，适合于使用非晶硅薄膜晶体管作为对有机发光二极体的驱动用途。解决当有机发光二极体在长时间工作下，该驱动电压特性的增加，使该驱动电压可维持一定值；以及，避免非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)基板当作面板电路设计时，该a-Si TFT元件长时间工作会迅速劣化的特性，维持a-Si TFT元件长时间电流输出的稳定，延长面板寿命并提高显示质量。

根据本发明的有机电激发光二极体的驱动电路，包括：开关晶体管，具有耦接至扫描线的栅极、耦接至数据线的源极、以及漏极；控制晶体管，具有耦接于所述扫描线的栅极、以及耦接至电压源的漏极；驱动晶体管，具有与所述开关晶体管的漏极连接的栅极、耦接至所述电压源的漏极、以及源极；储存电容，其一端耦接至所述开关晶体管的漏极与所述驱动晶体管的栅极之间、另一端耦接至所述驱动晶体管的源极；以及有机发光二极体，具有耦接至所述驱动晶体管的源极的阳极、以及耦接至驱动电路的低电位的阴极。

根据本发明的有机电激发光二极体的驱动电路的驱动方法，是以一个图框为一个时间单元，当扫描信号为高准位时，则该开关晶体管及控制晶体管同时会被开启，此时，数据信号线会输入影像数据至该储存电容一端，而该电压源传送低准位至该储存电容的一端，此低位准须避免有机发光二极体在数据储存过程进行发光误操作；接下来，当扫描信号为低准位时，该储存电容已维持住该影像灰阶值的数据信号，使该影像灰阶值的数据信号不会随该有机发光二极体的特性变异而有误差出现。经过一段时间，该电压源会由低准位上升至高准位，此时该驱动晶体管开始提供电流流经该有机发光二极体，使该有机发光二极体进行发光动作。

本发明利用该电压源由低准位提高至高准位时，对该驱动晶体管的寄生电容产生电源脉波馈入(Power Pulse Feed-through)，由此补偿该驱动晶体管供给电流的时间稳定性，延长显示面板的使用时间。

附图说明

图1是传统显示面板的单位像素驱动电路的示意图。

图2示出图1的驱动电压随使用时间的变化。

图3示出图1的驱动电流随使用时间的变化。

图4示出图1的驱动晶体管的临界电压随使用时间的变化。

图5是美国专利US 6,677,713单位像素内的驱动电路图。

图6示出图5的扫描频率的时序关系。

图7是美国专利US 6,680,580单位像素内的驱动电路图。

图8示出图7配合输入电压的时序的时序控制关系。

图9是美国专利US 6,756,740单位像素内的驱动电路图。

图10是本发明的单位像素内的驱动电路图。

图11是本发明相对应的控制信号时序示意图。

图12是本发明的驱动结构示意图。

图13是本发明的电路元件的寄生电容示意图。

具体实施方式

有关本发明的详细内容及技术说明，现参照附图说明如下：

本发明提供一种驱动有机电激发光二极体(二极管)的设计，可应用于结合了非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)与有机发光二极体(OLED)的主动驱动有机电激发光显示器(AMOLED)。请参照图10，是本发明的单位像素的电路结构，该电路结构包括：开关晶体管110，该开关晶体管110的源极端和数据线220耦接，其漏极端耦接至驱动晶体管130的栅极端和储存电容140的一端。该开关晶体管110的栅极端是与扫描线210及控制晶体管120的栅极端相接。而且，该驱动晶体管130的漏极端和该控制晶体管120的漏极端共同接至一个电压源Vdd。该驱动晶体管130的源极端和有机发光二极体150的阳极端、控制晶体管120的源极端、以及该储存电容140的另一端共同接合于一个节点。该有机发光二极体150的阴极端接至驱动电路的低电位Vss。

其中该开关晶体管110、控制晶体管120与驱动电晶130体是N导电型(N-type)薄膜晶体管。

本发明的驱动方式请参照图11，是根据图10的电路配合输入的控制信号时序关系。显示器的操作是以一个图框为一个时间单元，在图框中会有一些对应的扫描线210被启动，该扫描线210配合图框的大小会以一频率提供扫描信号Vscan，该扫描信号Vscan输入于该开关晶体管110与控制晶体管120的栅极，以控制开启这些晶体管110、120。当扫描信号Vscan为高准位时，此时该开关晶体管110及控制晶体管120同时会被开启，该数据线220上具有影像不同灰阶值的数据信号Vdata会通过该开关晶体管110输入至该储存电容140的一端。另一方面，该电压源Vdd通过该控制晶体管120传送低电压准位至该储存电容140的另一端(也就是该控制晶体管120、驱动晶体管130的源极端及该有机发光二极体150的阳极端)，此电压源Vdd的低电压准位阶段是用于避免该有机发光二极体150在影像数据储存过程中进行发光误操作。接下来，当扫描信号Vscan为低准位时，该开关晶体管110及控制晶体管120均会呈关闭状态，不过，此时该储存电容140已维持住该影像灰阶值的数据信号Vdata，使该影像灰阶值的数据信号Vdata不会随该有机发光二极体150的特性变异而有误差出现。经过一段时间，该电压源Vdd会由低电压准位上升至高电压准位，则此时该驱动晶体管130开始提供电流I_D流经该有机发光二极体150，使该有机发光二极体150进行发光动作。

其中该电压源Vdd的高电压准位比该驱动电路的低电位高，而该电压源Vdd的低电压准位与该驱动电路的低电位相等或比该驱动电路的低电位为低。

请再结合图12，本发明的驱动结构特征在于将一个图框时间分割为两部分，即该电压源Vdd的低电压准位与高电压准位的交换频率是以一个图框为一周期而变化，以驱动该有机发光二极体的不发光/发光状态，达到图框反相操作。且该低电压准位与高电压准位的比例关系，与数据写入与画面显示时间的比例关系相等。图框的前阶段为扫瞄阶段Ts，用于当该电压源Vdd为低电压准位时，显示面板上所有像素将所需影像的数据信号Vdata存入该储存电容140内；其后阶段为显示阶段Td，当该电压源Vdd为高电压准位时，使面板所有像素开始进行发光动作。

在本发明提出的驱动结构模式下，该电压源Vdd在显示面板的扫描周期内为低电压准位，而在结束扫描周期进入发亮周期时，该电压源Vdd会从低电压准位变为高电压准位。该电压源Vdd的电压变化过程中，由于电路元件本身具有寄生电容(C_gd1、C_gd3及C_OLED)存在，如图13所示。且该驱动晶体管130提供足够大的驱动电流I_D供该有机发光二极体150进行发光，所以该驱动晶体管130的元件尺寸会被设计得较大，导致该驱动晶体管130的寄生电容值C_gd3也随之变大，造成该驱动晶体管130的栅极端耦合电位增加，所以原本该驱动晶体管130栅极端与该储存电容140耦接处的电位V_N将增加值为“正向偏移量ΔV_N”。所以原传统电路结构中TFT元件在长时间工作下会产生临界电压值Vth正向偏移的问题，本发明中可由该电压源Vdd所产生的正向偏移量ΔV_N来作为临界电压值Vth正向偏移的抑制量，进而延长面板的寿命及显示质量。其正向偏移量ΔV_N推导如下所示：

Q_charge＝C_gd1(V_N-Vg₁₁₀)+C_gd3(V_N-Vdd)+C₁₄₀(V_N-V_P)

Q_dicharge＝C_gd1(V_N’-V_g110’)+C_gd3(V_N’-Vdd’)+C₁₄₀(V_N’-V_P’)

又Q_charge＝Q_dicharge

∴C_gd1V_N-C_gd1V_g110+C_gd3V_N-C_gd3Vdd+C₁₄₀V_N-C₁₄₀V_P＝C_gd1V_N’-C_gd1Vg₁₁₀’+C_gd3V_N’-C_gd3Vdd+C₁₄₀V_N’-C₁₄₀V_P’

C_gd1ΔV_N-C_gd1ΔVg₁₁₀+C_gd3ΔV_N-C_gd3ΔVdd+C₁₄₀ΔV_N-C₁₄₀ΔV_P＝0

ΔV_N＝(C_gd1ΔVg₁₁₀+C_gd3ΔVdd+C₁₄₀ΔV_P)/(C_gd1+C_gd3+C₁₄₀)

其中C_gd1为该开关晶体管110的寄生电容，C_gd3为该驱动晶体管130的寄生电容，V_N为该驱动晶体管130栅极端的电位，V_P为该驱动晶体管130源极端的电位，C₁₄₀为该储存电容140。而且，当同时考虑临界电压值偏移量ΔVth及正向偏移量ΔV_N，且代入驱动电流关系式(公式(4))，可得

$I_D=\frac{1}{2}k{(\mathrm{Vgs}+{\mathrm{\ΔV}}_N-(V_{\mathrm{th}}+{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{th}}))}^2$

随着使用时间的增加，虽然该驱动晶体管130的临界电压值Vth会随之升高，但只要对该电压源Vdd进行外部控制，可随面板使用时间逐渐增加电压的大小，提供ΔV_N增加量。其中，该ΔV_N增加量可近似于该临界电压值正向偏移值ΔVth，可达到降低因临界电压值Vth增加所造成显示亮度下降的现象。

综合上述，本发明在传送该电压源Vdd的低准位信号至该驱动晶体管130的源极端时，该驱动晶体管130不会有静态电流产生，因此，该控制晶体管120漏-源极间的阻抗问题，并不会使该低准位信号送到该驱动晶体管130的源极端时有失真情形产生，所以设计上不需要考虑该控制晶体管120的元件尺寸大小，因此，与现有技术所提的电路相比较，本发明加入的第三个晶体管可以最小化，无须考虑阻抗因素，以提高或维持像素的开口率。另一方面，本发明在a-Si TFT元件临界电压值Vth正向偏移的补偿方式上，是利用部份图框时间做扫描动作，部份图框时间作显示操作，在电源供应线由扫描周期的低准位提高至发亮周期的高准位时，通过该驱动晶体管130的寄生电容C_gd3，对储存电容140产生电源脉波馈入(PowerPulse Feed-through)，所产生的电位正向偏移量ΔV_N值。可补偿该驱动晶体管130供给电流的时间稳定性，延长显示面板的使用时间。

本发明只需调变该电压源Vdd的时序变化，即可同时达到避免有机发光二极体特性变异影响，以及避免显示亮度受到影响。且在补偿a-Si TFT的临界电压值Vth正向偏移方面，不需要加入额外的控制信号线，所以本发明不会有信号线占据额外的发光面积，影响显示区域开口率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。在上述实施例中，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有机电激发光二极体的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括：

开关晶体管(110)，具有：栅极，耦接至扫描线(210)；源极，耦接至数据线(220)；以及漏极；

控制晶体管(120)，具有：栅极，耦接于所述扫描线(210)；以及漏极，耦接至电压源(Vdd)；

驱动晶体管(130)，具有：栅极，与所述开关晶体管(110)的漏极连接；漏极，耦接至所述电压源(Vdd)，以及源极；

储存电容(140)，其一端耦接至所述开关晶体管(110)的漏极与所述驱动晶体管(130)的栅极之间、另一端耦接至所述驱动晶体管(130)的源极；以及

有机发光二极体(150)，具有：阳极，耦接至所述驱动晶体管(130)的源极；以及阴极，耦接至驱动电路的低电位(Vss)。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述开关晶体管(110)、控制晶体管(120)与驱动晶体管(130)分别为N导电型薄膜晶体管。

3.一种有机电激发光二极体的驱动方法，其特征在于：

所述驱动方法驱动的电路包括电压源(Vdd)，所述电压源具有低电压准位与高电压准位，且准位以一频率交替变化；

其中，当所述电压源(Vdd)处于低电压准位时，开关晶体管(110)与控制晶体管(120)被扫描信号(Vscan)同时控制而开启，使数据信号(Vdd)储存至储存电容(140)的一端，而所述储存电容(140)的另一端为所述电压源(Vdd)的低电压准位，使有机发光二极体(150)不发光；

当所述电压源(Vdd)处于高电压准位时，所述高电压准位驱动有机发光二极体(150)进行发光。

4.根据权利要求3所述的驱动方法，其特征在于，所述电压源(Vdd)的低电压准位与高电压准位的交换频率是以一个图框为一周期而变化，以驱动所述有机发光二极体(150)的不发光/发光状态，达到图框反相操作。

5.根据权利要求4所述的驱动方法，其特征在于，所述电压源(Vdd)的低电压准位与高电压准位的比例关系，与数据写入与画面显示时间的比例关系相等。

6.根据权利要求3所述的驱动方法，其特征在于，所述电压源(Vdd)的高电压准位高于所述驱动电路的低电位，且所述电压源(Vdd)的低电压准位与所述驱动电路的低电位相等。

7.根据权利要求3所述的驱动方法，其特征在于，所述电压源(Vdd)的高电压准位高于所述驱动电路的低电位，且所述电压源(Vdd)的低电压准位低于所述驱动电路的低电位。

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