CN101884061B - 具有控制电路的led显示器 - Google Patents

Abstract

一种用于控制LED显示器像素的有源矩阵电路，其包括控制电路，该控制电路响应于控制信号，在帧周期中将亮度值存储在存储电路中。驱动电路响应于存储电路，控制通过LED的电流以便以由亮度值决定的亮度级发射光。连接到存储电路的亮度值降低电路在帧周期中提供存储电路中存储的亮度值的受控降低。

Description

具有控制电路的LED显示器

技术领域

本发明涉及固态显示装置以及存储和显示像素值和图像的手段。

背景技术

采用发光像素的固态图像显示装置是众所周知的并且被广泛使用。例如，OLED装置以无源矩阵结构和有源矩阵结构以及顶部发射体设计和底部发射体设计用于平板显示器。用于OLED显示器的控制电路在本领域中也是众所周知的，并且包括压控方案和流控方案。

常规无源矩阵OLED显示器利用驱动器使电流在固定周期(也称为帧或帧周期)流过OLED元件，在该固定周期中，OLED发光元件以特定亮度发射光。对OLED元件的逐行或列供电，并且以足以避免出现闪烁的速率刷新整个OLED显示器。例如，2003年4月24日公开的题为“System and Method for Providing Pulse Amplitude Modulation for OLEDDisplay Drivers”的WO2003/034389描述了一种用于有机发光二极管显示器的脉冲宽度调制驱动器。视频显示器的一个实施方式包括用于提供所选电压以驱动视频显示器中的有机发光二极管的电压驱动器。电压驱动器可以从校正表接收电压信息，该校正表对老化、列电阻、行电阻以及其它二极管特性做出解释。

相反，有源矩阵电路对于显示器中的各发光元件采用单个电路的二维阵列。有源矩阵电路提供用于存储后来用于控制驱动电路以提供流过发光元件(也称为像素或子像素)的电流的值(通常为电容器上的电荷)的控制机制。如这里所使用的，不考虑颜色或者与其它发光元件的分组，各发光元件都被认为是一个像素。例如，参照图12，用于驱动LED 10的有源矩阵像素电路包括控制晶体管12，其响应于诸如选择信号14和数据信号16的控制信号。当启动选择信号14时，控制晶体管12被导通，并且数据信号16向存储电容器20提供电荷。随后通过停用选择信号14使控制晶体管12截止。存储电容器20上存储的电荷使驱动晶体管22导通，以与电容器20上存储的电荷相当的电平向LED 10提供电流。参照图13A，像素可以在第一帧周期T₁期间以亮度级L₁发射光，而在第二帧周期T₂期间以第二亮度级L₂发射光。亮度的变化被观察者感知为图像的变化，例如，场景中的运动。

在现有技术中的常规平板显示器中，通常以足够高的速率周期性地刷新显示信号，以表现视频流的连续帧中的流畅运动。对于监视器，刷新速率通常是每秒30、60、70、75、80、90或100帧，而对于电视，刷新速率通常是每秒50或60帧。因此，在常规平板显示器中，以适合于应用的选定刷新速率更新电荷存储电容器20中的电荷。

通常以限定帧周期的刷新速率(例如，30Hz或60Hz)刷新各像素的亮度值。选择足够短的帧周期，使得当像素的亮度值变化时提供运动错觉。如所公知的，因为在帧周期中图像是静止的，而观察者的眼睛可能在显示器上进行跟踪，将图像曝光在视网膜的不同部分上，所以这样的有源矩阵电路会在观察者中造成运动模糊。通过缩短刷新周期(即，以更高频率进行刷新)可以降低该模糊。但是，这样的方案问题在于采用了更高频率的信号，这提高了驱动器的成本并且加剧了用于将电荷存储在各像素位置的控制线中的传输线效应。可替换地，例如，通过仅在帧时间的一部分中发射更亮的光可以缩短像素发射光的各帧期间的时间。如果帧周期足够短，则将不会感知到闪烁。参照图13B，在第一帧周期T₁中，可以控制像素在周期T₁的一半中发射两倍光2L₁，同样，在周期T₂的一半中以两倍的亮度级2L₂发射光。在相关方案中，显示器的多个部分可以显示滚过显示器的黑条。然而，这些方案还需要更高频率的控制，这些控制提高了成本并且对于具有更长控制线的更大显示器来说是成问题的。

可以采用公知的脉冲宽度调制技术来控制显示器像素，如图13B所示。而且，由于OLED显示器中的一个非均匀性源来自有源矩阵设计中采用的薄膜驱动晶体管的阈值开关特性中的变化，因此，改善有源矩阵OLED显示器中的均匀性的一种方法是采用与电荷存储控制技术形成对照的脉冲宽度调制技术。这些脉冲宽度调制技术这样工作：以最大电流和亮度对OLED进行特定第一时间量的驱动，然后在同一帧时间内使OLED截止第二时间量。如果第一时间量和第二时间量的和足够小，则观看者将不会感知到由周期性地导通和截止OLED产生的闪烁。通过改变导通OLED的时间量与截止OLED的时间量的比来控制OLED元件的亮度。

使用脉冲宽度调制来控制OLED显示器的多种方法是公知的。例如，2004年10月26日授权的题为“Gray scale pixel driver for electronic displayand method of operation therefore”的美国专利6,809,710公开了一种用于驱动图形显示器中的OLED的电路。该电路采用连接到以开关模式工作的OLED的端子的电流源。该电流源响应于选择性设置的周期电压信号和周期变幅电压信号的组合。当导通时，设计并且优化电流源，以向OLED提供OLED达到最大亮度所需的电流量。当截止时，电流源阻止向OLED提供电流，为OLED显示器提供均匀黑色电平(black level)。通过调制提供给OLED的电流的脉冲宽度，从而改变向OLED提供电流的时间长度，来控制OLED的视亮度(apparent luminance)。

通过在电流源处使用开关工作模式，该电路能够采用更大的电压范围来控制电流驱动OLED显示器中的亮度值。但是，使用电流驱动电路是复杂的，并且需要大量空间用于显示装置中的各像素。

还有公知用于在单个电路中提供脉冲宽度控制和可变电荷存储控制的方法。题为“Drive circuit for active matrix light emitting device”的美国专利6,670,773提出了一种与OELD元件并联的晶体管。但是，所描述的技术从OELD转移驱动电流，从而降低了电路的工作效率。其它设计采用与OLED元件串联的电路元件，用于控制或测量OLED元件的性能。例如，2004年4月29日公开的题为“Active Matrix OrganicElectroluminescent Display Device”的WO 2004/036536说明了一种具有与OLED元件串联的附加元件的电路。但是，当与OLED元件串联设置时，晶体管将增加驱动OELD元件所需的总电压，或者可能以其它方式增加OLED元件所使用的总功率，或降低OLED元件可用的电流范围。

在2006年8月8日授权的Cok的美国专利7,088,051中，公开了一种具有可变控制的脉冲宽度调制方案，并且通过引用的方式将其全部并入于此。该公开描述了一种用于在帧时间内控制像素亮度的手段；但是，需要外部控制，从而增加了成本并且降低了装置的孔径比。

因此，需要具有简化并且灵活设计的用于有源矩阵OLED装置的经改进的控制电路。

发明内容

根据一个实施方式，本发明的目的在于一种用于控制LED显示器像素的有源矩阵电路，该有源矩阵电路包括：

a)控制电路，其响应于控制信号，在帧周期中将亮度值存储在存储电路中；

b)驱动电路，其响应于所述存储电路，控制通过LED的电流以便以由亮度值决定的亮度级发射光；以及

c)连接到所述存储电路的亮度值降低电路，其在所述帧周期中控制在所述存储电路中存储的亮度值的降低。

附图说明

图1是示出了本发明的组件的框图；

图2是示出了本发明的一个实施方式的电路图；

图3是示出了本发明的另一个实施方式的电路图；

图4是示出了本发明的另一个实施方式的电路图；

图5是示出了本发明的一个替代实施方式的电路图；

图6是示出了根据本发明的一个实施方式的像素亮度的时间图；

图7是示出了根据本发明的另一个实施方式的像素亮度的时间图；

图8是示出了根据本发明的一个实施方式的像素亮度并且包括数字控制信号的更详细的时间图；

图9是示出了根据本发明的一个实施方式的像素亮度并且包括数字控制信号的更详细的时间图；

图10是示出了根据本发明的一个实施方式的像素亮度并且包括模拟控制信号的更详细的时间图；

图11是示出了根据本发明的一个实施方式的电路元件和框图的电路图；

图12是现有技术的有源矩阵像素电路图；

图13A和图13B是示出了根据现有技术中公知的控制方法的像素亮度的时间图；

图14是示出了根据本发明的一个实施方式的显示系统的框图；以及

图15是示出了根据本发明的一个实施方式的方法的流程图。

本发明提供了具有简化的控制结构同时提供改进的性能的OELD控制装置。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的一个实施方式，用于控制LED显示器像素的有源矩阵电路8包括：控制电路30，其响应于控制信号15，在帧周期中将亮度值存储在存储电路32中；驱动电路34，其响应于存储电路32，控制通过LED 10的电流以便以由亮度值决定的亮度级发射光；以及连接到存储电路32的亮度值降低电路36，其在帧周期中控制在存储电路32中存储的亮度值的降低。亮度值的受控降低可以是模拟的或数字的并且可以是连续的或非连续的。但是，如这里所采用的，受控降低优选地具有至少两种状态，例如导通和截止。本发明不包含的脉冲宽度调制方案中采用了这样的双态控制。如这里所采用的，存储电路中亮度值的受控降低将亮度值从第一非零值改变为第二更小值，然后改变为小于第二值的第三值。该第三值可以但不是必定为零。

参照图2，在本发明的一个示例性实施方式中，(图1的)控制电路30或驱动电路34分别被例示为在基板上形成的晶体管12或22；例如，由低温多晶硅、晶体硅或非晶硅制成。存储电路32可以是用于存储代表亮度值的电荷的电容器20。在这种情况下，亮度值降低电路36可以随时间减少电容器20中存储的电荷。在另一个实施方式中，如图2所示，亮度值降低电路36是与电容器20并联连接的电阻器24。图1的V_dd是电压源，并且该电路被例示为具有地电压基准，尽管其它基准电压可以用于各种电路元件。参照图11，结合图2的元件给出了对图1的元件(用虚线表示)的说明。

在图3中所示的一个替代示例性实施方式中，亮度值降低电路36是晶体管26，该晶体管26与电容器20并联连接并且响应于降低控制信号40以控制电容器20中的电荷随时间减少的速度。

在图4中所示的本发明的另一个示例性实施方式中，响应于降低控制信号40的降低控制电路38连接到亮度值降低电路36，以控制亮度值降低电路36降低亮度值的速度。如图4所示，降低控制电路38包括降低控制晶体管28，该晶体管28与电阻器24(包括亮度值降低电路36)串联，以响应于降低控制信号40控制流过电阻器24的电流。降低控制信号40可以直接控制降低控制晶体管28(未示出)，或者降低控制信号40可以通过逆变器42从选择信号14(用虚线示出)取得，使得当选择信号14不是有效时，仅降低亮度值。参照图5，这样的逆变器42可以包括逆变晶体管44。因此，对于进行受控亮度值降低外部控制不是必需的，如图2和图5中所示。

工作时，像素电路将电荷存储在存储电路中，如参照上述图12所描述的。当电容器20被充电时，驱动晶体管22被相应地导通，以提供从电源信号V_dd通过驱动晶体管22和LED 10流到阴极地电压的电流，从而使LED发射对应于电容器16上的电荷的光量。但是，根据本发明，一旦亮度值存储在存储电路中，并且驱动电路正在使LED发射光，则例如通过电阻器(如图2中所示)或通过晶体管(如图3中所示)进行放电来减小亮度值。进行放电的速度取决于电阻和电容器值的选择(如图2中所示)或采用的控制机制(如图3中所示)。放电可以是连续的并且指数的或者可以具有某个其它递减曲线。参照图6，结果可以是：LED的亮度随时间在刷新周期T₁内从亮度级T₃减小到零；并且在第二刷新周期T₂内从亮度级T₄减小到零。注意，为了维持与现有技术的有源矩阵电路明显类似的亮度(如图13A所示)，亮度曲线之下的面积优选地应当是相同的。LED装置的平均亮度被认为是在刷新周期所发射的总光量。因此，T₃将大于T₁，正像T₂在图13B中一样。如图6所示，存储周期一结束(即，当停用选择信号时)，亮度值的受控降低就开始，没有明显延迟。没有明显延迟是指当停用选择信号并且启动任何控制信号40(如果有的话)时，受控降低就开始。

如图7所示，与选择像素电路在存储电路中存储电荷相比，通过采用外部降低控制信号40来控制亮度降低的时刻，例如通过在刷新周期的一部分T_s时间内阻止任何亮度降低来控制亮度发射的轮廓(profile)。如上所述，为了维持恒定的亮度感知，曲线之下的总面积优选地应当恒定。因此，初始亮度级L₅小于L₃(对于第一刷新周期T₁)，并且初始亮度级L₆小于L₄(对于第二刷新周期T₂)。在这种情况下，亮度值的受控降低被延迟直到停用选择信号后的某个时间为止。

图6和图7的说明没有将亮度值存储在存储电路中所需要的时间包括在刷新周期中。因为存储电路通常但不是必须为存储电荷的电容器，因此，由于电阻器的阻抗增加和随后的传输线损耗，任何放电机制(例如，电阻器)都可以减小存储电荷的速度。因此，通过采用在刷新周期中的电荷存储部分期间停用的晶体管，可以减小或避免这样的传输线损耗，从而提高在各像素电路中存储亮度值的速度。

参照图8，在刷新周期T₁或T₂的一部分T_C中在存储电路中存储电荷。该部分T_C对应于选择信号有效状态，如用示出的选择信号线所示。降低控制信号A示出了降低控制信号的对应逆变时刻。例如，如果期望更复杂的控制，则通过延迟亮度降低可以采用图9的降低控制时刻B。图8和图9都采用数字降低控制信号。但是，本发明还可以采用模拟控制，如图10所示。通过控制亮度值降低过程，实现各种亮度降低轮廓。

根据本发明的各种实施方式，不需要与LED元件本身串联的控制晶体管(串联元件将增加驱动LED所必须的电压(V_dd)，从而降低系统效率)，或与LED并联的电流转移晶体管(并联元件转移电流，从而降低系统效率)，同时仍提供在单个周期内以降低的亮度级驱动有源矩阵LED元件的手段。

如所公知的，如果观察者的眼睛试图在整个显示装置屏幕上跟踪移动对象，则如在现有技术的有源矩阵OLED显示装置中可以找到的存储-保持电路可能导致感知模糊。通过调制存储电路中的亮度值以缩短OLED发射光的时间长度，可以减小该模糊效果。由于根据本发明的由像素所输出的亮度比在常规有源矩阵控制方案中实际上衰减得更快，因此当观察者的眼睛移过视野时，减小了随时间保持恒定亮度的模糊效果。可以采用本发明，以更简单地减小这样的显示装置中的运动伪影(artifact)。

公知的是，在平板显示器中，基板上形成的晶体管可以具有可变性能，尤其是可变阈值电压。本发明具有的附加优点在于对于刷新周期的一部分(例如，T_s)，驱动晶体管可以处于饱和驱动状态。这样的饱和状态(晶体管能够工作的最大值)通常更少地经受制造可变性(variability)的影响，因此，显示器可以在刷新周期的该部分期间提供更均匀的表现。因此，在本发明的附加实施方式中，驱动晶体管响应于存储电路的亮度值对于某些但不是所有的刷新周期处于饱和状态。

在现有技术的典型脉冲宽度调制方案中，对于周期的取决于数据的可变部分，以恒定的高亮度驱动LED。在该方案中，每周期至少两次写入数据，以再次导通和截止LED。该方案还要求使用大的LED驱动电流(这缩短了材料的寿命)，以及采用复杂并且非常高速率的控制信号来控制可变脉冲宽度。可变脉冲宽度被控制在周期的至少256分之一内，以支持8位灰度级显示器。这很难实现。因此，本发明的另一个优点是简化控制。例如，可以仅一次写入数据。

还可以采用本发明来补偿OELD元件的工作特性中的变化。由于使用了OLED，所以它们的效率下降并且电阻增加。通过相对于刷新周期的第二部分在刷新周期的第一部分内控制亮度降低，该装置发射更多的光，从而补偿OLED元件的减小的光输出效率。因此，在本发明的另一个示例性实施方式中，采用降低控制信号，以补偿OLED材料老化。还可以采用本发明，以通过单个地调节降低控制信号来改变由像素在刷新周期中发射的总光量来补偿均匀变化。

参照图14，本发明可以用于显示器100中，该显示器100具有多个发光像素108，各像素包括响应于电流来发光的发光元件；以及控制发光元件的相应有源矩阵像素驱动电路(例如，对应于图1)。这些发光像素108以行和列组织，并且向它们提供的控制信号每次驱动多个行或列。各像素驱动电路可以包括控制电路，该控制电路响应于控制信号，将亮度值存储在存储电路中。还包括驱动电路，该驱动电路响应于存储电路，控制通过LED的电流以便以由亮度值决定的亮度级发射光。此外，亮度值降低电路连接到存储电路，随时间降低在存储电路中存储的亮度值。响应于输入信号104，可以用由控制器102提供的信号106(包括功率和控制信号)驱动显示器100。

降低控制信号可以共同连接到所有LED元件，使得单个控制结构操作所有的调制电路。可替换地，多个独立的降低控制信号用于多个组OLED。例如，这些组可以包括在彩色显示器中发射特定颜色光的所有LED元件。由于不同的LED材料用在彩色显示器中发射不同的颜色并且以不同的速度老化，因此有利的是单独地控制各LED彩色元件分组。通常，数据和选择控制信号每次刷新显示器中的多个行或列。可以采用对这些行或列进行循环的相同方法，来控制调制信号，使得每次一行或一列地更新共同连接到调制信号的各LED，并且使LED发射光的时间量相同。

使用常规数字逻辑控制方法可以构造适用于本发明的LED控制器。可以使用常规设计来施加电路控制信号。参照图15，这样的控制器通过以下处理实现了在帧周期内降低显示装置的亮度的方法：在步骤200中采用LED像素控制信号将亮度值存储在存储电路中，来控制通过LED的电流以便以由亮度值决定的亮度级发射光，并且在步骤202中通过采用连接到存储电路以降低在存储电路中存储的亮度值的亮度值降低电路来控制在帧周期内的亮度值的降低。

在优选实施方式中，本发明用在发射型显示器中，该显示器包括由小分子或聚合有机发光二极管(OLED)构成的OLED，如在1988年9月6日授权给Tang等人的题为“Electroluminescent Device with ModifiedThin Film Luminescent Zone”的美国专利4,769,292和在1991年10月29日授权给VanSlyke等人的题为“Electroluminescent Device with OrganicElectroluminescent Medium”的美国专利5,061,569中所公开的，但并不限于上述专利。本领域技术人员可以获得OLED材料和结构的许多组合和变型，并且可以用来制造根据本发明的OLED显示装置。在可替换的实施方式中，利用无机发光材料(例如，磷光晶体(phosphorescent crystal)或多晶半导体母体内的量子点)来应用本发明。

部件列表

8有源矩阵控制电路

10发光二极管

12控制晶体管

14选择信号

15控制信号

16数据信号

20电容器

22驱动晶体管

24电阻器

26亮度值降低晶体管

28降低控制晶体管

30控制电路

32存储电路

34驱动电路

36亮度值降低电路

38降低控制电路

40降低控制信号

42逆变器

44逆变晶体管

100显示器

102控制器

104信号

106信号

108发光元件

200存储亮度值步骤

202降低亮度值步骤

Claims (15)

1.一种用于控制LED显示器像素的有源矩阵电路，该有源矩阵电路包括：

a）控制电路，其响应于控制信号，在帧周期中将亮度值存储在存储电路中；

b）驱动电路，其响应于所述存储电路，控制通过LED的电流以便以由所述亮度值决定的亮度级发射光；

c）连接到所述存储电路的亮度值降低电路，其在所述帧周期中控制在所述存储电路中存储的亮度值的降低；以及

降低控制电路，其响应于降低控制信号并且连接到所述亮度值降低电路，以控制所述亮度值降低电路降低所述亮度值的速度；

其中，所述降低控制电路是降低控制晶体管，其中所述存储电路是用于存储代表所述亮度值的电荷的电容器，所述亮度值降低电路是与所述电容器并联连接的电阻器，并且所述降低控制晶体管与所述电阻器串联连接以响应于所述降低控制信号控制流过所述电阻器的电流。

2.根据权利要求1所述的有源矩阵电路，其中所述控制电路或驱动电路是在基板上形成的晶体管。

3.根据权利要求1所述的有源矩阵电路，其中所述亮度值降低电路随时间减少在所述电容器中存储的电荷。

4.根据权利要求3所述的有源矩阵电路，其中所述亮度值降低电路是晶体管，该晶体管与所述电容器并联连接并且响应于控制信号以控制所述电容器中的电荷随时间减少的速度。

5.根据权利要求1所述的有源矩阵电路，其中所述控制信号包括用于控制所述控制电路的选择信号，并且所述降低控制信号是所述选择信号的反转信号。

6.根据权利要求5所述的有源矩阵电路，其中所述降低控制电路进一步包括逆变器。

7.根据权利要求6所述的有源矩阵电路，其中所述逆变器是逆变晶体管。

8.根据权利要求1所述的有源矩阵电路，其中在所述存储电路中存储所述亮度值之后，所述亮度值降低电路开始控制在所述存储电路中存储的亮度值的降低，而没有明显延迟。

9.根据权利要求1所述的有源矩阵电路，其中在所述存储电路中存储所述亮度值之后，所述亮度值在小于所述帧周期的第一时段内保持在恒定值，然后在所述第一时段结束时降低。

10.根据权利要求1所述的有源矩阵电路，其中在所述存储电路中存储所述亮度值之后，所述亮度值持续降低。

11.一种显示装置，该显示装置包括：

a）在基板之上形成的多个发光像素，各像素包括响应于电流而发光的发光二极管LED和用于向所述LED提供电流的像素驱动电路，各像素驱动电路还包括：

i）控制电路，其响应于控制信号，将亮度值存储在存储电路中；

ii）驱动电路，其响应于所述存储电路，控制通过LED的电流以便以由所述亮度值决定的亮度级发射光；以及

iii）连接到所述存储电路的亮度值降低电路，其随时间降低在所述存储电路中存储的亮度值；以及

降低控制电路，其响应于降低控制信号并且连接到所述亮度值降低电路，以控制所述亮度值降低电路降低所述亮度值的速度；

其中，所述降低控制电路是降低控制晶体管，其中所述存储电路是用于存储代表所述亮度值的电荷的电容器，所述亮度值降低电路是与所述电容器并联连接的电阻器，并且所述降低控制晶体管与所述电阻器串联连接以响应于所述降低控制信号控制流过所述电阻器的电流。

12.根据权利要求11所述的显示装置，其中所述LED是有机发光二极管。

13.根据权利要求11所述的显示装置，其中所述LED是无机发光二极管。

14.根据权利要求13所述的显示装置，其中所述无机LED是多晶半导体母体中的量子点。

15.一种在帧周期内降低显示装置的亮度的方法，该方法包括以下步骤：

a）采用LED像素控制信号来将亮度值存储在存储电路中，以控制通过LED的电流以便以由所述亮度值决定的亮度级发射光；以及

b）通过采用连接到所述存储电路的亮度值降低电路以降低所述存储电路中存储的亮度值来控制所述亮度值在帧周期内的降低；以及

c）响应于降低控制信号并且连接到所述亮度值降低电路的降低控制电路以控制所述亮度值降低电路降低所述亮度值的速度，

其中，所述降低控制电路是降低控制晶体管，其中所述存储电路是用于存储代表所述亮度值的电荷的电容器，所述亮度值降低电路是与所述电容器并联连接的电阻器，并且所述降低控制晶体管与所述电阻器串联连接以响应于所述降低控制信号控制流过所述电阻器的电流。

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