CN102956197A - 硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制驱动电路 - Google Patents

硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制驱动电路。它由像素单元电路连接参考电流产生电路构成。该像素驱动电路包括驱动晶体管、2个开关晶体管、存储电容、有机发光二极管。其中，第一开关晶体管的漏极接列驱动信号，栅极接行驱动信号，源极接第二开关晶体管的栅极，第一开关晶体管在行驱动信号选通情况下，将列驱动信号写入存储电容，第二开关晶体管的漏极接有机发光二极管的阳极，源级接驱动晶体管的漏极，通过存储电容的信息控制第二开关晶体管的导通状态，驱动晶体管的栅极接参考电流产生电路的参考电压，源级接正电源，参考电压为像素驱动单元提供一个稳定精确的外部输入电压。

Description

硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制驱动电路
技术领域
本发明涉及一种硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制驱动电路，尤其涉及硅基有机发光二极管微显示器的像素单元电路及其驱动特性。
背景技术
硅基有机发光二极管（OLED-on-Silicon，Organic Light Emitting Diode on Silicon）是一种新型微显示技术，该技术将有机发光二极管与单晶硅集成电路结合，具备两者的组合优势。OLED具有低功耗、自发光、宽视角、工艺简单、成本低、温度适应性好、影响速度快等优点，是当今世界上备受瞩目的新型显示技术。
微型显示器指的是在一个尺寸小于1英寸的介质材料（硅基材料）上制作有上百万个甚至更多的可发光像素显示器件。微型显示器适用于头盔显示器，立体显示器，眼镜式显示器等，也可以作为移动终端显示器，目前主要用于军事领域，具有非常重要的军事价值。该微显示技术也将在虚拟显示、头戴式显示、便捷计算机、手机等领域与LED、LCD等形成竞争格局。微型显示器有许多优点：体积小，薄型而轻巧，整机可做成便捷式，电压低，没有X射线辐射，没有闪烁抖动，不产生静电，不会有碍健康，功耗低。
有机发光二极管材料作为刚投入市场不久的新型材料，在微显示器设备方面的应用非常少。在有机发光二极管微显示技术方面，国外对本国有一定的技术封锁。目前，大部分OLED像素驱动电路并未对OLED衰退进行补偿。当OLED微显示器长时间显示亮度、高对比度的静态画面后，由于不同OLED像素衰退不同，因此发光亮度衰减存在较大差异，若更新画面就可以观察到残影现象，原来发光亮度高的区域衰减较快，发光亮度偏暗，而原来发光亮度较低的区域衰减较慢，发光亮度偏亮。近年来，对OLED衰退补偿的研究吸引了越来越多的人参与。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制驱动电路，有效解决硅基有机发光二极管微显示器长时间显示亮度、高对比度的静态画面后，更新后观察到残影现象，从而使硅基有机发光二极管微显示器的发光亮度均匀性显著提高。 
为达到上述目的，本发明的构思是：硅基有机发光二极管（OLED-on-Silicon，Organic Light Emitting Diode on Silicon）的衰退特性主要是由于长时间发光亮度不均使用之后，产生一个大小不一的内阻，致使用到一定程度之后产生残影，但根据OLED发光特性，若能控制通过OLED的电流保持一定，长时间使用之后虽然会产生一个大小不一的内阻，但是OLED的发光亮度依然趋于一致，在长时间显示亮度、高对比度的静态画面后，OLED依然能保持发光亮度高均匀性。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路包括，由一个像素单元电路连接一个参考电流产生电路构成，其特征在于：
所述像素单元电路包括第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2、存储电容C1和驱动晶体管T3；
所述第一开关晶体管T1：漏极接列驱动信号data，栅极接行驱动信号sel，源极接第二开关晶体管T2的栅极并经存储电容C1连接电源Vdd，第一开关晶体管T1在行驱动信号sel选通情况下，将列驱动信号data写入存储电容C1；
所述第二开关晶体管T2：漏极接有机发光二极管OLED的阳极，源级接驱动晶体管T3的漏极，通过存储电容C1的信息控制第二开关晶体管T2的导通状态；
所述存储电容C1：电容的A端接第一开关晶体管T1的源极和第二开关晶体管T2的栅级，另一端接电源Vdd；
所述驱动晶体管T3：栅极接参考电流产生电路的参考电平Vref（D点），源级接电源Vdd；
所述硅基有机发光二极管OLED：阴极接负电源Vcom；在第二开关晶体管T2导通时，与驱动晶体管T3串联，使硅基有机发光二极管OLED工作在合适发光亮度；
所述参考电流产生电路包括第四驱动晶体T4、第五驱动晶体管T5、第六驱动晶体管T6、第七驱动晶体管T7、第八驱动晶体管T8和电流源Iref；
所述第四驱动晶体管T4：栅极接第三驱动晶体管T3的栅极，源级接正电源Vdd，漏极与栅极相连并接第七驱动晶体管T7的漏极；
所述第五驱动晶体管T5：源极接地，栅极接第六驱动晶体管T6的栅极和漏极，漏极接第七驱动晶体管T7的源极；
所述第六驱动晶体管T6：源极接地，栅极并上漏极接第八驱动晶体管T8的源极；
所述第七驱动晶体管T7：栅极接第八驱动晶体管T8的栅极和漏极，并接在电流源的一端；
所述第八驱动晶体管T8：源极接第六驱动晶体管T6的漏极和栅极；
所述电流源Iref：提供电流给第八驱动晶体管T8的漏极；
所述参考电流产生电路为像素单元电路提供一个参考电平Vref，该电平用来驱动驱动晶体管T3控制硅基有机发光二极管OLED的发光亮度；当行驱动信号sel为低电平时候，开关晶体管T1导通，将列驱动信号data的数据保存在存储电容C1中，当存储电容C1中保存的值为0，则将开关晶体管T2导通，驱动晶体管T3驱动OLED发光，当存储电容C1中保存值为1，则将开关晶体管T2关闭。
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2和驱动晶体管T3采用金属-氧化层-半导体-场效晶体管、多晶硅薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管、氧化锌基薄膜晶体管和有机薄膜晶体管中的任意一种。 
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述像素单元电路能够产生电流脉宽调制波形，用于数字驱动方式对其像素单元电路进行控制；硅基有机发光二极管能够支持工作电流范围从1nA到10uA，根据不同的像素驱动单元面积，在OLED两端驱动电压不断变化的同时，调节电流源Iref，使OLED依然能够工作在合适的发光亮度下，能够调节合适的Vref值，根据设计要求完成像素驱动单元的设计；Vref为像素驱动单元提供一个驱动电压，Vref的产生通过共源共栅电流镜得到，或者外接固定电压源或有源电流镜得到。
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，像素驱动单元可以通过2个开关晶体管（T1、T1’）或2个以上的开关管将data信号传输到第二开关管T2的栅极，即A点，2个开关晶体管都采用相同结构的P型或N型晶体管，W和L可达到晶体管工艺最小尺寸。
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述第二开关晶体管T2采用P型晶体管结构，W和L可达到晶体管工艺最小尺寸。Vcom的最低值由第二开关晶体管T2的耐压决定。根据第二开关晶体管T2的工艺，Vcom的调节范围可以从-10V到0V。正电压Vdd的调节范围可在3V到10V左右。
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述第三驱动晶体管T3采用P型晶体管结构，宽长比的不同选择影响了OLED的输出电流，也影响了OLED衰退补偿特性。宽长比的取值范围可从0.05到5。宽长比值越小，OLED的输出电流越小，衰退补偿特性越好。 
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述电容C1采用多晶-绝缘体-多晶PIP电容、金属-绝缘体-金属MIM电容、金属-氧化物-金属MOM电容或深沟道电容中任意一种。存储电容C1的取值范围为30ff到120ff，由设计像素驱动单元面积、灰度级和开关管T1的长度L决定。
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，①参考电流产生电路为像素驱动单元提供一个参考电平Vref驱动OLED工作，该参考电平的产生由一个共源共栅电流镜结构产生，共源共栅电流镜作为像素驱动单元的外部输入，为像素驱动单元的第三驱动管T3提供一个精确的参考电压Vref；②该参考电流产生电路也可直接通过固定电压源控制；③该参考电流产生电路也可由有源电流镜、自偏置低压共源共栅电流镜或其他电流镜结构替代，得到一个能够使OLED工作在合适发光亮度的像素驱动电压Vref。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：
第一，  本发明能够产生电流脉宽调制波形。
第二，本发明的像素单元电路对OLED衰退有补偿效果，在OLED长时间高对比度静态使用之后，能过使屏幕的亮暗均匀度一致化更好。
第三，本发明的像素单元电路同时采用了驱动管和放电回路，可以进一步减小信号上升时间与下降时间，加快扫描电路频率，支持更高的分辨率和灰度。
第四，本发明的像素单元电路的晶体管都采用P型晶体管，方便了版图的设计规划。
第五，在32bit数据位宽和100Mhz传输时钟下，支持1280×1024×RGB和4096级灰度。
附图说明
图1是本发明硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路的原理图。
图2是像素单元电路双管驱动结构。
图3、图4和图5是参考电流产生电路的电流镜多种结构。
图6是参考电流产生电路通过固定电压源控制。
图7是图1的信号时序图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一：
如图1所示，本硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路包括：像素单元电路（1）连接参考电流产生电路（2）。
所述像素单元电路（1）包括第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2、存储电容C1和驱动晶体管T3；
所述第一开关晶体管T1：漏极接列驱动信号data，栅极接行驱动信号sel，源极接第二开关晶体管T2的栅极并经存储电容C1连接电源Vdd，第一开关晶体管T1在行驱动信号sel选通情况下，将列驱动信号data写入存储电容C1；
所述第二开关晶体管T2：漏极接有机发光二极管OLED的阳极，源级接驱动晶体管T3的漏极，通过存储电容C1的信息控制第二开关晶体管T2的导通状态；
所述存储电容C1：电容的A端接第一开关晶体管T1的源极和第二开关晶体管T2的栅级，另一端接电源Vdd；
所述驱动晶体管T3：栅极接参考电流产生电路的参考电平Vref（D点），源级接电源Vdd；
所述硅基有机发光二极管OLED：阴极接负电源Vcom；在第二开关晶体管T2导通时，与驱动晶体管T3串联，使硅基有机发光二极管OLED工作在合适发光亮度；
所述参考电流产生电路（2）包括第四驱动晶体T4、第五驱动晶体管T5、第六驱动晶体管T6、第七驱动晶体管T7、第八驱动晶体管T8和电流源；
所述第四驱动晶体管T4：栅极接第三驱动晶体管T3的栅极，源级接正电源Vdd，漏极与栅极相连并接第七驱动晶体管T7的漏极；
所述第五驱动晶体管T5：源极接地，栅极接第六驱动晶体管T6的栅极和漏极，漏极接第七驱动晶体管T7的源极；
所述第六驱动晶体管T6：源极接地，栅极并上漏极接第八驱动晶体管T8的源极；
所述第七驱动晶体管T7：栅极接第八驱动晶体管T8的栅极和漏极，并接在电流源的一端；
所述第八驱动晶体管T8：源极接第六驱动晶体管T6的漏极和栅极；
所述电流源：提供电流给第八驱动晶体管T8的漏极；
所述参考电流产生电路（2）为像素单元电路提供一个参考电平Vref，该电平用来驱动驱动晶体管T3控制硅基有机发光二极管OLED的发光亮度。；
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2和驱动晶体管T3采用金属-氧化层-半导体-场效晶体管、多晶硅薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管、氧化锌基薄膜晶体管和有机薄膜晶体管中的任意一种。 
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路的驱动方法，当行驱动信号sel为低电平时候，开关晶体管T1导通，将列驱动信号data的数据保存在存储电容C1中，当存储电容C1中保存的值为0，则将开关晶体管T2导通，驱动晶体管T3驱动OLED发光，当存储电容C1中保存值为1，则将开关晶体管T2关闭。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述像素单元电路能够产生电流脉宽调制波形，用于数字驱动方式对其像素单元电路进行控制；硅基有机发光二极管能够支持工作电流范围从1nA到10uA，根据不同的像素驱动单元面积，在OLED两端驱动电压不断变化的同时，调节电流源Iref，使OLED依然能够工作在合适的发光亮度下，能够调节合适的Vref值，根据设计要求完成像素驱动单元的设计；Vref为像素驱动单元提供一个驱动电压，Vref的产生通过共源共栅电流镜得到，或者外接固定电压源或有源电流镜得到。
如图2所示，所述硅基有机发光二极管微显示器驱动电路还可采用：像素驱动单元能通过2个开关管（T1、T1’）或2个以上的开关管将data信号传输到开关管（T2）的栅极即（A点），2个开关管都采用相同结构的P型或N型晶体管，W和L可达到晶体管工艺最小尺寸。
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述第二开关晶体管T2采用P型晶体管结构，W和L可达到晶体管工艺最小尺寸。Vcom的最低值由第二开关晶体管T2的耐压决定。根据第二开关晶体管T2的工艺，Vcom的调节范围可以从-10V到0V。正电压Vdd的调节范围可在3V到10V左右。
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述第三驱动晶体管T3采用P型晶体管结构，宽长比的不同选择影响了OLED的输出电流，也影响了OLED衰退补偿特性。宽长比的取值范围可从0.05到5。宽长比值越小，OLED的输出电流越小，衰退补偿特性越好。 
所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，所述电容C1采用多晶-绝缘体-多晶PIP电容、金属-绝缘体-金属MIM电容、金属-氧化物-金属MOM电容或深沟道电容中任意一种。存储电容C1的取值范围为30ff到120ff，由设计像素驱动单元面积、灰度级和开关管T1的长度L决定。
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
如图3、图4、图5和图6所示，所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路中，①参考电流产生电路为像素驱动单元提供一个参考电平Vref驱动OLED工作，该参考电平的产生由一个共源共栅电流镜结构产生，共源共栅电流镜作为像素驱动单元的外部输入，为像素驱动单元的第三驱动管T3提供一个精确的参考电压Vref；②该参考电流产生电路也可直接通过固定电压源控制；③该参考电流产生电路也可由有源电流镜、自偏置低压共源共栅电流镜或其他电流镜结构替代，得到一个能够使OLED工作在合适发光亮度的像素驱动电压Vref。
当然，本领域的技术人员，还可以对本发明的硅基有机发光二极管像素驱动电路的结构以及驱动方式作适当变更，例如变更像素电路各个开关晶体管的种类（P型或者N型），将各个晶体管的源级和漏极的电连接关系互换等。
如上所述便可较好的实现本发明。
上述实例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路，由一个像素单元电路(1)连接一个参考电流产生电路(2)构成，其特征在于：
所述像素单元电路(1)包括第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2、存储电容C1和驱动晶体管T3；
所述第一开关晶体管T1：漏极接列驱动信号data，栅极接行驱动信号sel，源极接第二开关晶体管T2的栅极并经存储电容C1连接电源Vdd；第一开关晶体管T1在行驱动信号sel选通情况下，将列驱动信号data写入存储电容C1；
所述第二开关晶体管T2：漏极接有机发光二极管OLED的阳极，源级接驱动晶体管T3的漏极，通过存储电容C1的信息控制第二开关晶体管T2的导通状态；
所述存储电容C1：电容的A端接第一开关晶体管T1的源极和第二开关晶体管T2的栅级，另一端接电源Vdd；
所述驱动晶体管T3：栅极接参考电流产生电路的参考电平Vref（D点），源级接电源Vdd；
所述硅基有机发光二极管OLED：阴极接负电源Vcom；在第二开关晶体管T2导通时，与驱动晶体管T3串联，使硅基有机发光二极管OLED工作在合适发光亮度；
所述参考电流产生电路(2)包括第四驱动晶体T4、第五驱动晶体管T5、第六驱动晶体管T6、第七驱动晶体管T7、第八驱动晶体管T8和电流源Iref；
所述第四驱动晶体管T4：栅极接第三驱动晶体管T3的栅极，源级接正电源Vdd，漏极与栅极相连并接第七驱动晶体管T7的漏极；
所述第五驱动晶体管T5：源极接地，栅极接第六驱动晶体管T6的栅极和漏极，漏极接第七驱动晶体管T7的源极；
所述第六驱动晶体管T6：源极接地，栅极并上漏极接第八驱动晶体管T8的源极；
所述第七驱动晶体管T7：栅极接第八驱动晶体管T8的栅极和漏极，并接在电流源的一端；
所述第八驱动晶体管T8：源极接第六驱动晶体管T6的漏极和栅极；
所述电流源Iref：提供电流给第八驱动晶体管T8的漏极；
所述参考电流产生电路(2)为像素单元电路提供一个参考电平Vref，该参考电平Vref用来驱动驱动晶体管T3控制硅基有机发光二极管OLED的发光亮度；当行驱动信号sel为低电平时候，开关晶体管T1导通，将列驱动信号data的数据保存在存储电容C1中，当存储电容C1中保存的值为0，则将开关晶体管T2导通，驱动晶体管T3驱动OLED发光，当存储电容C1中保存值为1，则将开关晶体管T2关闭。
2.根据权利要求1所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路，其特征在于：所述第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2和驱动晶体管T3采用金属-氧化层-半导体-场效晶体管、多晶硅薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管、氧化锌基薄膜晶体管和有机薄膜晶体管中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路，其特征在于：像素驱动单元能通过2个开关晶体管（T1、T1’）或2个以上的开关管将data信号传输到第二开关晶体管T2的栅极，即A点，2个开关晶体管都采用相同结构的P型或N型晶体管，W和L可达到晶体管工艺最小尺寸。
4.根据权利要求1所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路，其特征在于：第二开关晶体管T2采用P型晶体管结构，W和L可达到晶体管工艺最小尺寸；Vcom的最低值由第二开关晶体管T2的耐压决定；根据第二开关晶体管T2的工艺，Vcom的调节范围可以从-10V到0V；正电压Vdd的调节范围可在3V到10V左右。
5.根据权利要求1所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路，其特征在于：第三驱动晶体管T3采用P型晶体管结构，宽长比的不同选择影响OLED的输出电流，也影响了OLED衰退补偿特性，宽长比的取值范围可从0.05到5；宽长比值越小，OLED的输出电流越小，衰退补偿特性越好。
6.根据权利要求1所述的硅基有机发光二极管微显示器电流脉宽调制像素驱动电路，其特征在于：所述电容C1采用多晶-绝缘体-多晶PIP电容、金属-绝缘体-金属MIM电容、金属-氧化物-金属MOM电容或深沟道电容中任意一种；存储电容C1的取值范围为30ff到120ff。
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