CN102971783A - 用于有源矩阵oled显示器的像素电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于布置在二维矩阵中的有机发光二极管的电路装置。该电路装置可尤其用于微型显示器。本发明的目的是使得能够广泛地影响有机发光二极管所发射的电磁辐射的亮度。可使用根据本发明的电路装置，通过存储电路（10）、读出放大器（20）和驱动电路（30）来驱动每个有机发光二极管（5）。驱动电路由至少三个串联的晶体管（1-3）和漏极连接到相应的有机发光二极管的阳极的另一输出晶体管（4）形成。在这种情况下，恒定工作电压LVDD施加到作为驱动器的晶体管（1）的源极且另一同样恒定的工作电压Vdrive施加到所述晶体管的栅极。第一晶体管（1）的漏极连接到与所述晶体管串联连接的紧随的晶体管（2）的源极。形成开关且紧随的串联连接的晶体管（2、3）的栅极连接到读出放大器的输出端且所述读出放大器的输出电压VSenseOut施加到所述栅极。形成开关的所述两个晶体管的漏极连接到输出晶体管（4）的源极，输出晶体管的栅极连接到地电位或负电压施加到该输出晶体管。

Description

用于有源矩阵OLED显示器的像素电路
技术领域
本发明涉及一种用于布置在二维矩阵中的有机发光二极管的电路装置。
背景技术
持续日益增多的信息系统和环境影响提供给人们要求的信息以及未要求的信息。在这方面，信息的移动显示已经变得越来越重要。在这方面，微型显示器（即，具有小于20mm或等于20mm的图像对角线的非常小的显示器）提供了以高分辨率以及以用户特定的方式（即，对于仅一个用户或多个用户）显示摄影信息和视频信息的可能性。微型显示器的应用领域可以被看作为近眼式应用领域。例如，它们包括可以连接到移动多媒体设备（智能手机或移动音频和视频播放器）的视频眼镜。这些视频眼镜可以被用于移动电视、视频显示或互联网内容显示。此外，微型显示器，可以被用于数码相机和/或摄像机，作为高分辨率电子取景器。
另一应用领域是增强现实。对于这些应用，微型显示器被安装在透明光学器件（眼镜）中。用户通过这些眼镜看到真实环境并且以图像、文字、图形等形式的附加信息可以通过微型显示器而叠加在此图像上。例如，这可以用在维修复杂的生产设备和机器，用于使组装说明书或总说明书渐显。在航空工程中，飞行员可以具有添加的不同测量仪器的显示。在医学上，可以将来自重要设备的数据额外地呈现给外科医生。此外，可以设想在军事部门的各种应用。
微型显示器的另一应用是微型投影仪，即，将图像和视频内容投射到平坦的表面上且将其可视地呈现给多个用户的非常小的投影仪。这种具有微型显示器的投影仪也可用在计量学中，用于将定义的图案投射到要检查的表面上以及用于随后的该表面的3D结构的光学检测。
投影应用和透视应用尤其需要非常高的亮度值（>10000Cd/m2）。与此相反，多媒体应用和视频眼镜需要相对低的亮度值（≤150Cd/m2）。应该可以利用作为基于有机发光二极管（OLED）的微型显示器的一个显示器来解决所有这些应用。在这方面，应该能够显示具有可在几个数量级上调节的亮度（从<100Cd/m2至10000Cd/m2以上）的高分辨率的图像信息。为此，需要延伸电流和电压的范围，这样的电路应该能够被控制。
目前，可用不同的微型显示器技术。在这方面，可以区分光调制（非发光）技术和发光技术。
光调制显示器包括基于LCOS（硅基液晶）的微型显示器和基于MOEMS（微光机电系统）的微型显示器。这些技术需要额外的外部照明，这增加了整体系统的复杂性、尺寸和重量，但同时只提供有限的对比度（通常<1∶100）。
创新的自发光平板显示器具有可以基于有机发光二极管（OLED）实现的许多优点。它们包括可能的大面积沉积，自发光特性，该自发光特性允许非常薄且低功率的显示器，以及该显示器的潜在的高效率。目前，OLED微型显示器配备了单色或宽带（白光）发射器。对于彩色OLED微型显示器，经常通过白光发射器和附加应用彩色滤光片来实现主显示颜色。
所有提及的技术由有源元件和无源元件（晶体管和电容器）组成。在这方面，每个有机发光二极管作为像素（图像元素）被其特有的集成电子电路所控制。在这方面，该像素电路被设计成可以利用图像信息以电压或电流形式来写入该像素电路。图像信息被储存在与有机发光二极管相关的电路中，且该电路利用电流或利用对应于所储存的图像信息的电压来驱动OLED。
在这方面，目前已经实现了以下概念：
1、编程具有模拟电流的各个有机发光二极管的电路，模拟电流的幅值与待被显示的图像信息的灰度值成正比。该模拟电流被转换成模拟电压且被储存在电容器中。所储存的电压被转换成对应于图像信息的电流。该电流影响各个有机发光二极管。在这方面，通过流经有机发光二极管的电流的幅值（模拟值）来设定亮度。通过相对较小的电流来实现灰度值/亮度层次。
2、电压可以存储在电容器中。在这方面，在与各个有机发光二极管相关的电路中，电压被转化成电流。该电流影响由有机发光二极管发射的电磁辐射的亮度。在这方面，通过流经有机发光二极管的电流的幅值（模拟值）来设定亮度。在这方面，根据1、）来实现灰度值。
3、可以使用模拟电压且将该电压储存在电容器上来实现用于有机发光二极管的电路的编程。可以使用所储存的电压或其幅值对应于该储存的电压的电压来操作有机发光二极管。通过施加于有机发光二极管的电压的幅值来设定亮度。可以通过相对较小的电压来实现灰度值/亮度层次。
4、可以使用数字电压且将这些数字电压/状态储存到电容器上来进行有机发光二极管的电路的编程。电容器的数量对应于像素的图像信息的位宽度（通常为5位，6位或8位）。通过恒定幅值的时间脉冲电流来控制有机发光二极管。在这方面，每一图像序列中的脉冲的数量对应于图像信息的位宽度。在这方面，脉冲的长度取决于位的值。根据与有机发光二极管相关的电路的各个存储电容器的数字状态，对于相应的脉冲的持续时间接通或断开流经有机发光二极管的电流。可以通过流经有机发光二极管的电流的幅值来设定所发射的辐射的亮度。灰度值/亮度层次受电流的脉冲宽度调制影响。在这方面，流经有机发光二极管电流的动态范围以及OLED上的最大电压降是有限的。
具有有机发光二极管的微型显示器的应用领域被限制在低亮度值（≤200Cd/m2）至中等亮度值（至5000Cd/m2），即，至具有个人信息显示的应用以及近眼式应用的领域。通过这样的微型显示器的最大可呈现亮度来限制应用领域。亮度取决于有机发光二极管的效率和电压要求、电路的电流和电压驱动能力。
没有解决方案是已知的，其中，具有有机发光二极管的微型显示器用于具有高的最大亮度值（≥10,000Cd/m2)的投影应用和透视应用，且使用与有机发光二极管相关的对应电路进行控制。
当前可用的OLED微型显示器的应用领域被限制为单向的图像再现微型显示器。根据DE 10 2006 030 541 A1，也可使用双向微型显示器，即，具有图像显示功能的和图像拍摄功能或光检测功能的微型显示器。
发明内容
本发明的目的是提供一种电路装置，该电路装置用于控制作为成像元件布置在二维矩阵中的有机发光二极管，利用该电路装置可以对由有机发光二极管所发射的电磁辐射的亮度产生大的影响。
根据具有权利要求1的特征的本发明的电路装置来实现这个目的。可以利用从属权利要求中指定的特征来实现本发明的有利的实施方式和进一步发展。
在根据本发明的用于布置在二维矩阵中的有机发光二极管的电路装置中，可以通过存储电路、读出放大器和驱动电路来分别控制每个有机发光二极管。
在这方面，驱动电路由至少三个串联连接的晶体管和一个另外的输出晶体管形成，该输出晶体管的漏极被连接到相应的有机发光二极管的阳极。在这方面，充当实际驱动器的晶体管具有施加在其源极的恒定的工作电压LVDD且另一同样恒定的工作电压Vdrive被施加到该晶体管的栅极。该晶体管的漏极连接到随后与该晶体管串联连接的晶体管的源极，形成开关且随后被布置成串联连接的晶体管的两个栅极被连接到读出放大器的输出端且具有施加到其上的输出电压VSenseOut。在这方面，电压VDrive是可调节的且模拟的且时间恒定的基准电压。此电压具有介于工作电压LVDD和接地电压之间的值。可以从用于具有有机发光二极管的显示器的整体电路直接传送该基准电压，也可以从外部供给该基准电压。它确定由有机发光二极管发射的电磁辐射的最大亮度，且对于显示器的发射光的每个原色可以进行不同的设置。
形成开关的两个晶体管的漏极被连接到输出晶体管的源极，该输出晶体管的栅极被连接到地电位或施加负电压到该输出晶体管。用于每个有机发光二极管的输出晶体管被布置在独立的电绝缘的基板槽中。在这方面，槽连接器和输出晶体管的源极彼此连接。
其源极被连接到作为驱动器的晶体管上的晶体管应是PMOS晶体管，且其栅极被连接到串联连接的第二晶体管的栅极且一起被连接到读出放大器的输出端的晶体管应是NMOS晶体管。
如果所形成的电路装置的所有元件为半导体衬底上的CMOS电路，则这是有利的。
另一晶体管可以布置在介于作为驱动器的晶体管和同样串联连接的一晶体管之间的驱动电路中，用于可能的断开而没有最初存储的图像信息的任何损失。所形成的该晶体管可以为PMOS晶体管。
电压可被施加到相应的有机发光二极管的阴极，该电压小于施加到串联连接且形成开关的第二晶体管的源极的电压，并且该电压小于被连接到有机发光二极管的阳极的输出晶体管的栅极的电压。
作为驱动器的晶体管的栅极可以连接到地电位，以使该晶体管可以同样地形成驱动电路的开关。在此操作模式中，驱动电路作为用于有机发光二极管的电压源。
可以以集成的实现方式在非常小的区域上制造作为CMOS电路的用于每个有机发光二极管的电路装置。该电路装置使显示器具有高分辨率。在这方面，图像的最大亮度（满标偏转）可以设置成几个数量级以上，从<100Cd/m2至远远超过10000Cd/m2。因此，该电路装置适合于投影应用的显示器和在非常明亮的环境（具有晴朗天空的外部区域、飞机驾驶舱等）中应用的显示器以及在非常暗的环境（夜间、与日光隔离的房间等）中应用的显示器。可以通过脉冲宽度调制来实现灰度值或颜色的显示，以使输入图像信号到显示图像的线性度不受最大亮度的变化的影响。图像信息可以以数字方式存储在与有机发光二极管相关的每个电路装置中。每一颜色和像素的分辨率取决于该实现方式且通常可以达到6位或8位或更多。
仅使用具有扩展的电压范围/耐受电压的单个晶体管（高压晶体管或中压晶体管）作为驱动器是有利的。此时，电压驱动能力是有机发光二极管上的在最大受控状态（最高亮度值）下的有机发光二极管中的电压和在黑暗状态（最低亮度值）下的有机发光二极管中的电压之间的最大允许的电压差。
在这方面，要考虑的参数可以是：
●在不影响线性度的情况下，驱动电路的电流的几个数量级以上（10的幂次方）的可调电流驱动能力；
●在不改变对于各个有机发光二极管所存储的内容的情况下，关闭整个显示器限定时间段的可能性。
附图说明
下文将以示例性方式更详细地描述本发明。
示出：
图1是具有有机发光二极管的微型显示器的示意性剖面图；
图2是控制二维地布置在矩阵中的有机发光二极管的示意性框图；
图3是发射具有不同波长的电磁辐射（即，不同的红色、绿色和蓝色）的有机发光二极管的示意性矩阵布置；
图4是发射具有不同波长的电磁辐射（即，不同的红色、蓝绿色和白色）的有机发光二极管的示意性矩阵布置；
图5是根据本发明的用于图像信息的电路装置的示例的框图，在每一种情况下可以用八位存储图像信息，其中，在存储电路中使用电容器以用于存储；
图6是根据本发明的用于图像信息的电路装置的示例的框图，在每一种情况下可以用八位存储图像信息，其中，在存储电路中使用晶体管以用于存储；
图7是用于各个有机发光二极管的图像信息的控制和存储的示意性布置；
图8是还可以用于各个有机发光二极管的图像信息的控制和存储的示意性布置；
图9是根据存储电路的读出驱动电路的工作电压的时间曲线；
图10是用于驱动电路的设计的示例；和
图11是对于在本发明中可被使用的驱动电路的另一示例。
具体实施方式
具有有机发光二极管5的微型显示器优选地设计成使得该微型显示器包括根据CMOS基板上的顶部金属平面上的电流流动而发射光的有机层（OLED）。它们可以被局部地激活，即，作为所谓的像素，其中，电流通过有机发光二极管5的电极局部地流经有机发光二极管5。负责控制每一个有机发光二极管5的有源元件和无源元件（作为规则晶体管和电容器）可以位于类似矩阵的像素单元布置中的电极下方。图1示出OLED微型显示器的示意性剖面图。
如图2所示，以行和列布置的用于有机发光二极管5的各个储存器通过对应的电路被写入。在这方面，通过电子控制机制接收图像输入数据。该电子控制机制转发数据给列驱动器，该列驱动器缓冲用于图像行的图像数据。随后，通过行驱动器选择待被写入的行且使用列驱动器中缓冲的图像数据写入待被写入的行。随后，根据这个原理，利用矩阵布置对应的图像内容编程该矩阵布置的所有行。随后，开始用于下面图像的第一行的图像数据的写入。
通常利用数字信号来实现图像数据从控制机构转移到列驱动器、列驱动器中的缓冲和矩阵的编程。
每个像素单元可以被划分为像素子单元，其中，每个像素子单元负责储存和显示显示器的一种原色。可以以图3和图4中所示的方式来实现原色的布置。然而，还可以设想其他实现方式。在这方面，每个像素子单元代表单个有机发光二极管5，且该有机发光二极管应当是单独可控的。
在这方面，用于控制每个有机发光二极管（像素子单元）5的每个电路装置都由三个电路部件组成。对于各个有机发光二极管5，它们是存储电路（像素储存器）10、读出放大器20和实际驱动电路30。因此，存储电路10包括与每个颜色所需的颜色深度（位）一样多的存储单元。通常，将有5、6或8个存储单元或5、6或8位颜色深度。图5示意性地示出用于各个有机发光二极管5或像素子单元的存储电路10。在这方面，存储电路10的各个存储单元都包括电容器和可以以晶体管来实现的两个开关。为了小型化，如图6所示，也可以以具有短路的漏极和源极的晶体管来实现电容器。此外，数据线和编程线结合，以使两条数据线（图5中的数据<0>和数据<1>和四条写入/编程线（写入<0>至写入<3>）用于每个有机发光二极管5。因此，对于每个有机发光二极管5，可以并行写入两个对应的存储单元，且对于给定的具有八位像素存储器的布置，图像行的写入被划分为四个编程阶段，在该四个编程阶段中通过编程线写入且激活相应的两个存储单元。
如图7所示，存储电路10和用于像素单元的对应的数据线和编程线的布置包括都具有八位颜色深度的三个有机发光二极管5。如图8所示，用于像素单元的布置包括都具有六位颜色深度的四个有机发光二极管5。在这方面，阴影矩形表示储存器，以及适用于存储电路10的对应的编程线（例如，W0）和对应的读出线（例如，E0）。
为了读出所储存的图像信息，使用根据图5的对于每个有机发光二极管5都存在的读出放大器20。本示例中的读出放大器20包括闭环逆变器21和闭环逆变器22，这两个逆变器可以通过形成开关的晶体管23和晶体管24而与工作电压电源（VSS和LVDD）分离。此外，可以利用电压Vpre通过作为开关的晶体管25和晶体管26（用信号Pre激活）对逆变器21和逆变器22的输入端和输出端进行预充电。在这方面，如图9所示（用图形说明），以三个阶段进行图像信息的读出。这三个阶段是预充电阶段、加载阶段和发射阶段。首先，使逆变器21和逆变器22与工作电压线路（LVDD和VSS）分离。然后，将节点VSenseIn27和节点VSenseOut28预充电至电压Vpre。随后，通过对应的（发射）开关来激活待被读出的存储电路10，从而使节点VSenseIn27处的电压在LVDD（具有储存的高值）的方向上升高，或在VSS（具有低值）的方向上降低。通过切换闭环逆变器21和闭环逆变器22处的工作电压，使读出放大器20倾斜成取决于储存值的两个稳定状态中的一种状态，从而使得来自之前读出的存储电路10的否定信号被施加到输出端VSenseOut，且可以同时更新存储电路10中的存储的值。
读出放大器20的输出信号激活用于有机发光二极管5的驱动电路30且发射电磁辐射（光）。在这方面，依次读出每个图像周期的所有位存储且显示相应的内容。根据对应的位值，发射阶段的持续时间将具有不同的长度。从而实现脉冲宽度调制的成像过程。在观察者的眼中，通过发射光的时间积分来重建实际的图像信息。
有机发光二极管5的存储电路10和读出放大器20仅包括低压晶体管（NMOS晶体管和PMOS晶体管），且需要两个工作电压线LVDD和VSS。在图10中以示例性设计示出用于有机发光二极管5的整体电路装置的第三部分，驱动电路30。驱动电路30包括两个低压PMOS晶体管MDrive1和MSwi2、低压NMOS晶体管MNSwi3和仅一个具有独立的槽连接器的中压或高压PMOS晶体管MMV4。驱动电路30仅需要工作电压线路LVDD和VSS以及用于整体显示的有机发光二极管5的阴极电压VCathode的共用供电。该驱动电路30的特殊功能是VCathode可以比VSS（接地）更具负极性。
图11示出本发明中可以使用的驱动电路30的第二变型。在这方面，以另一晶体管7的方式使用附加开关MGOff，所形成的晶体管7为低压PMOS晶体管且可以用于断开各自的有机发光二极管5。该另一晶体管7也被串联连接。
通过该晶体管7可以停用整个显示器而不丢失所存储的图像信息。例如，当附加的光学传感器（未示出）被集成在微型显示器芯片上且该光学传感器应当从微型显示器（以及有机发光二极管的透射光）光学地断开时，可以利用该停用功能，如在DE 10 2006 030 541 A1中所描述的；例如，这样的光学传感器可以为相机。
根据读出放大器20的输入电压信号VDriveIn（被连接到VSenseOut），可以区分整体电路装置的两种操作模式。
如果输入电压信号被连接到VSS（低），则驱动电路30被激活。在这种情况下，晶体管MNSwi3是高电阻的且晶体管MSwi2是导电的，并且电流IOLED可以从LVDD流经晶体管MDrive1、MSwi2和MMV4进入有机发光二极管5。在这方面，电流的幅值取决于电压VDrive且可以设置几十年。在这方面，由于可以通过最初描述的脉冲宽度调制来实现色阶/灰度级的表示，因此图像表示的线性度没有被影响。
如果输入电压信号连接到LVDD（高），则驱动电路30被停用。在这种情况下，晶体管MSwi2是高电阻的且晶体管MNSwi3是导电的。晶体管MNSwi3将节点VSMV切换到VSS且保护实际的电流源晶体管MDrive1和晶体管MSwi2免受浪涌电压（在这种情况下，为小于VSS的电压）。因此，仅有非常小的漏电电流可以流经晶体管MMV4（高电阻的）且流经有机发光二极管5的电流变得非常小以致有机发光二极管5不再点亮。因为电压VAnode接近电压VCathode，因此有机发光二极管5上的电压差（VAnode-VCathode）变得小于施加到具有电流流动的有机发光二极管5的电压。
当电压VDrive被切换到VSS时，存在一种特殊的工作情况。在这种情况下，晶体管MDrive1作为开关工作，驱动电路30作为用于有机发光二极管5的电压源工作，该驱动电路30在接通状态下提供电压LVDD。因此，驱动电路30可以相应地用作电流源和电压源。
驱动电路30可以控制有机发光二极管5处的最大电压差。该最大电压差的范围从断开状态下的0伏到接通状态下的（LVDD-VCathode）。在这方面，电压VCathode（小于0伏）可以与晶体管MMV4的允许的漏极传感器电压的最大量一样大。因此，根据CMOS技术的选择（以及根据对应的中压/高压选择），可以在有机发光二极管5处实现从接通状态到断开状态的电压冲程从5V直到15V。

Claims (7)

1.一种用于布置在二维矩阵中的有机发光二极管的电路装置，其中，可以通过存储电路（10）、读出放大器（20）和驱动电路（30）来控制每个有机发光二极管（5），其特征在于，所述驱动电路（30）由至少三个串联连接的晶体管（1、2和3）和另一输出晶体管（4）形成，所述输出晶体管的漏极被连接到相应的有机发光二极管（5）的阳极，在这方面，作为驱动器的所述晶体管（1）通过所述晶体管的源极处的恒定的工作电压LVDD和所述晶体管的栅极处的另一同样恒定的工作电压Vdrive而被激活；所述晶体管（1）的漏极被连接到与所述晶体管串联连接的紧随的晶体管（2）的源极，形成开关两个晶体管（2和3）的栅极被连接到所述读出放大器（20）的输出端且通过所述两个晶体管的输出电压VSenseOut而被激活；以及
形成开关的所述两个晶体管（2，3）的漏极被连接到所述输出晶体管（4）的源极，所述输出晶体管的栅极被连接到地电位或施加负电压到所述输出晶体管。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，源极被连接到作为驱动器的所述晶体管（1）的所述晶体管（2）是PMOS晶体管，栅极与所述晶体管（2）的栅极连接且一起连接到所述读出放大器（20）的输出端的所述晶体管（3）是NMOS晶体管。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，所形成的所述电路装置的所有元件为半导体衬底上的CMOS电路。
4.根据前述任一项权利要求所述的电路装置，其特征在于，另一晶体管（7）被布置在作为驱动器的所述晶体管（1）和串联连接的所述晶体管（2）之间，以断开所述驱动电路（30）。
5.根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，所述另一晶体管（7）被设计为PMOS晶体管。
6.根据前述任一项权利要求所述的电路装置，其特征在于，电压被施加到所述有机发光二极管（5）的阴极，且所述电压小于施加到所述晶体管（3）的源极的电压且小于施加到所述输出晶体管（4）的栅极的电压，所述输出晶体管（4）被连接到所述有机发光二极管（5）的阳极。
7.根据前述任一项权利要求所述的电路装置，其特征在于，作为驱动器的所述晶体管（1）的栅极被连接到地电位且所述晶体管（1）形成所述驱动电路（30）的开关。
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