CN104123909B - 像素电路、显示系统以及用于操作像素电路的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种像素电路、显示系统以及用于操作像素电路的方法。一种用于有源矩阵有机发光二极管显示系统的像素电路包括第一输入节点、第二输入节点、第一电源节点、第二电源节点、三极管开关电路、存储电容器、有机发光二极管以及阻性元件。所述三极管开关电路连接到所述第一和第二输入节点。所述存储电容器连接在所述三极管开关电路的输出端和所述第二电源节点之间。所述有机发光二极管连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第二电源节点之间。所述第一阻性元件连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第一电源节点之间。

Description

像素电路、显示系统以及用于操作像素电路的方法
技术领域
本领域一般地涉及有机发光二极管(OLED)显示器，更具体地说，涉及用于使用有源矩阵三极管开关驱动电路驱动OLED像素显示的电路和方法。
背景技术
一般而言，针对计算机和视频系统使用各种类型的显示设备，例如包括LCD(液晶显示器)设备和LED(发光二极管)显示设备。典型的显示设备包括多个显示元素或“像素”，它们以行和列排列以便在玻璃衬底上形成矩阵。有源矩阵背板(例如用于驱动OLED显示器的背板)通常在像素电路中包括薄膜晶体管(TFT)器件，这些器件用作切换和驱动组件。OLED响应于流过有机化合物的电流而生成光，该有机化合物是荧光或磷光化合物并且通过电子-空穴重组激发。某些已知的有源型OLED配置包括每像素两个、三个和四个TFT(2-TFT、3-TFT、4-TFT)。基于TFT的OLED根据与TFT所接收的显示图像对应的数据信号，使用该TFT控制流过OLED的电流量。基于TFT的有源OLED显示器具有各种缺点。
例如，TFT背板的成本是包括前板和封装的总体显示器成本的一个重要部分。实际上，TFT背板通常由低温多晶硅TFT形成，这些TFT能够传送大电流，因此产生明亮显示。但是，多晶硅TFT制造工艺成本高昂并且复杂，因为它需要许多(例如，九个)光刻蚀工艺(PEP)步骤以便制造TFT。此外，驱动OLED的TFT的操作可以随时间变化，从而导致用于驱动OLED的电流缺乏均匀性。例如，TFT的阈值电压可以随时间变化，这是由于驱动OLED设备时产生的电应力以及可以临时或永久改变TFT的阈值电压的其它因素或条件所致。因为OLED是电流驱动的元件，其中亮度依赖于流过OLED的电流量，所以如果驱动TFT未提供均匀电流，或者如果驱动电流随时间变化，则OLED显示器生成的结果图像的质量将下降。例如，驱动TFT的阈值电压增加将导致更少的电流通过OLED，从而降低OLED的亮度。
发明内容
本发明的各实施例通常包括用于有机发光二极管(OLED)显示器的像素电路，以及用于实现有源矩阵三极管开关电路以便驱动OLED显示系统的电路和方法。
在一个实施例中，一种像素电路包括第一输入节点、第二输入节点、第一电源节点、第二电源节点、三极管开关电路、存储电容器、有机发光二极管以及阻性元件。所述三极管开关电路连接到所述第一和第二输入节点。所述存储电容器连接在所述三极管开关电路的输出端和所述第二电源节点之间。所述有机发光二极管连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第二电源节点之间。所述第一阻性元件连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第一电源节点之间。
在本发明的另一个实施例中，一种有源矩阵显示系统包括控制电路、扫描电路、保持电路、形成mxn像素阵列的多个像素电路、连接到所述扫描电路的n个行选择线，其中所述像素阵列中的每行像素连接到同一个行选择线，以及连接到所述保持电路的m个数据线，其中所述像素阵列中的每列像素连接到同一个数据线。每个像素电路包括连接到数据线的第一输入节点、连接到行选择线的第二输入节点、第一电源节点、第二电源节点、连接到所述第一和第二输入节点的三极管开关电路、连接在所述三极管开关电路的输出端和所述第二电源节点之间的存储电容器、连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第二电源节点之间的有机发光二极管，以及连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第一电源节点之间的第一阻性元件。
在本发明的另一个实施例中，提供一种用于操作有源矩阵显示系统的像素电路的方法。所述方法包括：启动所述像素电路的编程时段，方式为：在所述编程时段期间激活所述像素电路的三极管开关电路，以在所述显示系统的数据线上将编程数据电压传输到所述像素电路的存储电容器；以及启动所述像素电路的照明时段，方式为：在所述像素电路的所述照明时段期间，停用所述像素电路的所述三极管开关电路以将所述存储电容器与所述数据线隔离，并将所述存储电容器从所述编程数据电压充电到使有机发光二极管接通的电压。
从以下结合附图阅读的详细描述，本发明的其它实施例将变得显而易见。
附图说明
图1是应用本发明的各实施例的有源矩阵OLED显示系统的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的有源矩阵OLED显示系统的像素电路的示意电路图；
图3是示出根据本发明的一个实施例的有源矩阵OLED显示器的像素电路的操作模式的时间图；
图4是示出根据本发明的一个实施例的操作有源矩阵OLED显示系统的方法的流程图。
具体实施方式
现在针对有机发光二极管(OLED)显示器，更具体地说针对用于使用有源矩阵三极管开关驱动电路驱动OLED显示器的电路和方法，进一步详细地描述本发明的各实施例。图1示意性地示出应用本发明的各实施例的有源矩阵OLED显示系统。一般而言，图1示出OLED显示系统10，其包括控制电路11、扫描电路12、保持电路13，以及形成有源矩阵显示板的mxn像素阵列的多个像素电路20(或像素)。有源矩阵OLED显示系统10包括连接到扫描电路12的多个(n个)选择(行)线(Y1、Y2、Y3、…、Yn)，其中每行像素20连接到同一选择线。有源矩阵OLED显示系统10还包括连接到保持电路13的多个(m个)数据线(X1、X2、X3、….、Xm)，其中每列像素20连接到同一数据线。
控制电路11接收和处理视频信号，并且将控制信号输出到扫描电路12和保持电路13，以便驱动有源矩阵像素阵列并针对视频信号中的每个图像数据帧生成图像。具体地说，响应于从控制电路11输出的控制信号，保持电路13将相应的数据信号输出到m个数据线(X1、X2、X3、….、Xm)中的每一个。此外，响应于从控制电路11输出的控制信号，扫描电路12生成扫描控制信号以便按顺序驱动n个选择线(Y1、Y2、Y3、…、Yn)并且按顺序激活每行像素。下面例如参考图4进一步详细地讨论图1的有源矩阵OLED显示系统10的操作模式。
与上面讨论的基于TFT的常规OLED像素电路相比，图1中所示的每个像素电路20实现有源矩阵三极管开关驱动电路(或“三极管开关电路”)以便驱动OLED元件。例如，图2是根据本发明的一个实施例的有源矩阵OLED显示系统的像素电路的示意电路图。具体地说，图2示出根据本发明的一个实施例的用于实现图1的有源矩阵OLED显示系统10中的像素阵列的像素电路20的一个实施例。如图2中所示，像素电路20包括连接到数据线的第一节点N1、连接到选择线的第二节点N2、连接到第一电源线(例如，VDD)的第三节点N3和连接到第二电源线(例如，GND)的第四节点N4。像素电路20还包括三极管开关电路21，三极管开关电路21包括第一二极管22、具有电阻RS的第一电阻器23以及第二二极管24。第一二极管22具有连接到第一节点N1的正极和连接到第五节点N5的负极。第二二极管24具有连接到第五节点N5的负极和连接到第六节点N6的正极。第一电阻器23连接在第二节点N2和第五节点N5之间。第一和第二节点N1和N2可以被视为像素电路20的输入节点，第六节点N6可以被视为三极管开关电路21的输出节点。
像素电路20还包括具有电阻RL的第二电阻器25、有机发光二极管(OLED)26和具有电容CS的存储电容器27。第二电阻器25连接在第三节点N3和第六节点N6之间。OLED26具有连接到第六节点N6的正极和连接到第四节点N4的负极。存储电容器27连接在第四和第六节点N4和N6之间。存储电容器27存储电压，以便在像素电路20的操作的编程和照明时段期间控制OLED26的操作，如下面描述的那样。
与上面讨论的基于TFT的常规像素电路相比，根据本发明的一个实施例，图2中所示的像素电路20使用二极管(具体地说，三极管开关21)驱动有源矩阵OLED显示系统中的OLED元件26(或其它电流驱动的器件)。在本发明的一个实施例中，向数据和选择线施加控制电压，以便实现图1的有源矩阵OLED显示系统10中的像素电路20的时序编程，其中基于在编程时段期间最初施加到节点N6的编程电压Vdata的大小，按照在“帧时间”或“帧时段”内OLED26“接通”的时间百分比来调制OLED26的照明时间。图3和4示出图1的有源矩阵OLED显示系统10中的图2的像素电路20的操作的时序编程模式。
具体地说，图3是示出根据本发明的一个实施例的图1的有源矩阵OLED显示器10中的像素电路20的操作模式的时间图。图3以图形方式示出给定像素电路20的节点N6上的电压VL，该电压VL随一个“帧时段”(即，从时间t0到t4)上的时间而变化。帧时段包括编程(或行)时段(即，从时间t0到t1)和照明时段(即，从时间t1到t4)。一般而言，在像素电路20的操作的编程时段期间，激活(接通)三极管开关电路21以便将节点N1(数据线)上的电压Vdata传输到节点N6，其中存储电容器27存储电压Vdata。为了进行比较，图3示出像素电路20的节点N6处的电压VL的两个电压波形30和32，每个电压波形分别具有不同的初始编程电压电平Vdata1和Vdata2，其中Vdata1和Vdata2为负值(<0V)，但其中Vdata2比Vdata1更小(更负)。
更具体地说，在给定像素电路20的初始编程时段期间，将施加到给定数据线的电压Vdata输入到节点N1处的给定像素电路20。在本发明的一个实施例中，在与不同灰度级别对应的预定负电压电平范围内，将电压Vdata设置为相对于第二电源节点的电压电平而言的给定负电压电平(例如，当第二电源节点被设置为0V的地(GND)电压时，小于0V)。在编程时段期间，向连接到给定像素电路20的选择线施加电压Vswitch，其中将电压Vswitch设置为低于与像素的最亮灰度级别对应的最低Vdata的电压电平。
在编程时段期间，因为Vswitch比Vdata更负，所以三极管开关电路21的二极管22和24都接通(即，三极管开关电路21接通)，并且相应节点N5和N6处的电压VS和VL被充电到Vdata(<0)。换言之，在编程时段期间，三极管开关电路21接通，从而将输入节点N1处的电压Vdata传输到三极管开关电路21的输出节点N6，由此存储电容器27被充电到负编程电压Vdata。在编程时段期间，因为通过电阻器25将二极管24连接到节点N3处的第一电源线VDD，所以二极管24处于接通状态。但是，因为节点N6处的电压VL为负，所以OLED26处于关断状态。
应该注意，在上面的描述中，为简单起见，假设跨二极管22和24的接通状态电压降可忽略。但是，实际上，接通状态电压降为非零(对于Sip-n结二极管约为700mV，对于Si肖特基二极管通常在200-400mV范围内)。假设跨二极管22和24的接通状态电压降的值分别表示为VON(22)和VON(24)。在编程时段期间，从输入节点N1传输到节点N5和N6的电压(Vdata)实际上分别为Vdata-VON(22)和Vdata-VON(22)+VON(24)。在典型的集成电路实现中，跨二极管22和24的接通状态电压降预计基本相同，因此传输到节点N6的电压基本等于节点N1上的电压Vdata。
接下来，在照明时段的开始(从时间t1开始)，停用(关断)三极管开关电路21，从而将节点N6与数据线(节点N1)隔离。具体地说，在编程时段结束时，将选择线上的电压Vswitch设置为大于OLED26的工作电压(VOLED)的值。例如，在本发明的一个实施例中，将电压Vswitch设置为VDD。因此，三极管开关电路21的二极管22和24都被反向偏置(关断状态)，直到帧时段结束时(当开始新编程时段时)。在三极管开关电路21的关断状态中，OLED26将与输入节点N1隔离，并且可以向数据线施加另一个编程电压Vdata，以便对不同像素行中的像素电路进行编程。
如果节点N6与输入节点N1隔离，如图3中所示，则在照明时段的开始(在时间t1)，节点N6上的电压VL开始以指数方式向上充电到OLED26的工作电压VOLED，其中OLED26的工作电压VOLED通常稍大于OLED26的阈值电压(Vth(OLED))。具体地说，在图2中所示的像素电路20中，如果节点N6与输入节点N1隔离，则电阻器25和存储电容器27提供连接在电源节点N3和N4(例如，VDD和GND)之间的RC电路，这导致节点N6上的电压VL从初始负编程电压Vdata以指数方式增加，并且充电时间取决于电路的RC延迟，该RC延迟基于电阻器25和存储电容器27的相应值RL和CS(即，τ＝RLCS)。
节点N6上的电压VL将以指数方式增加，直到电压VL达到OLED26的阈值电压Vth，在这种情况下OLED26接通。一旦节点N6上的电压VL达到OLED26的阈值电压Vth，OLED26就开始照明，并且节点N6上的电压VL将稍微增加到OLED26的稳态工作电压VOLED。流过处于稳态的OLED26的电流被确定为(VDD-VOLED)/RL。
在这种操作模式中，按时序确定给定像素电路20的亮度，其中给定像素电路20的平均亮度被确定为在帧时段内OLED26“接通”时间的一部分。具体地说，按时序确定给定像素电路20的亮度，即，OLED26照明的时间段与帧时段的比率乘以最大OLED亮度(这是对应于稳态OLED电流(VDD-VOLED)/RL的亮度)。在图2的像素电路20中，通过在编程时段期间增加施加到存储电容器27的编程电压Vdata的电平，增加OLED26的“接通”时间。例如，如图3中所示，响应于VL电压波形30，OLED26具有从时间t2到t4的“接通”时段，而响应于VL电压波形32，OLED26具有从时间t3到t4的更短“接通”时段。这是因为VL电压波形32开始的初始编程电压Vdata2比VL电压波形30的初始编程电压Vdata1更小(更负)，以便需要更长的时间将节点N6充电到OLED26的阈值电压。应该理解，在某些实施例中，在初始编程时段期间跨OLED26施加负电压用于在操作过程中减小OLED阈值电压的漂移。
图4是示出根据本发明的一个实施例的操作有源矩阵OLED显示系统的方法的流程图。具体地说，图4示出在具有图2中所示的像素电路框架的像素阵列中操作图1的有源矩阵OLED显示系统10的方法。从控制电路11处理的新图像数据帧开始(方框40)，保持电路13将在数据线(X1、X2、X3、….、Xm)上输出相应的Vdata值以便对第一行Y1像素20中的像素电路20进行编程(方框41)。接下来，扫描电路12通过将适当的电压Vswitch输出到第一选择线Y1来对第一行Y1像素中的像素电路20进行编程，以便激活第一行像素中的每个像素电路20中的三极管开关电路21，并使用在相应数据线上施加的相应Vdata值对像素进行编程(方框42)，例如上面参考图2和3讨论的。在第一行像素的编程时段结束时，停用第一选择线Y1(通过在选择线上施加适当的电压Vswitch(例如VDD))，以便“关断”第一行像素中的每个像素电路20中的三极管开关电路21，并且在第一行像素的帧时段的剩余时间内开始像素电路的照明时段(方框43)。如上面讨论的，在照明时段期间，每个像素具有的亮度基于在编程时段期间施加给该像素的初始编程电压Vdata的电平。
接下来，在第一行像素的照明时段期间，保持电路13基于从控制电路11输出的控制信号，将在数据线(X1、X2、X3、….、Xm)上输出相应的Vdata值以便对下一个顺序行像素(例如，第一行之后的第二行)中的像素电路20进行编程(方框44)。为了对下一个顺序行像素中的像素电路20进行编程，扫描电路12通过将适当的电压Vswitch输出到对应选择线的操作选择像素行，以便激活选定像素行中的每个像素20中的三极管开关电路21，并且使用在相应数据线上施加的相应Vdata值对像素进行编程(方框45)，例如上面参考图2和3讨论的。在对当前选定像素行进行编程的编程时段结束时，通过在选择线上施加适当的电压Vswitch(例如VDD)取消选择当前选定像素行，以便“关断”给定行的每个像素电路20中的三极管开关电路21，并且在该像素行的帧时段的剩余时间内开始像素电路的照明时段(方框46)。
如果当前帧存在更多行(方框47中的肯定判定)，则针对当前帧中的每个剩余行重复方框44、45和46的显示过程。一旦完全处理和显示当前帧(方框47中的否定结果)，就针对下一个新帧重复图4的过程(返回到方框40)。在本发明的一个实施例中，对于QVGA应用，图1的显示系统10可以具有256行像素，其中每行像素中的像素的编程时段约为64μs，并且帧时间约为16ms(其中64μ×256≈16ms)。
应该理解，图1中所示的控制电路、扫描电路和保持电路可以实现为具有各种模拟和数字电路的集成电路。具体地说，可以制造具有半导体结构和器件的集成电路管芯，这些结构和器件例如包括场效应晶体管、双极晶体管、金属氧化物半导体晶体管、二极管、电阻器、电容器、电感器等，从而形成模拟和/或数字电路，其中可以采用各种控制电路以便控制有源矩阵显示系统的操作。给予了在此提供的本发明的教导后，所属技术领域的普通技术人员将能够构想本发明的各实施例的其它实施方式和应用。
尽管参考附图在此描述了本发明的各实施例，但是应当理解，本发明并不限于这些精确的实施例，并且在不偏离所附权利要求的范围的情况下，所属技术领域的技术人员可以做出各种其它更改和修改。

Claims (16)

1.一种像素电路，包括：
第一输入节点、第二输入节点、连接到第一电源线VDD的第一电源节点以及连接到第二电源线GND的第二电源节点；
三极管开关电路，其连接到所述第一输入节点和所述第二输入节点；
存储电容器，其连接在所述三极管开关电路的输出端和所述第二电源节点之间；
有机发光二极管，其连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第二电源节点之间；以及
第一阻性元件，其连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第一电源节点之间。
2.根据权利要求1的像素电路，其中所述三极管开关电路包括：
第一二极管；以及
第二二极管，
其中所述第一二极管的正极连接到所述第一输入节点，
其中所述第一二极管的负极连接到所述第二二极管的负极，并且
其中所述第二二极管的正极连接到所述三极管开关电路的所述输出端。
3.根据权利要求2的像素电路，其中所述三极管开关电路包括第二阻性元件，其中所述第一二极管的所述负极和所述第二二极管的所述负极通过所述第二阻性元件连接到所述像素电路的所述第二输入节点。
4.根据权利要求1的像素电路，其中所述像素电路的所述第一输入节点连接到显示系统的数据线。
5.根据权利要求1的像素电路，其中所述像素电路的所述第二输入节点连接到显示系统的行选择线。
6.一种包括像素阵列的显示系统，其中所述像素阵列中的每个像素包括根据权利要求1的像素电路。
7.一种有源矩阵显示系统，包括：
控制电路；
扫描电路；
保持电路；
多个像素电路，其形成m×n像素阵列；
n个行选择线，其连接到所述扫描电路，其中所述像素阵列中的每行像素连接到同一个行选择线；以及
m个数据线，其连接到所述保持电路，其中所述像素阵列中的每列像素连接到同一个数据线，
其中每个像素电路包括：
连接到数据线的第一输入节点、连接到行选择线的第二输入节点、连接到第一电源线VDD的第一电源节点以及连接到第二电源线GND的第二电源节点；
三极管开关电路，其连接到所述第一输入节点和所述第二输入节点；
存储电容器，其连接在所述三极管开关电路的输出端和所述第二电源节点之间；
有机发光二极管，其连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第二电源节点之间；以及
第一阻性元件，其连接在所述三极管开关电路的所述输出端和所述第一电源节点之间。
8.根据权利要求7的有源矩阵显示系统，其中所述三极管开关电路包括：
第一二极管；以及
第二二极管，
其中所述第一二极管的正极连接到所述第一输入节点，
其中所述第一二极管的负极连接到所述第二二极管的负极，并且
其中所述第二二极管的正极连接到所述三极管开关电路的所述输出端。
9.根据权利要求8的有源矩阵显示系统，其中所述三极管开关电路包括第二阻性元件，其中所述第一二极管的所述负极和所述第二二极管的所述负极通过所述第二阻性元件连接到所述像素电路的所述第二输入节点。
10.根据权利要求7的有源矩阵显示系统，其中所述控制电路接收和处理视频信号，并且将控制信号输出到所述扫描电路和所述保持电路，以便驱动有源矩阵像素阵列并生成用于所述视频信号中的每个图像数据帧的图像。
11.一种用于操作有源矩阵显示系统的像素电路的方法，所述方法包括：
启动所述像素电路的编程时段，方式为：在所述编程时段期间激活所述像素电路的三极管开关电路，以在所述显示系统的数据线上将编程数据电压传输到所述像素电路的存储电容器；以及
启动所述像素电路的照明时段，方式为：在所述像素电路的所述照明时段期间，停用所述像素电路的所述三极管开关电路以将所述存储电容器与所述数据线隔离，并将所述存储电容器从所述编程数据电压充电到使有机发光二极管接通的电压。
12.根据权利要求11的方法，其中使用时序编程过程操作所述像素电路，在所述时序编程过程中，基于所述编程数据电压的初始电压电平调制所述有机发光二极管的照明时间。
13.根据权利要求11的方法，其中所述存储电容器形成RC电路的一部分，并且其中部分地基于所述RC电路的时间常数，在所述照明时段期间对所述存储电容器充电。
14.根据权利要求11的方法，其中激活和停用所述三极管开关电路包括向所述显示系统的行选择线施加切换电压，以便控制所述三极管开关电路的激活和停用。
15.根据权利要求14的方法，其中通过向所述显示系统的所述行选择线施加切换电压来激活所述三极管开关电路，所述切换电压的电压电平小于施加到所述数据线的所述编程数据电压的电压电平。
16.根据权利要求14的方法，其中通过向所述显示系统的所述行选择线施加切换电压来停用所述三极管开关电路，所述切换电压的电压电平大于所述有机发光二极管的工作电压。
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