CN108550344B - 应用于自发光的电流型像素单元电路、驱动电流的产生方法、图像或者视频的显示方法 - Google Patents

应用于自发光的电流型像素单元电路、驱动电流的产生方法、图像或者视频的显示方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于自发光的电流型像素单元电路，其特征在于它包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、采样保持电容C1、数据信号线IDATA、开关控制信号线SMP_HLD、第一输入电压信号线V1和第二输入电压信号线V2、电源线VDD、发光器件的共阴极电源线VCOM、发光器件。本专利提出的新型电流型像素单元驱动电路，能有效解决像素阵列驱动管由于工艺偏差导致的性能差异，进而提高整个显示器的显示一致性。另外，本像素电路自带过压保护功能，能有效避免采样阶段晶体管的栅氧击穿问题。

Description

应用于自发光的电流型像素单元电路、驱动电流的产生方法、 图像或者视频的显示方法
技术领域
本发明涉及自发光显示的像素单元电路，尤其涉及OLED/LED微显示驱动的像素单元电路。
背景技术
近些年随着AR(Augmented Reality，增强现实)/VR((Virtual Reality，虚拟现实)技术的发展，与之紧密相关的微显示技术也得到了广泛的关注。微显示(Microdisplay)技术是显示技术领域的一个分支，一般将显示器对角线尺寸小于1英寸(2.54cm)或者指那些小到需要光学放大的显示器称为微显示器。目前常见的微显示技术有OLEDoS(OrganicLight-Emitting Diode on Silicon，硅基有机发光)、LEDoS(Light Emitting Diode onSilicon，硅基二极管发光)、LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)和DMD(DigitalMicro mirror Device，数字微镜器件)四种，其中OLEDoS和LEDoS都属于主动发光，而LCoS和DMD则属于被动发光；同时，OLEDoS和LEDoS还具有低功耗、高对比度以及快速响应的优点，因此它们更适合应用于AR和VR技术中。
OLEDoS和LEDoS微显示器与常规的利用非晶硅、微晶硅或者低温多晶硅工艺不同，其是以单晶硅芯片为基板，也就是说其可以采用现有成熟的集成电路CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺，因此其不但可以实现显示屏像素的有源寻址矩阵也可以实现扫描链电路、数字模拟转换电路、带隙基准等各种功能的驱动控制电路，从而大大减少了器件的外部连线，增加了可靠性，实现了轻量化。
OLEDoS和LEDoS的像素单元电路是微显示器显示阵列中实现每个像素点电流大小控制的电路，每个像素电流控制的精确程度直接影响整个微显示器的显示一致性；而目前传统的电压型像素单元电路由于制造工艺的偏差，会导致像素与像素之间驱动管参数的不一致，进而导致各个像素单元之间的电流存在一定的差异。同时，由于OLED器件的开启电压一般都在2V或者3V以上，而正常CMOS工艺的电源电压最高为3.3V左右，从而不可避免的会用到负电压，因此，像素单元电路的设计也需要考虑过压保护的问题。另外，不同结构的像素单元电路会影响整体驱动方案的设计，由此像素单元电路设计的合理性就显得至关重要。
现有的像素单元电容如图1所示，其属于电压型的像素单元电路，由最基本的2T1C(2个晶体管1个电容)构成。其基本的工作原理是：
(1)数据写入阶段：当WR为高电平的时候，M2管导通，输入的电压信号VDATA写入到M1管的栅极和电容C1上；
(2)发光阶段：WR变为低电平，M2管关断，存储到C1上的数据电压驱动M1管产生对应的驱动电流，驱动电流流过OLED或者LED器件并发光，发光的亮度大小与写入数据电压相对应。
现有技术方案存在的问题：
由于微显示器的分辨率一般在800×600或者以上(1280×1024甚至更高)，因此像素单元电路的数量达到了几十万甚至百万级别。而现有的CMOS工艺由于在制造过程中会存在一定的工艺偏差，不同的像素单元电路中的M1管的阈值电压、栅氧厚度或者其他参数会存在一定的不同。因此，像素阵列中各个驱动管(M1)在将输入电压转换为输出电流时存在一定的差异，进而会影响显示的一致性。
发明内容
针对现有自发光显示器采用的电压型像素单元电路存在的显示一致性问题，提供一种新型的电流型像素单元电路结构。
本发明首先公开了一种应用于自发光的电流型像素单元电路，它包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、采样保持电容C1、数据信号线IDATA、开关控制信号线SMP_HLD、第一输入电压信号线V1和第二输入电压信号线V2、电源线VDD、发光器件的共阴极电源线VCOM、发光器件，
所述电源线VDD连接第一晶体管M1的源极；
所述电源线VDD、第一输入电压信号线V1或第二输入电压信号线V2在采样保持电容C1的上极板切换，采样保持电容C1的下极板分别连接第一晶体管M1的栅极、第二晶体管M2的源极、第三晶体管M3的漏极；
所述开关控制信号线SMP_HLD分别连接第二晶体管M2的栅极、第三晶体管M3的栅极、第四晶体管M4的栅极；
所述数据信号线IDATA连接第二晶体管M2的漏极；
所述第四晶体管M4的漏极分别连接第一晶体管M1的漏极、第三晶体管M3的源极；
所述第四晶体管M4的源极连接发光器件的阳极；
所述发光器件的阴极与共阴极电源线VCOM相连；
第二输入电压信号线V2电压值＞第一输入电压信号线V1电压值。
优选的，所述发光器件为OLED或LED。
优选的，第一晶体管M1、第二晶体管M2和第三晶体管M3均为PMOS管，第四晶体管M4为NMOS管。
本发明还公开了一种驱动电流的产生方法，基于所述的应用于自发光的电流型像素单元电路，包括两个工作模式：大电流工作模式和小电流工作模式，大电流工作模式下，采样保持电容C1的上极板直接与电源线VDD连接；小电流工作模式下，采样保持电容C1的上极板在不同的工作阶段分别与第一输入电压信号线V1或第二输入电压信号线V2连接。
具体的，所述大电流工作模式包括：
(1)数据采样阶段，开关控制信号线SMP_HLD处于低电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3导通，第四晶体管M4截止，发光器件处于不发光状态；此时第一晶体管M1的栅极和第三晶体管M3的漏极短接在一起，第一晶体管M1构成一个二极管的连接形式；与此同时，第一晶体管M1的电流流过第二晶体管M2和第三晶体管M3，该电流与数据信号线IDATA的输入电流一致；最终数据信号线IDATA的电流转化为电压信号VDATA保存在采样保持电容C1的下极板即第一晶体管M1的栅极；采样保持电容C1的上极板与电源线VDD连接；
(2)发光阶段，开关控制信号线SMP_HLD处于高电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3截止，第四晶体管M4导通，保持在采样保持电容C1的下极板的电压VDATA驱动第一晶体管M1生成驱动电流并顺次流过第四晶体管M4、发光器件，发光器件发光；采样保持电容C1的上极板保持与电源线VDD连接。
具体的，所述小电流工作模式包括：
(1)数据采样阶段，开关控制信号线SMP_HLD处于低电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3导通，第四晶体管M4截止，发光器件处于不发光状态；此时第一晶体管M1的栅极和第三晶体管M3的漏极短接在一起，第一晶体管M1构成一个二极管的连接形式；与此同时，第一晶体管M1的电流流过第二晶体管M2和第三晶体管M3，该电流与数据信号线IDATA的输入电流一致；最终数据信号线IDATA的电流转化为电压信号VDATA保存在采样保持电容C1的下极板即第一晶体管M1的栅极；采样保持电容C1的上极板保持与第一输入电压信号线V1连接；
(2)发光阶段，开关控制信号线SMP_HLD处于高电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3截止，第四晶体管M4导通，将采样保持电容C1的上极板的连接信号线由第一输入电压信号线V1切换到第二输入电压信号线V2；此时采样保持电容C1处于悬空状态，故采样保持电容C1的下极板的电压信号VDATA变化为VDATA+(V2-V1)，该电压信号驱动第一晶体管M1生成对应的驱动电流并顺次流过第四晶体管M4、发光器件，发光器件发光；此过程中，第一晶体管M1的源极电压VDD不变，第一晶体管M1的栅极电压VDATA+(V2-V1)增大，故第一晶体管M1的栅源极电压差减小，进而第一晶体管M1的驱动电流对应减小，从而实现了小电流的驱动。
本发明还公开了一种图像或者视频的显示方法，基于大电流工作模式所述的驱动电流的产生方法，在两个工作阶段的交替运行完成一帧帧的显示数据更新，进而完成图像或者视频的显示。
本发明还公开了另一种图像或者视频的显示方法，基于小电流工作模式所述的驱动电流的产生方法，在两个工作阶段的交替运行完成一帧帧的显示数据更新，进而完成图像或者视频的显示。
本发明的有益效果
本专利提出的新型电流型像素单元驱动电路，能有效解决像素阵列驱动管由于工艺偏差导致的性能差异，进而提高整个显示器的显示一致性。另外，本像素电路自带过压保护功能，能有效避免采样阶段晶体管的栅氧击穿问题。
附图说明
图1为传统电压型像素单元电路
图2为本发明的电流型像素单元电路
图3为本发明的电流型像素单元电路大电流模式下的采样阶段
图4为本发明的电流型像素单元电路大电流模式下的发光阶段
图5为本发明的电流型像素单元电路小电流模式下的采样阶段
图6为本发明的电流型像素单元电路小电流模式下的发光阶段
图7为本发明的电流型像素单元电路在采样阶段过压保护示意图
图8为本发明的电流型像素单元电路工作时序图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
结合图2，应用于自发光的电流型像素单元电路，它包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、采样保持电容C1、数据信号线IDATA、开关控制信号线SMP_HLD、第一输入电压信号线V1和第二输入电压信号线V2、电源线VDD、发光器件的共阴极电源线VCOM、发光器件。
所述电源线VDD连接第一晶体管M1的源极；
所述电源线VDD、第一输入电压信号线V1或第二输入电压信号线V2在采样保持电容C1的上极板切换，采样保持电容C1的下极板分别连接第一晶体管M1的栅极、第二晶体管M2的源极、第三晶体管M3的漏极；
所述开关控制信号线SMP_HLD分别连接第二晶体管M2的栅极、第三晶体管M3的栅极、第四晶体管M4的栅极；
所述数据信号线IDATA连接第二晶体管M2的漏极；
所述第四晶体管M4的漏极分别连接第一晶体管M1的漏极、第三晶体管M3的源极；
所述第四晶体管M4的源极连接发光器件的阳极；
所述发光器件的阴极与共阴极电源线VCOM相连；
第二输入电压信号线V2电压值＞第一输入电压信号线V1电压值。
其中：发光器件可以为OLED或LED。第一晶体管M1、第二晶体管M2和第三晶体管M3均为PMOS管，第四晶体管M4为NMOS管。
一种驱动电流的产生方法，基于所述的应用于自发光的电流型像素单元电路，包括两个工作模式：大电流工作模式和小电流工作模式，大电流工作模式下，采样保持电容C1的上极板直接与电源线VDD连接；小电流工作模式下，采样保持电容C1的上极板在不同的工作阶段分别与第一输入电压信号线V1或第二输入电压信号线V2连接。
具体的，所述大电流工作模式包括：
(1)数据采样阶段，结合图3，开关控制信号线SMP_HLD处于低电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3导通，第四晶体管M4截止，发光器件处于不发光状态；此时第一晶体管M1的栅极和第三晶体管M3的漏极短接在一起，第一晶体管M1构成一个二极管的连接形式；与此同时，第一晶体管M1的电流流过第二晶体管M2和第三晶体管M3，该电流与数据信号线IDATA的输入电流一致；最终数据信号线IDATA的电流转化为电压信号VDATA保存在采样保持电容C1的下极板即第一晶体管M1的栅极；采样保持电容C1的上极板与电源线VDD连接；
(2)发光阶段，结合图4，开关控制信号线SMP_HLD处于高电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3截止，第四晶体管M4导通，保持在采样保持电容C1的下极板的电压VDATA驱动第一晶体管M1生成驱动电流并顺次流过第四晶体管M4、发光器件，发光器件发光；采样保持电容C1的上极板保持与电源线VDD连接。
具体的，所述小电流工作模式包括：
(1)数据采样阶段，结合图5，开关控制信号线SMP_HLD处于低电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3导通，第四晶体管M4截止，发光器件处于不发光状态；此时第一晶体管M1的栅极和第三晶体管M3的漏极短接在一起，第一晶体管M1构成一个二极管的连接形式；与此同时，第一晶体管M1的电流流过第二晶体管M2和第三晶体管M3，该电流与数据信号线IDATA的输入电流一致；最终数据信号线IDATA的电流转化为电压信号VDATA保存在采样保持电容C1的下极板即第一晶体管M1的栅极；采样保持电容C1的上极板保持与第一输入电压信号线V1连接；
(2)发光阶段，结合图6，开关控制信号线SMP_HLD处于高电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3截止，第四晶体管M4导通，将采样保持电容C1的上极板的连接信号线由第一输入电压信号线V1切换到第二输入电压信号线V2；此时采样保持电容C1处于悬空状态，故采样保持电容C1的下极板的电压信号VDATA变化为VDATA+(V2-V1)，该电压信号驱动第一晶体管M1生成对应的驱动电流并顺次流过第四晶体管M4、发光器件，发光器件发光；此过程中，第一晶体管M1的源极电压VDD不变，第一晶体管M1的栅极电压VDATA+(V2-V1)增大，故第一晶体管M1的栅源极电压差减小，进而第一晶体管M1的驱动电流对应减小，从而实现了小电流的驱动,。
上述驱动方案在将数据信号传递进像素单元电路的时候是电流信号，并且第一晶体管M1栅端的数据电压是通过输入的电流产生，因此其不受晶体管参数变化的影响；另外，由于输入的是电流信号，相对于电压信号来说其抗噪声干扰的能力更强，因此能提高显示器的整体显示效果。
此外，由于第四晶体管M4为NMOS管，当OLED/LED发光器件的阳极电压为较低时，如图7所示，第四晶体管M4的衬底(一般都是接地电平)与发光器件的阳极之间寄生二极管导通，将阳极的电压拉到一个较高的水平，从而避免第四晶体管M4的栅极与源极之间存在一个较大的压差。因此，此电路还自带过压保护功能。
一种图像或者视频的显示方法，基于大电流工作模式所述的驱动电流的产生方法，结合图8，在两个工作阶段的交替运行完成一帧帧的显示数据更新，进而完成图像或者视频的显示。
另一种图像或者视频的显示方法，基于小电流工作模式所述的驱动电流的产生方法，结合图8，在两个工作阶段的交替运行完成一帧帧的显示数据更新，进而完成图像或者视频的显示。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种应用于自发光的电流型像素单元电路，其特征在于它包括：第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)、采样保持电容(C1)、数据信号线(IDATA)、开关控制信号线(SMP_HLD)、第一输入电压信号线(V1)和第二输入电压信号线(V2)、电源线(VDD)、发光器件的共阴极电源线(VCOM)、发光器件，
所述电源线(VDD)连接第一晶体管(M1)的源极；
所述电源线(VDD)、第一输入电压信号线(V1)或第二输入电压信号线(V2)在采样保持电容(C1)的上极板切换，采样保持电容(C1)的下极板分别连接第一晶体管(M1)的栅极、第二晶体管(M2)的源极、第三晶体管(M3)的漏极；
所述开关控制信号线(SMP_HLD)分别连接第二晶体管(M2)的栅极、第三晶体管(M3)的栅极、第四晶体管(M4)的栅极；
所述数据信号线(IDATA)连接第二晶体管(M2)的漏极；
所述第四晶体管(M4)的漏极分别连接第一晶体管(M1)的漏极、第三晶体管(M3)的源极；
所述第四晶体管(M4)的源极连接发光器件的阳极；
所述发光器件的阴极与共阴极电源线(VCOM)相连；
第二输入电压信号线(V2)电压值＞第一输入电压信号线(V1)电压值；
所述发光器件为(OLED)或(LED)；
第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)和第三晶体管(M3)均为PMOS管，第四晶体管(M4)为NMOS管。
2.一种驱动电流的产生方法，基于权利要求1所述的电路，其特征在于它包括两个工作模式：大电流工作模式和小电流工作模式，大电流工作模式下，采样保持电容(C1)的上极板直接与电源线(VDD)连接；小电流工作模式下，采样保持电容(C1)的上极板在不同的工作阶段分别与第一输入电压信号线(V1)或第二输入电压信号线(V2)连接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述大电流工作模式包括：
(1)数据采样阶段，开关控制信号线(SMP_HLD)处于低电平，第二晶体管(M2)和第三晶体管(M3)导通，第四晶体管(M4)截止，发光器件处于不发光状态；此时第一晶体管(M1)的栅极和第三晶体管(M3)的漏极短接在一起，第一晶体管(M1)构成一个二极管的连接形式；与此同时，第一晶体管(M1)的电流流过第二晶体管(M2)和第三晶体管(M3)，该电流与数据信号线(IDATA)的输入电流一致；最终数据信号线(IDATA)的电流转化为电压信号(VDATA)保存在采样保持电容(C1)的下极板即第一晶体管(M1)的栅极；采样保持电容(C1)的上极板与电源线(VDD)连接；
(2)发光阶段，开关控制信号线(SMP_HLD)处于高电平，第二晶体管(M2)和第三晶体管(M3)截止，第四晶体管(M4)导通，保持在采样保持电容(C1)的下极板的电压(VDATA)驱动第一晶体管(M1)生成驱动电流并顺次流过第四晶体管(M4)、发光器件，发光器件发光；采样保持电容(C1)的上极板保持与电源线(VDD)连接。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述小电流工作模式包括：
(1)数据采样阶段，开关控制信号线(SMP_HLD)处于低电平，第二晶体管(M2)和第三晶体管(M3)导通，第四晶体管(M4)截止，发光器件处于不发光状态；此时第一晶体管(M1)的栅极和第三晶体管(M3)的漏极短接在一起，第一晶体管(M1)构成一个二极管的连接形式；与此同时，第一晶体管(M1)的电流流过第二晶体管(M2)和第三晶体管(M3)，该电流与数据信号线(IDATA)的输入电流一致；最终数据信号线(IDATA)的电流转化为电压信号(VDATA)保存在采样保持电容(C1)的下极板即第一晶体管(M1)的栅极；采样保持电容(C1)的上极板保持与第一输入电压信号线(V1)连接；
(2)发光阶段，开关控制信号线(SMP_HLD)处于高电平，第二晶体管(M2)和第三晶体管(M3)截止，第四晶体管(M4)导通，将采样保持电容(C1)的上极板的连接信号线由第一输入电压信号线(V1)切换到第二输入电压信号线(V2)；此时采样保持电容(C1)处于悬空状态，故采样保持电容(C1)的下极板的电压信号(VDATA)变化为VDATA+(V2-V1)，该电压信号驱动第一晶体管(M1)生成对应的驱动电流并顺次流过第四晶体管(M4)、发光器件，发光器件发光。
5.一种图像或者视频的显示方法，基于权利要求3所述的驱动电流的产生方法，其特征在于在两个工作阶段的交替运行完成一帧帧的显示数据更新，进而完成图像或者视频的显示。
6.一种图像或者视频的显示方法，基于权利要求4所述的驱动电流的产生方法，其特征在于在两个工作阶段的交替运行完成一帧帧的显示数据更新，进而完成图像或者视频的显示。
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