CN112667104A - 光感测电路与触控显示器 - Google Patents

Abstract

一种光感测电路与触控显示器，光感测电路包含驱动晶体管、光感测元件、第一晶体管、第二晶体管与存储电容。驱动晶体管包含耦接于第一节点的控制端。光感测元件耦接于第一节点，且用于依据接收到的光线产生在第一节点与第一电源端之间流动的感测电流。驱动晶体管用于产生对应于感测电流的驱动电流。第一晶体管用于依据第一控制信号将驱动电流传递至读取线。第二晶体管用于依据第二控制信号在第一晶体管导通时将读取线上的参考电压传递至第一节点，并用于在第一晶体管关断时与驱动晶体管形成二极管连接以补偿驱动晶体管的临界电压。存储电容耦接于第一节点。

Description

光感测电路与触控显示器

技术领域

本公开文件有关一种光感测电路和其相关的触控显示器，特别涉及一种能和该触控显示器中的像素电路共用控制信号的光感测电路。

背景技术

有机发光二极管(OLED)像素电路与内嵌式光感测电路常被共同用于实现移动装置的触控显示器，以得到窄边框或无边框的产品外观，例如市面上常见的具有光学指纹触控功能的智能手机。在现今的显示器工艺中，晶体管的元件特性会随着所在区域不同而变异，使得有机发光二极管像素电路与光感测电路皆需要较复杂的控制信号以补偿其元件特性变异。若有机发光二极管像素电路与光感测电路无法共用控制信号，而需要在显示器中为两者分别设置多组移位暂存器，则不利于缩减显示器的边框宽度。

发明内容

本公开文件提供一种光感测电路，其包含驱动晶体管、光感测元件、第一晶体管、第二晶体管以及存储电容。驱动晶体管包含耦接于第一节点的控制端。光感测元件耦接于第一节点，且用于依据接收到的光线产生在第一节点与第一电源端之间流动的感测电流。驱动晶体管用于产生对应于感测电流的驱动电流。第一晶体管用于依据第一控制信号将驱动电流传递至读取线。第二晶体管用于依据第二控制信号在第一晶体管导通时将读取线上的参考电压传递至第一节点。第二晶体管还用于在第一晶体管关断时与驱动晶体管形成二极管连接以补偿驱动晶体管的临界电压。存储电容耦接于第一节点。

本公开文件提供一种触控显示器，其包含多个读取线、多个像素电路以及多个光感测电路。每个光感测电路包含驱动晶体管、光感测元件、第一晶体管、第二晶体管以及存储电容。驱动晶体管包含耦接于第一节点的控制端。光感测元件耦接于第一节点，且用于依据接收到的光线产生在第一节点与第一电源端之间流动的感测电流。驱动晶体管用于产生对应于感测电流的驱动电流。第一晶体管用于依据第一控制信号将驱动电流传递至多个读取线的其中之一。第二晶体管用于依据第二控制信号在第一晶体管导通时将多个读取线的其中之一上的参考电压传递至第一节点。第二晶体管用于还用于在第一晶体管关断时与驱动晶体管形成二极管连接以补偿驱动晶体管的临界电压。存储电容耦接于第一节点。另外，多个像素电路中的对应多者与多个光感测电路中的对应多者用于接收第一控制信号与第二控制信号。

上述多个实施例的优点之一，是光感测电路的感测结果几乎不会受到元件特性变异的影响。

上述多个实施例的另一优点，是触控显示器能具有窄边框。

附图说明

图1为依据本公开文件一实施例的光感测电路的示意图。

图2为第一控制信号与第二控制信号简化后的波形示意图。

图3A为图1的光感测电路于重置阶段的等效电路操作示意图。

图3B为图1的光感测电路于补偿阶段的等效电路操作示意图。

图3C为图1的光感测电路于感测阶段的等效电路操作示意图。

图3D为图1的光感测电路于输出阶段的等效电路操作示意图。

图4为依据本公开文件一实施例的光感测电路的示意图。

图5为依据本公开文件一实施例的触控显示器简化后的功能方框图。

附图标记说明：

100,400：光感测电路

101[m]：读取线

110：第一电源端

120：第二电源端

Td：驱动晶体管

T1：第一晶体管

T2：第二晶体管

T3：第三晶体管

T4：第四晶体管

T5：第五晶体管

T6：第六晶体管

T7：第七晶体管

T8：第八晶体管

T9：第九晶体管

PS：光感测元件

C1,C2：存储电容

N1：第一节点

N2：第二节点

N3：第二节点

LE：发光元件

S1[n]：第一控制信号

S2[n]：第二控制信号

EM[n]：第三控制信号

Id：驱动电流

Is：感测电流

FVSS：第一工作电压

FVDD：第二工作电压

OVDD：第三工作电压

OVSS：第四工作电压

Vbias,Vref：参考电压

Vg：控制端电压

210-1,210-2：重置阶段

220-1：补偿阶段

230-1：感测阶段

240-1：输出阶段

500：触控显示器

510：第一移位暂存器

520：第二移位暂存器

530[m]：读取电路

532：放大器

Vout：输出电压

具体实施方式

以下将配合相关附图来说明本公开文件的实施例。在附图中，相同的标号表示相同或类似的元件或方法流程。

图1为依据本公开文件一实施例的光感测电路100的示意图。光感测电路100包含驱动晶体管Td、第一晶体管T1、第二晶体管T2、存储电容C1以及光感测元件PS。光感测元件PS的一端通过第一节点N1耦接于驱动晶体管Td的控制端，其另一端则耦接于第一电源端110，其中第一电源端110用于提供第一工作电压FVSS。当光感测元件PS未接收到光线时，光感测元件PS会将第一节点N1与第一电源端110维持于开路状态。另一方面，当光感测元件PS被光线照射时，光感测元件PS会产生在第一节点N1与第一电源端110之间流动的感测电流Is，例如由第一节点N1流向第一电源端110。

驱动晶体管Td、第一晶体管T1与第二晶体管T2各自包含第一端、第二端与控制端。驱动晶体管Td的第一端与第二端分别耦接于第二电源端120与第二节点N2，其中第二电源端用于提供第二工作电压FVDD，且第二工作电压FVDD高于第一工作电压FVSS。驱动晶体管Td的控制端耦接于第一节点N1，且驱动晶体管Td用于依据其控制端的电压(以下代称为控制端电压Vg)产生对应大小的驱动电流Id。换言之，驱动晶体管Td用于产生对应于感测电流Is的驱动电流Id，亦即驱动晶体管Td用于放大感测电流Is。

第一晶体管T1的第一端与第二端分别耦接于读取线101[m]与第二节点N2，第一晶体管T1的控制端则用于接收第一控制信号S1[n]。读取线101[m]用于将驱动电流Id传递至外部的读取电路(例如图5的读取电路530[m])。在一些实施例中，读取电路可以将驱动电流Id积分、模拟数字转换及/或信号放大。第一晶体管T1还用于将读取线101[m]上的参考电压Vbias传递至光感测电路100内部以重置各节点的电压。

第二晶体管T2的第一端和第二端分别耦接于第二节点N2与第一节点N1，第二晶体管T2的控制端则用于接收第二控制信号S2[n]。第二晶体管T2用于与第一晶体管T1一同重置各节点电压。另外，第二晶体管T2还用于与驱动晶体管Td形成二极管连接(DiodeConnection)以补偿驱动晶体管Td的临界电压。

另外，存储电容C1耦接于第一节点N1与第二电源端120之间。在一些实施例中，通过结合光感测电路100形成的阵列与多个有机发光二极管(OLED)像素电路，可以实现具有屏幕内光学指纹感测功能的显示器。在一些实施例中，光感测元件PS可以由二极管连接形式的晶体管来实现，或是由光电二极管来实现。

图2为第一控制信号S1[n]与第二控制信号S2[n]简化后的波形示意图。如图2所示，光感测电路100在一图框时间中的运行包含重置阶段210-1、补偿阶段220-1、感测阶段230-1与输出阶段240-1。请同时参考图2与图3A，在重置阶段210-1中，第一控制信号S1[n]与第二控制信号S2皆具有逻辑高电平(Logic High Level，例如足以导通P型晶体管的低电压)。因此，驱动晶体管Td、第一晶体管T1与第二晶体管T2会导通，第二晶体管T2会将参考电压Vbias传递至第一节点N1，使得控制端电压Vg实质上等于参考电压Vbias。

接着，请同时参考图2与图3B，在补偿阶段中220-1，第一控制信号S1[n]具有逻辑低电平(例如足以使P型晶体管关断的高电压)，而第二控制信号S2[n]具有逻辑高电平。因此，第一晶体管T1会关断而第二晶体管T2会导通。此时，驱动晶体管Td和第二晶体管T2形成二极管连接，使得控制端电压Vg在补偿阶段中220-1结束时可以实质上以下列的《公式1》表示，其中符号“Vth”代表驱动晶体管Td的临界电压。

Vg＝FVDD-|Vth| 《公式1》

请同时参考图2与图3C，在感测阶段230-1中，第一控制信号S1[n]与第二控制信号S2[n]皆具有逻辑低电平，使得第一晶体管T1与第二晶体管T2皆关断。在此情况下，若光感测元件PS接收到光线，则光感测元件PS会产生感测电流Is，使得控制端电压Vg产生变化而可以由以下的《公式2》表示，其中符号“ΔVsig”代表控制端电压Vg在感测阶段230-1中的变化量。

Vg＝FVDD-|Vth|-ΔVsig 《公式2》

接着，请同时参考图2与图3D，在输出阶段240-1，第一控制信号S1[n]具有逻辑高电平而第二控制信号S2[n]具有逻辑低电平，使得第一晶体管T1导通而第二晶体管T2关断。在此情况下，驱动晶体管Td会产生对应于控制端电压Vg的驱动电流Id，且驱动电流会通过第一晶体管T1输出至读取线110[m]。驱动电流Id的大小可以由以下的《公式3》表示，其中符号“k”代表驱动晶体管Td的载子迁移率(carrier mobility)、栅极氧化层的单位电容大小以及栅极宽长比三者的乘积。

在输出阶段240-1结束后，光感测电路100可以依照上述的流程重复执行相似的操作，例如光感测电路100可以执行另一次的重置阶段210-2，在此不再赘述。由《公式3》可知，驱动电流Id几乎不会受到光感测电路100的元件变异影响，因而能精准反应光感测元件PS接收到的光线强度。

图4为依据本公开文件一实施例的光感测电路400的示意图。光感测电路400相似于光感测电路100，差异在于，光感测电路400还包含第三晶体管T3，且存储电容C1是耦接于第一节点N1与第三晶体管T3之间。详细而言，第三晶体管T3的第一端耦接于第二电源端120，第三晶体管T3的第二端则通过第三节点N3耦接于存储电容C1与光感测元件PS。另外，第三晶体管T3的控制端用于接收第二控制信号S2[n]。

前述图2中第一控制信号S1[n]与第二控制信号S2[n]的波形亦适用于光感测电路400。因此，第三节点N3会于重置阶段210-1被设为第二工作电压FVDD。若光感测元件PS于感测阶段230-1中接收到光线，则光感测元件PS会产生于第三节点N3与第一电源端110之间流动的感测电流Is，例如由第三节点N3流向第一电源端110。前述光感测电路100的其余对应运行、元件、连接方式与优点，皆适用于光感测电路400，为简洁起见，在此不重复赘述。

在一些实施例中，第三晶体管T3的第一端可以不耦接于第二电源端120，而是用于接收不同于第二工作电压FVDD的另一重置电压。

上述多个实施例中，光感测电路100与400的晶体管可以由各种合适的P型晶体管来实现，但本公开文件不以此为限。若将图2中的第一控制信号S1[n]与第二控制信号S2[n]各自转换为具有相反波形，则光感测电路100与400的晶体管也可以由各种合适的N型晶体管来实现。

图5为依据本公开文件一实施例的触控显示器500简化后的功能方框图。触控显示器500包含多个光感测电路100、多个像素电路PX、第一移位暂存器510、第二移位暂存器520、多个读取电路以及多个读取线，其中多个读取电路分别耦接于多个读取线。多个光感测电路100排列为具有多行与多列的矩阵，且多个像素电路PX也排列为具有多行(column)与多列(row)的矩阵。位于同一列的光感测电路100与像素电路PX可以共用控制信号，且位于同一行的光感测电路100会通过多个读取线的其中之一(例如读取线101[m])耦接于多个读取电路的其中之一(例如读取电路530[m])。为方便说明，图5仅示出了位于同一列的一个光感测电路100与一个像素电路PX，以及对应的一个读取线101[m]与一个读取电路530[m]。

像素电路PX包含第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8、第九晶体管T9、存储电容C2以及发光元件LE。第八晶体管T8的控制端用于接收第一控制信号S1[n]，且第五晶体管T5、第六晶体管T6与第九晶体管T9的控制端用于接收第二控制信号S2[n]。另外，第四晶体管与第七晶体管T7的控制端用于接收第三控制信号EM[n]。在一些实施例中，第三控制信号EM[n]在图2的感测阶段230-1中具有逻辑高电平，且于重置阶段210-1、补偿阶段220-1与输出阶段240-1中具有逻辑低电平。

像素电路PX可依据第一控制信号S1[n]与第二控制信号S2[n]进行节点电压重置与临界电压补偿的相关操作，并依据第三控制信号EM[n]决定发光单元LE的发光时机。另外，像素电路PX接收第三工作电压OVDD与第四工作电压OVSS以产生驱动发光单元LE的电流，并依据数据电压Vdata与参考电压Vref决定发光单元LE的亮度。在一些实施例中，发光单元LE可以由有机发光二极管或微发光二极管(Micro LED)来实现。相关内容为所属技术领域中技术人员所习知，为简洁起见，在此不再赘述。

由图5可知，驱动电流Id会经由读取线101[m]传递至读取电路530[m]。详细而言，读取电路530[m]至少包含一积分电路，且积分电路包含一放大器532。放大器532包含第一端(例如反相输入端)、第二端(例如非反向输入端)与输出端。放大器532的第一端耦接于读取线101[m]以接收驱动电流Id。放大器532的第二端用于接收参考电压Vbias。通过放大器532的第一端与第二端之间的虚短路(Virtual Ground)特性，参考电压Vbias会由放大器532的第二端镜射至第一端，而使读取线101[m]上的电压实质上维持于参考电压Vbias。放大器532的输出端提供对应于驱动电流Id的输出电压Vout至其他后级电路，例如模拟数字转换电路。

如图5所示，第一移位暂存器510产生的第一控制信号S1[n]与第二控制信号S2[n]可为位于同一列的光感测电路100与像素电路PX所共用，而第二移位暂存器520用于产生第三控制信号EM[n]。因此，触控显示器500无须为了光感测电路100额外设置其他的移位暂存器，有助于减少触控显示器500的边框宽度。

在一些实施例中，触控显示器500中的多个光感测电路100可以置换为光感测电路400。在此情况下，位于同一列的光感测电路400与像素电路PX仍可以共用第一控制信号S1[n]与第二控制信号S2[n]。因此，触控显示器500仍具有与前述内容相似的运行方式以及优点，为简洁起见，在此不重复赘述。

在说明书及权利要求中使用了某些词汇来指称特定的元件。然而，所属技术领域中技术人员应可理解，同样的元件可能会用不同的名词来称呼。说明书及权利要求并不以名称的差异做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的基准。在说明书及权利要求所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述第一元件耦接于第二元件，则代表第一元件可通过电性连接或无线传输、光学传输等信号连接方式而直接地连接于第二元件，或者通过其他元件或连接手段间接地电性或信号连接至该第二元件。

在此所使用的“及/或”的描述方式，包含所列举的其中的一或多个项目的任意组合。另外，除非说明书中特别指明，否则任何单数格的用语都同时包含多个格的涵义。

以上仅为本公开文件的优选实施例，凡依本公开文件权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本公开文件的涵盖范围。

Claims (11)

1.一种光感测电路，包含：

一驱动晶体管，包含耦接于一第一节点的一控制端；

一光感测元件，耦接于该第一节点，且用于依据接收到的光线产生在该第一节点与一第一电源端之间流动的一感测电流，其中该驱动晶体管用于产生对应于该感测电流的一驱动电流；

一第一晶体管，用于依据一第一控制信号将该驱动电流传递至一读取线；

一第二晶体管，用于依据一第二控制信号在该第一晶体管导通时将该读取线上的一参考电压传递至该第一节点，并在该第一晶体管关断时与该驱动晶体管形成二极管连接以补偿该驱动晶体管的临界电压；以及

一存储电容，耦接于该第一节点。

2.如权利要求1所述的光感测电路，其中，该驱动晶体管的一第一端耦接于一第二电源端，该驱动晶体管的一第二端耦接于该第一晶体管与该第二晶体管之间。

3.如权利要求2所述的光感测电路，其中，该第一晶体管的一第一端耦接于该读取线，该第一晶体管的一第二端耦接于该驱动晶体管的该第二端，该第一晶体管的一控制端用于接收该第一控制信号。

4.如权利要求3所述的光感测电路，其中，该第二晶体管的一第一端耦接于该第一晶体管的该第二端，该第二晶体管的一第二端耦接于该第一节点，该第二晶体管的一控制端用于接收该第二控制信号。

5.如权利要求4所述的光感测电路，还包含：

一第三晶体管，其中该第三晶体管的一第一端耦接于该第二电源端或用于接收一重置电压，该第三晶体管的一第二端耦接于该光感测元件与该存储电容，该第三晶体管的一控制端用于接收该第二控制信号。

6.一种触控显示器，包含：

多个读取线；

多个像素电路；以及

多个光感测电路，其中每个光感测电路包含：

一驱动晶体管，包含耦接于一第一节点的一控制端；

一光感测元件，耦接于该第一节点，且用于依据接收到的光线产生在该第一节点与一第一电源端之间流动的一感测电流，其中该驱动晶体管用于产生对应于该感测电流的一驱动电流；

一第一晶体管，用于依据一第一控制信号将该驱动电流传递至该多个读取线的其中之一；

一第二晶体管，用于依据一第二控制信号在该第一晶体管导通时将该多个读取线的该其中之一上的一参考电压传递至该第一节点，并在该第一晶体管关断时与该驱动晶体管形成二极管连接以补偿该驱动晶体管的临界电压；以及

一存储电容，耦接于该第一节点；

其中该多个像素电路中的对应多者与该多个光感测电路中的对应多者用于接收该第一控制信号与该第二控制信号。

7.如权利要求6所述的触控显示器，其中，该驱动晶体管的一第一端耦接于一第二电源端，该驱动晶体管的一第二端耦接于该第一晶体管与该第二晶体管之间。

8.如权利要求7所述的触控显示器，其中，该第一晶体管的一第一端耦接于该多个读取线的该其中之一，该第一晶体管的一第二端耦接于该驱动晶体管的该第二端，该第一晶体管的一控制端用于接收该第一控制信号。

9.如权利要求8所述的触控显示器，其中，该第二晶体管的一第一端耦接于该第一晶体管的该第二端，该第二晶体管的一第二端耦接于该第一节点，该第二晶体管的一控制端用于接收该第二控制信号。

10.如权利要求9所述的触控显示器，还包含：

一第三晶体管，其中该第三晶体管的一第一端耦接于该第二电源端或用于接收一重置电压，该第三晶体管的一第二端耦接于该光感测元件与该存储电容，该第三晶体管的一控制端用于接收该第二控制信号。

11.如权利要求6所述的触控显示器，另包含分别耦接于该多个读取线的多个读取电路，其中，该多个读取电路的每一者包含：

一放大器，包含一第一端、一第二端和一输出端，其中该放大器的该第一端耦接于该多个读取线的对应一者，该放大器的该第二端用于通过虚短路提供该参考电压至该放大器的该第一端。

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