TWI703546B

TWI703546B - 發光二極體畫素電路及其驅動方法

Info

Publication number: TWI703546B
Application number: TW108118824A
Authority: TW
Inventors: 廖偉見; 蔡孟杰
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2020-09-01
Also published as: TW202044220A

Abstract

本案揭露一種發光二極體畫素電路及其驅動方法。此發光二極體畫素電路包含電容、第一至第五電晶體以及發光二極體。電容二端具有第一節點及第二節點，第一電晶體、第二電晶體及第四電晶體連接第二節點，且第一電晶體串接發光二極體並接收高電位電壓，第三電晶體及第五電晶體連接第一節點。第二電晶體及第五電晶體提供參考電壓給電容，第三電晶體提供資料電壓給電容。第一本級掃描訊號控制第二電晶體，第二本級掃描訊號控制第三電晶體，第三本級掃描訊號控制第四電晶體，本級發光訊號控制第五電晶體。

Description

發光二極體畫素電路及其驅動方法

本案係有關一種顯示技術，特別是關於一種發光二極體畫素電路及其驅動方法。

發光二極體（LED）顯示裝置係為電流驅動，需要穩定的電流來控制發光。但是，由於製程條件和元件老化等原因，會使畫素電路的驅動電晶體的臨界電壓（V _th）產生變異而不均勻，會導致流過每個畫素之發光二極體的電流發生變化而使顯示亮度不均，進而影響整體顯示裝置的顯示效果。除了驅動電晶體的臨界電壓變異對電流影響很大之外，電源電壓（OVDD）亦對電流影響很大，電源電壓變異也會造成不同區域的電流差異，進而導致不同區域的發光二極體出現亮度不均勻現象，將導致發光二極體顯示裝置亮度不一致的問題。

本案提出一種發光二極體畫素電路，包含電容、第一到第五電晶體及發光二極體。電容之二端分別具有一第一節點及一第二節點。第一電晶體具有連接第二節點的一控制端、接收一高電位電壓的一第一端以及一第二端。發光二極體連接第一電晶體的第二端以及接收一低電位電壓。第二電晶體具有接收一第一本級掃描訊號的一控制端、接收一參考電壓的一第一端以及連接第二節點的一第二端。第三電晶體具有接收一第二本級掃描訊號的一控制端、接收一資料電壓的一第一端以及連接第一節點的一第二端。第四電晶體具有接收一第三本級掃描訊號的一控制端、連接第二節點的一第一端以及連接第一電晶體之第二端的一第二端。第五電晶體具有接收本級發光訊號的一控制端、接收參考電壓的一第一端以及連接第一節點的一第二端。

在一實施例中，發光二極體畫素電路係依序操作在一重置階段、一補償階段以及一發光階段中。在重置階段，第一電晶體、第二電晶體及第三電晶體導通，且第四電晶體、第五電晶體及第六電晶體斷開。在補償階段，第一電晶體、第三電晶體及第四電晶體導通，且第二電晶體、第五電晶體及第六電晶體斷開。在發光階段，第一電晶體、第五電晶體及第六電晶體導通，且第二電晶體、第三電晶體及第四電晶體斷開。

在一實施例中，發光二極體畫素電路更包含一第六電晶體，第六電晶體具有接收本級發光訊號的控制端、連接第一電晶體之第二端的第一端以及連接發光二極體的第二端。

在一實施例中，發光二極體畫素電路更包括一第七電晶體，第七電晶體具有連接第六電晶體之第二端的第一端、接收第一次級掃描訊號的第二端以及連接本身第二端的控制端。

本發明另外提出一種應用在上述之發光二極體畫素電路的驅動方法，此驅動方法包含：在一重置階段，致能第一本級掃描訊號及第二本級掃描訊號，以導通第一電晶體、第二電晶體及第三電晶體，並斷開第四電晶體、第五電晶體及第六電晶體。在一補償階段，致能第二本級掃描訊號及第三本級掃描訊號，以導通第一電晶體、第三電晶體及第四電晶體，並斷開第二電晶體、第五電晶體及第六電晶體。在一發光階段，致能本級發光訊號，以導通第一電晶體、第五電晶體及第六電晶體，並斷開第二電晶體、第三電晶體及第四電晶體。

因此，本案將補償階段與重置階段的路徑分開，使發光二極體畫素電路在整個操作過程中都不會有直流路徑（DC Path）產生，以節省功率消耗，並提高電路穩定性。

在一顯示裝置中的複數個發光二極體畫素（LED Pixel）係排列成一矩陣，且每一發光二極體畫素電性連接有掃描線（Scan Line）及資料線（Data Line），以利用相對應的掃描線和資料線來控制並驅動每一發光二極體畫素電路的運作。底下即以單一發光二極體畫素電路為主，詳細說明本案之技術內容。

圖1為根據本案一實施例之發光二極體畫素電路的電路示意圖。請參閱圖1所示，發光二極體畫素電路包含一電容Cs、一發光二極體LED、第一電晶體T1、第二電晶體T2、第三電晶體T3、第四電晶體T4、第五電晶體T5及第六電晶體T6。在一實施例中，第一至第六電晶體T1～T6係以P型電晶體（PMOS）為例，但不以此為限，因此，在第一至第六電晶體T1～T6中，所稱之控制端係為閘極、所稱之第一端係為源極以及所稱之第二端係為汲極，以下係直接以閘極、源極及汲極分別代表控制端、第一端及第二端來詳細說明本案之第一至第六電晶體T1～T6的連接關係。

在一實施例中，發光二極體（LED）可以是但不限於有機發光二極體（OLED）或次微米發光二極體（Mini LED）。

在此發光二極體畫素電路中，電容Cs之二端分別具有一第一節點A及一第二節點B。第一電晶體T1的閘極連接第二節點B，第一電晶體T1的源極接收一高電位電壓OVDD，例如系統高電壓，第一電晶體T1的汲極則連接至一第三節點C。第二電晶體T2的閘極接收一第一本級掃描訊號S1[N]，第二電晶體T2的源極接收一參考電壓Vref，第二電晶體T2的汲極連接第二節點B。第三電晶體T3的閘極接收一第二本級掃描訊號S2[N]，第三電晶體T3的源極接收一資料電壓Vdata，第三電晶體T3的汲極連接至第一節點A。第四電晶體T4的閘極接收一第三本級掃描訊號S3[N]，第四電晶體T4的源極連接第二節點B，第四電晶體T4的汲極連接第一電晶體T1的汲極（第三節點C）。第五電晶體T5的閘極接收本級發光訊號EM[N]，第五電晶體T5的源極接收參考電壓Vref，第五電晶體T5的汲極連接第一節點A。

第六電晶體T6為選擇性電晶體，且發光二極體LED具有一正極端及一負極端，第六電晶體T6的閘極接收本級發光訊號EM[N]，第六電晶體T6的源極連接第一電晶體T1的汲極（第三節點C），第六電晶體T6之汲極連接至發光二極體LED的正極端，發光二極體LED的負極端則接收一低電位電壓VSS。在一實施例中，若無使用第六電晶體T6，則發光二極體LED的正極端直接連接至第一電晶體T1的汲極（第三節點C），發光二極體LED的負極端同樣接收低電位電壓VSS。

在一實施例中，上述之第一本級掃描訊號S1[N]、第二本級掃描訊號S2[N]、第三本級掃描訊號S3[N]及本級發光訊號EM[N]係由顯示裝置中的四條掃描線來進行傳送。上述之資料電壓Vdata則由顯示裝置的資料線來進行傳送。

圖2為根據本發明一實施例之發光二極體畫素電路的波形示意圖。請參閱圖2所示，應用於發光二極體畫素電路之驅動方法主要係將發光二極體畫素電路依序操作在一重置階段Tr、一補償階段Tc以及一發光階段Te，且重置階段Tr、補償階段Tc以及發光階段Te彼此間並無互相重疊，亦即在重置階段Tr之後才會進行補償階段Tc，且在補償階段Tc之後才會進行發光階段Te。其中，第一本級掃描訊號S1[N]及第二本級掃描訊號S2[N]以低電壓準位致能於重置階段Tr，第二本級掃描訊號S2[N]及第三本級掃描訊號S3[N]以低電壓準位致能於補償階段Tc，本級發光訊號EM[N]則以低電壓準位致能於發光階段Te。

請參閱圖1及圖2所示，當發光二極體畫素電路操作在重置階段Tr時，致能第一本級掃描訊號S1[N]及第二本級掃描訊號S2[N]於低電壓準位，使第一電晶體T1、第二電晶體T2及第三電晶體T3導通，並且禁能第三本級掃描訊號S3[N]及本級發光訊號EM[N]於高電壓準位，使第四電晶體T4、第五電晶體T5及第六電晶體T6斷開。其中，由於第三電晶體T3導通，第一節點A的電位為資料電壓Vdata，由於第二電晶體T2導通，第二節點B的電位為參考電壓Vref，且參考電壓Vref為低電壓準位，因此，第一電晶體T1也維持導通。另一方面，由於第六電晶體T6斷開，因此可以確保斷開第一電晶體T1與發光二極體LED之間的連結。

當發光二極體畫素電路操作在補償階段Tc時，致能第二本級掃描訊號S2[N]及第三本級掃描訊號S3[N]於低電壓準位，使第一電晶體T1、第三電晶體T3及第四電晶體T4導通，並且禁能第一本級掃描訊號S1[N]及本級發光訊號EM[N]於高電壓準位，使第二電晶體T2、第五電晶體T5及第六電晶體T6斷開。其中，由於第三電晶體T3導通，第一節點A的電位為資料電壓Vdata，由於第四電晶體T4導通，第二節點B的電位與第三節點C的電位相同，使第一電晶體T1也導通，此時在第一電晶體T1之閘極G、源極S及汲極D中，汲極電壓V _D=閘極電壓V _G=源極電壓V _S－第一電晶體T1的臨界電壓Vth（即V _D=V _G=V _S-|Vth|），且因源極電壓V _S＝高電位電壓OVDD，所以閘極電壓V _G可以表示為V _G=OVDD-|Vth|，且此閘極電壓V _G即為第二節點B的電位。

當發光二極體畫素電路操作在發光階段Te時，致能本級發光訊號EM[N]於低電壓準位，使第一電晶體T1、第五電晶體T5及第六電晶體T6導通，並且禁能第一本級掃描訊號S1[N]、第二本級掃描訊號S2[N]及第三本級掃描訊號S3[N]於高電壓準位，使第二電晶體T2、第三電晶體T3及第四電晶體T4斷開。此時，由於第五電晶體T5導通，第一節點A的電位為參考電壓Vref，且藉由電容Cs的升壓（Boost）效應將資料電壓Vdata也帶入第一電晶體T1的閘極端（V _G＝OVDD-|Vth|+(Vref-Vdata)），此即為第二節點B，因此第二節點B的電位為OVDD-|Vth|+(Vref-Vdata)，使得第一電晶體T1保持導通。且由於第一電晶體T1與第六電晶體T6均導通，使得發光二極體LED發光，並且流經發光二極體LED的發光電流為I_ _LED= ½ K (Vdata －Vref) ²，其中，發光電流公式中的高電位電壓OVDD及第一電晶體T1的臨界電壓Vth皆被消去，因此，本案之發光二極體畫素電路確實可以有效補償高電位電壓OVDD及臨界電壓Vth，使發光二極體LED的發光亮度更加一致，以解決發光二極體顯示裝置亮度不一致的問題。

圖3為根據本案另一實施例之發光二極體畫素電路的電路示意圖。請參閱圖3所示，發光二極體畫素電路更包括一第七電晶體T7連接於第六電晶體T6及發光二極體LED之間，亦即，第七電晶體T7的源極連接在第六電晶體T6的汲極與發光二極體LED的正極端之間，第七電晶體T7的源極及閘極連接在一起，以接收第一次級掃描訊號S1[N+1]，此第一次級掃描訊號S1[N+1]之波形請同時參閱圖2所示。設置第七電晶體T7之作用在於，當發光二極體畫素電路在進入發光階段Te之前，使發光二極體LED為熄滅狀態，以利於進入之後的發光階段Te。圖3所示之發光二極體畫素電路與圖1之差別僅在於增設了第七電晶體T7，其餘結構與作動皆相同，故可參考前面說明，於此不再贅述。

其中，第一本級掃描訊號S1[N]及第一次級掃描訊號S1[N+1]的波形相同，差別僅在相位不同，於不同的時間點依序出現。同理，第二本級掃描訊號S2[N]及第二次級掃描訊號S2[N+1]的波形相同、第三本級掃描訊號S3[N]及第三次級掃描訊號S3[N+1] 的波形相同、本級發光訊號EM[N]及次級發光訊號EM[N+1]的波形相同，都只差在相位不同，並且第一次級掃描訊號S1[N+1]、第二次級掃描訊號S2[N+1]、第三次級掃描訊號S3[N+1]及次級發光訊號EM[N+1]可以提供下一個發光二極體畫素電路使用。

在一實施例中，發光二極體LED使用現行之次微米發光二極體（Mini LED）時，其R、G、B畫素之參數如下表1所示。

表1

畫素	最佳效率電流值	LED兩端跨壓
R	0.5 mA	1.86 V
G	100 μA	2.43V
B	120μA	2.53V

請參閱圖1並配合表1所示，在發光二極體LED於發光階段時，第一電晶體T1需操作於飽和區，而第一電晶體T1操作於飽和區的條件為V _SD＞V _SG－|Vth|，因此，可得知畫素電路操作時須滿足二個條件，即V _SD= OVDD－V _D＞ Vdata－Vref且V _D－VSS = 2.53V。由於資料電壓Vdata最高為6V，故高電位電壓OVDD取6V、參考電壓Vref取0V、低電位電壓VSS取-3V，汲極電壓V _D為-0.47V。

在整個發光二極體畫素電路的操作過程中，當資料電壓Vdata為最高的6V時，根據第一電晶體T1的閘極電壓V _G＝OVDD-|Vth|+(Vref-Vdata)，閘極電壓V _G出現的最低電壓為-|Vth|，亦即-0.59V。因此，所有節點在整個操作過程中會出現的最低電壓為-0.59V，最高電壓為6V，所以第一本級掃描訊號S1[N]、第二本級掃描訊號S2[N]、第三本級掃描訊號S3[N]及本級發光訊號EM[N]等採用最低電壓準位為-3V，最高電壓準位為9V是很足夠的。第一電晶體T1的操作電壓即可參考下列表2所示。

表2

第一電晶體T1
畫素	Vdata	OVDD	VSS	V _GS	第一電晶體狀態
PMOS	6V	6V	-3V	-6.59V	ON
0V	6V	-3V	-0.59V	OFF

圖4為根據本案之發光二極體畫素電路於實際模擬的各節點的波形示意圖。如圖4所示，模擬出來的S1、S2、S3及EM訊號，皆對應到本案使用之第一本級掃描訊號S1[N]、第二本級掃描訊號S2[N]、第三本級掃描訊號S3[N]及本級發光訊號EM[N]的標準波形圖（如圖2），且由圖中的第一電晶體T1之閘極電壓V _G可以清楚看到，在補償階段Tc時，閘極電壓V _G確實有一個第一電晶體T1之臨界電壓Vth的損失，亦即V _G=OVDD-|Vth|，並且第一節點A的電位V _A係等於Vdata。因此，由此模擬結果可以得知，本案之發光二極體畫素電路確實有對臨界電壓Vth進行補償，此時，也沒有看到顯著的漏電流影響。

圖5為根據本案之發光二極體畫素電路於實際模擬的各節點的另一波形示意圖。如圖5所示，模擬出來的S1、S2、S3及EM訊號，皆對應到本案使用之第一本級掃描訊號S1[N]、第二本級掃描訊號S2[N]、第三本級掃描訊號S3[N]及本級發光訊號EM[N]的標準波形圖（如圖2），且由圖中的第一電晶體T1之閘極電壓V _G可以清楚看到，在發光階段Te時，雖然高電位電壓OVDD有變異，由於V _SG=OVDD-V _G，當OVDD＝6V時，V _G＝2.3，則V _SG＝6-2.3＝3.7V；當OVDD＝5V時，V _G＝1.3，則V _SG＝5-1.3＝3.7V，所以V _SG電壓仍然非常的穩定，且在發光階段Te時，亦有穩定的發光電流I _{_LED}發生。因此，由此模擬結果可以得知，本案之發光二極體畫素電路確實有對高電位電壓OVDD進行補償，此時，也沒有看到顯著的漏電流影響。

綜上所述，本案將重置階段與補償階段的路徑分開，於重置階段導通第二電晶體，且於補償階段導通第四電晶體，使發光二極體畫素電路在整個操作過程中都不會有直流路徑（DC Path）產生，故可節省功率消耗，並提高電路的穩定性。

以上所述之實施例僅係為說明本案之技術思想及特點，其目的在使熟悉此項技術者能夠瞭解本案之內容並據以實施，當不能以之限定本案之專利範圍，即大凡依本案所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本案之申請專利範圍內。

Cs:電容 LED:發光二極體 T1:第一電晶體 T2:第二電晶體 T3:第三電晶體 T4:第四電晶體 T5:第五電晶體 T6:第六電晶體 T7:第七電晶體 A:第一節點 B:第二節點 C:第三節點 OVDD:高電位電壓 VSS:低電位電壓 Vref:參考電壓 Vdata:資料電壓 Vth:臨界電壓 S1[N]:第一本級掃描訊號 S2[N]:第二本級掃描訊號 S3[N]:第三本級掃描訊號 EM[N]:本級發光訊號 S1[N+1]:第一次級掃描訊號 S2[N+1]:第二次級掃描訊號 S3[N+1]:第三次級掃描訊號 EM[N+1]:次級發光訊號 Tr:重置階段 Tc:補償階段 Te:發光階段 G:閘極 S:源極 D:汲極 I_{_LED}:發光電流

圖1為根據本案一實施例之發光二極體畫素電路的電路示意圖。圖2為根據本發明一實施例之發光二極體畫素電路的波形示意圖。圖3為根據本案另一實施例之發光二極體畫素電路的電路示意圖。圖4為根據本案之發光二極體畫素電路於實際模擬的各節點的波形示意圖。圖5為根據本案之發光二極體畫素電路於實際模擬的各節點的另一波形示意圖。

Cs:電容

LED:發光二極體

T1:第一電晶體

T2:第二電晶體

T3:第三電晶體

T4:第四電晶體

T5:第五電晶體

T6:第六電晶體

A:第一節點

B:第二節點

C:第三節點

OVDD:高電位電壓

VSS:低電位電壓

Vref:參考電壓

Vdata:資料電壓

S1[N]:第一本級掃描訊號

S2[N]:第二本級掃描訊號

S3[N]:第三本級掃描訊號

EM[N]:本級發光訊號

G:閘極

S:源極

D:汲極

Claims

一種發光二極體畫素電路，包含：一電容，其二端分別具有一第一節點及一第二節點；一第一電晶體，具有連接該第二節點的一控制端、接收一高電位電壓的一第一端以及一第二端；一發光二極體，連接該第一電晶體的該第二端以及接收一低電位電壓；一第二電晶體，具有接收一第一本級掃描訊號的一控制端、接收一參考電壓的一第一端以及連接該第二節點的一第二端；一第三電晶體，具有接收一第二本級掃描訊號的一控制端、接收一資料電壓的一第一端以及連接該第一節點的一第二端；一第四電晶體，具有接收一第三本級掃描訊號的一控制端、連接該第二節點的一第一端以及連接該第一電晶體之該第二端的一第二端；一第五電晶體，具有接收本級發光訊號的一控制端、接收該參考電壓的一第一端以及連接該第一節點的一第二端；以及一第六電晶體，具有接收該本級發光訊號的一控制端、連接該第一電晶體之該第二端的一第一端以及連接該發光二極體的一第二端；其中，在一重置階段時，該第一電晶體、該第二電晶體及該第三電晶體導通，且該第四電晶體、該第五電晶體及該第六電晶體斷開。
如請求項1所述之發光二極體畫素電路，其係依序操作在該重置階段、一補償階段以及一發光階段。
如請求項2所述之發光二極體畫素電路，其中該第一本級掃描訊號及該第二本級掃描訊號致能於該重置階段。
如請求項2所述之發光二極體畫素電路，其中在該補償階段時，該第一電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體導通，且該第二電晶體、該第五電晶體及該第六電晶體斷開。
如請求項4所述之發光二極體畫素電路，其中該第二本級掃描訊號及該第三本級掃描訊號致能於該補償階段。
如請求項2所述之發光二極體畫素電路，其中在該發光階段時，該第一電晶體、該第五電晶體及該第六電晶體導通，且該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體斷開。
如請求項6所述之發光二極體畫素電路，其中該本級發光訊號致能於該發光階段。
如請求項1所述之發光二極體畫素電路，更包含一第七電晶體，具有連接該第六電晶體之該第二端的一第一端、接收一第一次級掃描訊號的一第二端以及連接該第二端的一控制端。
一種應用於如請求項1所述之發光二極體畫素電路的驅動方法，包含：在一重置階段，致能該第一本級掃描訊號及該第二本級掃描訊號，以導通該第一電晶體、該第二電晶體及該第三電晶體，且斷開該第四電晶體、該第五電晶體及該第六電晶體；在一補償階段，致能該第二本級掃描訊號及該第三本級掃描訊號，以導通該第一電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體，且斷開該第二電晶體、該第五電晶體及該第六電晶體；以及在一發光階段，致能該本級發光訊號，以導通該第一電晶體、該第五電晶體及該第六電晶體，且斷開該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體。