淺談屏幕的像素驅(qū)動電路

TFT是英文Thin Film Transistor(薄膜場效應(yīng)晶體管)的縮寫。TFT液晶顯示器件是指在液晶顯示器件的每個像素上都連接一個薄膜場效應(yīng)晶體管。這個場效應(yīng)管制作在液晶顯示器件的玻璃上。每個場效應(yīng)管獨立驅(qū)動一個像素，從而可以實現(xiàn)高速度、高亮度、高對比度的顯示效果。

我們知道，三極管是電流放大型的工作原理，即通過調(diào)制基極的輸入電流來控制三極管的集電極和發(fā)射極之間的輸出電流。對比三極管，場效應(yīng)管屬于電壓放大型，是通過調(diào)制柵極G上的輸入電壓(或稱電場)來控制漏極D和源極S之間的輸出電流。在電壓施加在場效應(yīng)管柵極G上時，柵極G的漏電流極小或沒有，表現(xiàn)出該器件具有非常高的輸入阻抗，由此我們稱之為場效應(yīng)管。

TFT液晶顯示的驅(qū)動原理可以總結(jié)以下幾個概念。

1.像素選通的獨立性：在TFT液晶顯示的驅(qū)動電路下，由于每個像素都連接一個場效應(yīng)管，當(dāng)某一個像素上的場效應(yīng)管處于關(guān)斷狀態(tài)時，驅(qū)動系統(tǒng)對其他像素的操作不構(gòu)成對該像素的影響，所以TFT液晶顯示的驅(qū)動沒有交叉效應(yīng)，也沒有因占空比的下降(掃描行數(shù)的增多)給對比度帶來的降低。

2.像素電壓的保持性：TFT液晶顯示的驅(qū)動電路在像素不選通的狀態(tài)下，原施加在像素上的電壓可以保持一段時間。因此在同樣的幀掃描時間內(nèi)，TFT液晶顯示驅(qū)動的行數(shù)比STN液晶顯示驅(qū)動要多得多。如果認為液晶負載的容性值不夠大，還可以在漏極D上并人一個補償電容C,以增加像素上驅(qū)動電壓的保持時間。

3.幅值驅(qū)動法：TFT液晶顯示的驅(qū)動電路在源極S上施加的電壓值不同，建立在像素上的電場強度就不同，液晶的電光效應(yīng)也就不同，從而在液晶顯示器件上產(chǎn)生灰階的顯示效果，所以稱TFT液晶顯示的驅(qū)動方法為幅值驅(qū)動法

二.屏幕的像素驅(qū)動電路

TFT通過控制液晶兩極之間的電壓，使得液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而控制背光通過的多少。因此對于TFT的柵極，一般只需要“開啟”和“關(guān)閉”兩個狀態(tài)，而像素電極間的電壓是通過數(shù)據(jù)線寫入，在柵極關(guān)閉之后，像素電極上的電壓通過存儲電容進行保持。因此，一個TFT加上存儲電容就可以實現(xiàn)像素的開關(guān)和數(shù)據(jù)的寫入及保持。而實現(xiàn)TFT的開啟只需要給定足夠的柵極驅(qū)動電壓，所以閾值電壓的大小與數(shù)據(jù)的輸入沒有關(guān)系。下圖為液晶顯示的像素電路。

圖1就是這兩種儲存電容架構(gòu)，圖中可以很明顯地知道，Cs on gate由于不必像Cs on common需要增加一條額外的common走線，所以其開口率(Aperture ratio)比較大。而開口率的大小是影響面板的亮度與設(shè)計的重要因素，所以現(xiàn)今面板的設(shè)計大多使用Cs on gate的方式。

但是AMOLED是主動發(fā)光器件，OLED要發(fā)光需要持續(xù)地提供給OLED器件電流，如果采用液晶這樣的電路，存儲電容上電壓將瞬間被OLED消耗，OLED將不能持續(xù)發(fā)光。因此，必須對AMOLED的像素驅(qū)動電路進行重新設(shè)計。下圖為最簡單的一個AMOLED像素驅(qū)動電路，恒流源VDD給OLED持續(xù)提供電流，電流的大小受到晶體管M1的柵極電壓控制，而M1的柵極電壓由數(shù)據(jù)信號寫入，存儲在電容C1中，保證在一個掃描周期能持續(xù)發(fā)光。

我們來分析一下驅(qū)動的實際過程：

行掃描電路開啟，M2導(dǎo)通

同時輸入像素驅(qū)動信號，M1導(dǎo)通，并將像素信號寫入C1

掃描信號關(guān)閉，C1電壓保持M1導(dǎo)通，VDD持續(xù)提供電流給OLED

流經(jīng)OLED的電流由M1晶體管控制，其滿足如下的公式：

其中，VDD為恒流源的電壓，W和L分別為晶體管溝道的寬和長度，μ為有效載流子遷移率，Cox為柵氧層單位面積電容，Vdata為輸入的數(shù)據(jù)信號，Vth為M1的閾值電壓。

那么問題來了，目前采用的工藝條件，無論是低溫多晶硅TFT還是IGZO TFT都存在著閾值電壓不穩(wěn)定的情況，那么在相同信號電壓的情況下，因為閾值電壓漂移，導(dǎo)致OLED的發(fā)光亮度變化，發(fā)光會出現(xiàn)嚴重不均一，具體看起來像沙子一樣，叫Sandy Mura。

要避免這種情況，一個辦法是通過內(nèi)部電路的設(shè)計進行補償。

下圖一個典型的7T1C架構(gòu)OLED發(fā)光單元驅(qū)動。7T1C就是7個TFT晶體管和1和電容C。7個晶體管重要的兩個我標紅了。T2叫drving tft，主要作用是驅(qū)動OLED發(fā)光。T1叫switching tft，作用是控制電容的充電和T2的導(dǎo)通。橙色的 T1就是LTPO中的氧化物晶體管。

簡單講解這個電路是如何工作的。首先是復(fù)位信號Gn-1打開兩個TFT，作用是給電容C和OLED復(fù)位，清除上一階段可能存在信號殘留。

第二步，Gn信號打開T1將顯示信號DATA送到電容C，給電容充電，相當(dāng)于把DATA信號暫時存儲在C里面。(DATA信號信號就是決定OLED亮度的)。補償?shù)淖饔檬窍齌FT制造不一致性導(dǎo)致的閾值電壓差異影響，

第三步：T1關(guān)閉，EM信號過來打開兩個開關(guān)，OLED開始發(fā)光。亮度由T2控制，而T2由電容C的電壓控制，電容C的電壓來自上一步通過T1的DATA信號。

上面的第一步、第二步是屏幕顯示要刷新時才會進行，第三步還肩負著PWM調(diào)光的任務(wù)。其中的EM信號就是我們常說的PWM調(diào)光的信號。因為電容暫時存貯著DATA信號，屏幕顯示不刷新的時候電容仍然控制著T2。

類似還有6T1C，5T2C等很多類似電路結(jié)構(gòu)，經(jīng)過近幾年的不斷研究和發(fā)展，內(nèi)部補償電路的拓撲結(jié)構(gòu)幾乎已被窮盡，很難再有實用性的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

這種像素電路工作時一般都會有三個工作階段，會經(jīng)歷復(fù)位、補償、發(fā)光，即一個驅(qū)動周期至少要干2到3件事，因此對電路驅(qū)動能力和面板上的負載都有一定要求。

它的一般工作思路是在補償階段把TFT的閾值電壓Vth先儲存在它的柵源電壓Vgs內(nèi)，在最后發(fā)光時，是把Vgs-Vth轉(zhuǎn)化為電流，因為Vgs已經(jīng)含有了Vth，在轉(zhuǎn)化成電流時就把Vth的影響抵消了，從而實現(xiàn)了電流的一致性。

但是實際因為寄生參數(shù)和驅(qū)動速度等影響，Vth并不能完全抵消，也即當(dāng)Vth偏差超過一定范圍時(通常?Vth≥0.5V)，電流的一致性就不能確保了，因此說它的補償范圍是有限的。

審核編輯：湯梓紅