一种基于数字灰度的微显ＯＬＥＤｏｓ的片上电路设计:数字灰度传感器

　　摘要：介绍了高分辨率硅基微显OLED的特性和时间子场的数字灰度技术，基于单晶硅CMOS成熟技术，给出了一种片上电路设计方案，方案采用2管的数字像素电路，集成了行扫描电路及列数据驱动电路，经模拟仿真满足设计要求。
　　关键词：硅基有机电致发光显示器；素电路；驱动电路；数字灰度技术
　　中图分类号：TN312.8 文献标识码：A
　　
　　A Circuit Design on Chip for OLEDos Based on Digital Gray Scale
　　TIAN Ding-bao1,3，LV Guo-qiang1,2,3，HU Yue-hui1,2，YANG Chun-lai1,3
　　（1.Key Laboratory of Special Display Technology , Ministry of Education, Hefei University of Technology；2. Academe of Opto-electronic Technology , Hefei University of Technology；3. School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering , Hefei University of Technology, Anhui Hefei230009, China）
　　
　　Abstract: The characteristic of high resolution OLED-on-silicon and the digital gray scale based on time sub-frame are introduced, an integrated circuit on chip design based on monocrystalline silicon CMOS utilizing two transistors digital pixel circuit is presented, which integrates row and column driver circuits on chip and the design meet the requirements of design by simulation.
　　Keywords: OLEDos（OLED-on-silicon）；pixel circuit；driver circuit；digital gray scale
　　
　　1引言
　　
　　有机电致发光显示器（organic light emitting display, OLED）具有主动发光、反应速度快、重量轻与视角宽等优点，被认为是继液晶显示器之后极具潜力的新一代平板显示技术。其全固态结构、抗震性好和对温度不敏感等优点更是在军事及特殊领域具有很好的应用前景。OLED按照驱动方式可分为无源驱动（passive matrix OLED, PM-OLED）和有源驱动（active matrix OLED, AM-OLED）。作为AM-OLED的一个重要分支，OLEDos（OLED -on -silicon）实现有机发光器件与成熟的CMOS电路相结合，制作成硅基顶出光的微显示器。这样，一方面可以解决底发射显示器件驱动电路占用显示发光面积的问题，提高了显示器件的开口率；另一方面可以集成周边驱动电路，从而使片外配套的大规模集成电路的外部驱动电路和接口大大减少，成本也随之大幅度降低，实现增强产品可靠性和缩小整体尺寸的目标。所以硅基顶发射器件OLED逐渐成为有机发光显示器研究的一个热点。
　　本设计中OLED器件 采用硅基顶发光，以白光OLED+RGB滤色膜的方法实现彩色化，器件分层结构如图1所示。设计分辨率800×600×3，16级灰度，据此本文给出了片上像素矩阵及集成周边驱动电路的设计方案。
　　
　　2设计方案
　　
　　2.1数字灰度技术
　　由于OLED是一种电流驱动型发光器件，其发光亮度与驱动电流成正比。而高分辨率的硅基OLED像素电流很小，一般在几百pA到几十nA之间[1]。若采用按电流比例来实现灰度分级，首先电压分割及电压电流转换将十分困难，其次还将面临各个像素电流的一致性问题。所以本文采用一种数字灰度方案，即时间分场技术来实现灰度。数字灰度方法中的时间比率灰度(Time Ratio Gray)，其基本原理是利用人眼在一定时间范围内，对亮度感觉具有类似于时间积分的效应，从而可以利用像素点亮的时间来区分亮度，实现灰度级[4]。
　　设输入视频信号的帧周期为T，灰度级为H，每帧需分割的子场数目n=log2H，则第i个子场显示的时间：
　　
　　要实现16级灰度，可以将一个场周期分为 4 个子场，4 个子场的发光时间比例为 1：2：4：8。由于显示过程中不同子场所加的电压是相同的，使驱动晶体管工作在饱和区，OLED 处于亮度饱和区，OLED 在4个子场的发光有效亮度比例也为 1：2：4：8，每个子场有亮与不亮两种状态，从而可以实现24=16 级灰度。此部分功能由片外电路实现。片外电路利用FPGA模块设计，实现地址发生、系统时钟分频和显示控制的功能。并产生子场显示的时钟和同步信号，和子场的视频数据同步地提供给OLED屏。
　　
　　2.2数字像素电路
　　数字驱动设计的像素电路如图２所示，它有两个均为P沟道的晶体管和一个存储电容组成[3]，其中的晶体管只起到导通开关的作用。当扫描电极低电平选通时，寻址作用的M1导通，列电极数据信号对C进行充放电，扫描电极为高电平时M1关断，电容上的信号保持到下次行选通来临。当各行数据全部写入后，OLED的输出端即阴极Vc为负电压选通，电容信号维持M2导通时，OLED由两端的偏置电压共同作用而发光。
　　实验中采用的白光OLED发光材料，最高灰度级对应亮度L=600cd/m2，发光效率 η＝8.5cd/A。
　　由流过OLED像素的电流密度的计算公式：
　　
　　算出像素电流密度为7.058mA/cm2。依据白光OLED器件的偏置电压与像素电流密度的关系图（图3）[1]，可得其偏置电压约为6.2V。
　　如像素电路结构图2所示，M2工作在饱和区，作用相当于模拟开关，OLED的阴极Vc接-3V偏置电压，这样CMOS采用低压工艺，OLED的阴极和阳极电压差可以满足器件发光要求，从而可以实现低压低功耗设计。
　　
　　2.3片上驱动电路的设计
　　图4示出了硅基AM-OLED片上驱动电路的布局框图。显示矩阵的两侧采用了一对600位的行扫描电极共同驱动一行电极，这样对称的冗余设计，可以减少扫描信号在行电极上的延迟，并能提高器件的可靠性[5]。列驱动电路由上下各1,200位驱动列构成，分别完成对奇数列和偶数列的驱动，这样的设计既能够方便信号线的引出，又能降低列驱动的工作频率。
　　2.3.1行驱动电路的设计
　　行驱动电路的功能为输出一系列互不交叉的行选通信号，相当于一个信号延迟电路，即将输入的激励信号，通过每个触发器实现延时输出，从而实现行电极依次导通。其基本单元由CMOS D触发器组成，用6个反相器和4个传输门构成[6]，如图5所示。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　利用CMOS D触发器基本单元，我们对单元电路进行连接，组成600位的移位寄存器，由于PMOS低电平导通，行输出端通过与非门与信号SET相连，使输出为低电平脉冲，其电路连接如图6所示：
　　考虑到增强行驱动能力，输出部分还须经过由2个串接的反相器构成的缓冲电路，整个行驱动芯片的工作波形图如图7所示，图中ST为激励信号，SET是使输出为反向的参考信号，CP为移存时钟信号。
　　2.3.2列驱动电路的设计
　　因为采用的是数字灰度实现方案，因此列驱动电路较模拟驱动相对简单，它主要由移位寄存器、锁存器、开关电路组成，如图8所示。
　　列驱动电路由上下两组各1200位构成，分别负责驱动奇数列和偶数列的电极，这样可以使布局引线更为合理，可以同时进行数据写入，降低列驱动电路的工作频率。
　　列数据锁存器设计成BLOCK的形式，方便引线，使结构更为合理。每个列锁存器由10个128bit的BLOCK组成，BLOCK由D锁存器构成，其结构如图8所示：
　　移位寄存器的功能是用来产生选通每个BLOCK的使能信号ENi，其结构与行驱动IC中的移位寄存器类似。
　　列驱动电路结构如图9所示，通过10位的移位寄存器的输出信号LR依次选通每个BLOCK，实现外部的RAM数据写入，整行数据都写入10个BLOCK电路后并由BLOCK锁存。当对应行选通信号来临时，由与行选通信号同步的SW信号选通NMOS开关电路，实现数据的整行输入。如图10所示。
　　图10说明了列驱动的工作时序及数据加载波形，当各行数据写入完毕后，OLED输出端Vc选通，OLED发光，其选通时间依据该子场的按比例分配的时间，这样4个子场依次显示完成了一帧图像的灰度显示。
　　
　　3总结
　　
　　本文给出了一种新型的硅基OLED的片上电路设计方案，结合数字灰度技术，将部分功能转移到片外电路实现，从而减少片上电路的复杂程度及工艺难度。重点给出了基于上述设计的片上集成行、列驱动电路的原理和结构，并通过软件模拟满足设计要求。后续工作，将针对该设计方案完成版图设计并进行流片试制。
　　
　　参考文献：
　　[1] Gary B. Levy, William Evans, John Ebner, et al. An 852×600 Pixel OLED-on-Silicon Color Microdisplay Using CMOS Subthreshold-Voltage-Scaling Current Drivers[J]. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 37, NO. 12, DECEMBER 2002: 1879~1889.
　　[2] R. Jacob Baker, Harry W. Li, David E. Boyce. CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation [M].John Wiley & Sons, Inc，2006.
　　[3] 沈 亮, 尹 盛等.12.7cm彩色AM-OLED显示器分场驱动研究[J].光电子 o 激光, 第17卷, 第10期，2006: 1173~1176.
　　[4] 赵 东, 耿卫东, 吴春亚, 等. 用FPGA实现OLED灰度级显示[J]. 光电子 o 激光, 第13卷，第6期，2002: 554~558.
　　[5] 王阳元, T.I.卡明思, 赵宝瑛,等. 多晶硅薄膜及其在集成电路中的应用（第二版）[M]. 科学出版社, 2001
　　[6] 陈贵灿, 张瑞智, 程军. 大规模集成电路设计[M]. 高等教育出版社, 2005.省略。
　　
　　注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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