一种单色硅基oled显示器的驱动电路的制作方法

专利名称：一种单色硅基oled显示器的驱动电路的制作方法
技术领域：
本申请涉及微电子显示技术，更具体地，本申请涉及一种硅基OLED显示屏和驱动 电路。
背景技术：
有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode, OLED)为电流驱动器件，要 求背板电路能提供精确、稳定的电流控制。早期的有源背板采用的是非晶硅(amorphous silicon, a-Si)TFT技术，但是由于非晶硅的迁移率较低及阈值电压的不稳定等原因，使其 没有获得成功。相比非晶硅而言，低温多晶硅(Low Temperature Poly-Silicon, LTPS) TFT的迁移率要高得多，但是阈值电压仍存在均勻性不一致的问题，所以需要在像素电路的 设计中进行一定的电路补偿，目前已有的OLED显示器大部分采用的都是LTPS TFT背板技 术。而在大尺寸OLED量产方面，LTPS的制造技术尚不成熟，没有统一的标准生产线，要制 备LTPS TFT背板必须投巨资建造专用生产线。硅基OLED微型显示器件采用单晶硅CMOS基板技术，相比其他基板技术而言，单晶 硅具有载流子迁移率高、阈值电压稳定等优点，可以将像素矩阵及周边驱动电路等都集成 在显示屏上，大大减小整个显示系统的体积及成本，同时成熟的CMOS集成电路工艺也为硅 基OLED微型显示器件的基板制作提供了便利，且单晶硅CMOS基板生产工艺流程标准化，仅 需支付小额的加工费用就可以在任何一家标准的单晶硅CMOS基板生产线上制备基板；同 时硅基OLED基板上的每个像素面积可以做得很小，利于显示分辨率的提高。在单晶硅CMOS 基板芯片的设计上，主要考虑的是如何精确控制流过OLED的电流，从而实现良好的灰度图 象显示。同时芯片功耗也非常重要，因为硅基OLED微型显示器件也就可以用于便携式近眼 显示，由普通手机电池供电，低功耗电路可延长电池的使用寿命。

发明内容
为精确控制OLED的电流并且降低电路功耗，克服上述的现有LTPS TFT背板像素 电路存在的缺陷，本申请提供一种基于单晶硅CMOS基板技术的一种硅基OLED显示屏和驱 动电路。根据本申请的一个方面，提供一种单色硅基OLED显示器的驱动电路，包括像素 单元电路矩阵、行驱动器电路、列驱动器电路、分频分流器电路、Vcom反转开关电路和OLED 发光层测试区；其中列驱动器电路分为镜像对称的上下两组电路，分别驱动奇偶数据线。综上所述，通过应用本发明，可以减少整机空间的尺寸，降低整机功耗。


图1示出根据本发明的显示屏区域示意图；图2示出时分脉宽调制帧周期的示意图；图3示出显示屏的功能结构示意图4示出像素单元电路的示意图；图5示出行扫描器电路的示意图；图6示出列扫描器电路的示意图；图7示出电平移位器电路的示意图；图8示出分频分流器电路的示意图；图9示出Vcom反转开关电路的示意图；图10示出图3所示结构的版图布图；图11示出图4所示的像素电路的详细结构。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种硅基OLED显示屏和驱动电路进 行详细描述。对于本申请所述的单色OLEDoS显示芯片(SVGA)的规格，其一般特征包括单色硅 基OLED(OLEDoS)显示芯片拥有864X606像素分辨率，按照时分脉宽调制模式实现灰度显 示，以备近眼显示应用。输入该芯片的视频数字信号为16b子场数据流，即按照子场数目从 1-8的不同设置，灰度可实现2-256级灰度显示。OLEDoS芯片可输入的数字信号的低电位 为八，可以取0V，高电位为VH，可以取3. 3V。总的来说，本申请的显示芯片具有的特征包括适合于单色显示用途的SVGA像素 分辨率；根据接口电路输入信号子场设置可进行2-256级灰度显示；采用CMOS工艺实现 OLED发光层负载驱动；像素单元中OELD发光层驱动管的工作状态可自由外置；对OLED发 光层实现了脉冲驱动模式；无固定像素时钟设置要求，形成视频数据传输通道；OLEDoS芯 片上集成行列驱动器，其中包括输入信号缓存电路模块、电压分配电路模块、接口静电防护 电路模块，分频器电路模块，行存储器模块等；显示图像可跟随输入数据输入方式进行对称 镜面转换。图1示出显示屏区域的规划图，如图1所示，该区域包括切割区和布图区，布图区 中包括焊盘区、密封区以及设计像素区，设计像素区域也就是显示区域。图中所示尺寸为设 计的最优尺寸，但这并不是对于本申请功能区划的限制，在实际的布图设计中，可以根据显 示需要进行调整，并且根据电子功能的划分，可以改变布图区和切割区的尺寸设计。在图1所示的实施例中， 该布图区由切割区四周围绕，焊盘区位于布图区的左侧， 焊盘区在布图区中所占面积小，沿着左侧的切割区成竖条状，焊盘区与左侧的切割区直接 相邻。设计像素区占到布图区的大部分面积，设计像素区的四周由密封区围绕，将设计像素 区和焊盘区以及切割区隔离。密封区在右侧和切割区直接相邻。密封区在左侧位于焊盘区 和设计像素区之间。在优选的实施例中，芯片类型为双阱CMOS工艺芯片；功能类型为全数字式；应用 途径为时分脉宽调制模式硅基OLED微型显示器；驱动负载为OLED有机发光薄膜层；设 计像素区的像素数为864X606 (523，584个像素)；像素间距15 μ mX 15 μ m ；显示面积 12. 96mm HX9. 09mm V(0. 62 英寸)；总的芯片面积17.00mm HX 13. OOmm V(0. 84 英寸)。本申请的OLEDoS显示芯片采用时分脉宽调制灰度显示模式，其基本原理是运用 人眼视网膜在视觉暂略时间范围内对亮度感觉具有类似于时间积分的物理效应，将每帧图像数据划分成η (η = 1-8)个子场(Sub-Fields)，每个子场像素的点亮时间对应不同权值， 通过OLEDoS显示芯片像素单元电路的调制驱动过程，将每个像素区内的OLED发光区域控 制在“亮”和“暗”两种状态，可采用二进制表示，这样就组合成2n灰度级数。每个二进制的灰度值的每一位对应一段基二权重的时间段，并按对应时间被显示 出来，因此人眼视网膜所接收到的是一系列的光脉冲。因为光脉冲是微秒级，远小于视觉暂 略时间(约20ms)，人眼视网神经不能区分出每个光脉冲，视网神经所感受的光强度是这些 光脉冲积分后的结果。图2示出时分脉宽调制帧周期，如图2所示，一个值为10110的二进制32灰度级数 的像素显示值，其中1代表开态，0代表关态；假设最低位对应的显示时间间隔为1，那么从 右到左的第二、三、四、五位的时间间隔分别是2、4、8、16，开态显示的时间为16+0+4+2+0 =22，因此人眼感受到的光强度是全亮态强度的22/(16+8+4+2+1) = 22/31。假设η = 8，则可以实现256灰度级数，这里指每帧图像分成8个子场，各子场发光 时间与数据比特位的权值比重相对应，即得到公式⑴SF8 SF7 SF6 SF5 SF4 SF3 SF2 SFl = 27 26 25 24 23 22 21 20(1)按灰度级数2η来分割每场的像素有效发光时间Teff，则第η个子场SFn的显示时 间tn遵循公式(2)n -~- ej' t = 2n - 1那么，对于每帧图像中个像素的亮态时间Tp遵循公式(3):
Teff
_2] Tp = (其中B为比特位位置，该位数值为0、1，分别确定在SFn内像素处于暗态还是亮态。8位时分脉宽调制灰度显示模式估算在假设OLED响应时间为零的理想情况下，800 X 600分辨率8位时分模式时序中， 75Hz对应于13. 333ms,即13333μ s，ly s写入1行，写满一场用600 μ s，一幅图的写入时 间为600X8 = 4800 μ S。有效显示时间为13333-4800 = 8533 μ s，分割为255份，每份 8533/255 = 33 μ s，有效发光时间占空比为8533/13333 = 64%。考虑到逐行写入模式，重 新计算有效时间为13333-8 = 13325 μ s，分为255份为13325/255 = 52 μ s，有效发光时间 占空比为13324/13333 = 99. 9%。实际应用中考虑到OLED的寿命等因素，加入电位反转黑 场，将8个子场增加到9个子场。外部并行16位数据输入频率为50M，考虑到实际物理像素为864X 606，插入黑场 后，实际时序如下写入1 行所用时间864X20ns/16 = 1. 08μ s写满1 场所用时间1·08μ sX606 = 655 μ s有效显示时间13333μ s-(655y sX9) = 7438 μ s分割为255 份7438 μ s/255 = 29. 169 μ s 调整为28 μ s黑场显示时间7438μs-(28 X 255) μ s = 298 μ s有效发光时间占空比:(7438μs-298y s)/13333y s = 53. 6%
各分场的周期28X128= 3584 μ s ；28X64 = 1792 μ s ；28X32 = 896 μ s ； 28X 16 = 448 μ s ；28X8 = 224 μ s ；28X4 = 112 μ s ;28X2 = 56 μ s ;28 μ s ；黑场= 298 μ S。图3是根据本发明的显示器的驱动电路的示意图，如图3所示，其中OLEDoS显示 芯片采用双阱CMOS硅器件工艺，输入视频数字处理电路和像素单元OLED发光层驱动阵列 同基底集成。根据前面显示性能的要求，图3示意了整个OLEDoS芯片的电路结构，包括 像素单元电路矩阵、行驱动器电路、列驱动器电路、分频分流器电路、Vcom反转开关电路和 OLED发光层测试区。为了降低芯片工作频率，不仅把列驱动器分为电学结构镜像对称的上下两组电 路，分别驱动奇偶数据线，而且采用分频分流器电路实现32组数据并行输入像素单元显示 矩阵的方式。另外，这种电路结构可以使芯片面积变小，显示效果均衡。像素单元电路矩阵包括多个像素单元电路，其中图4示出一个像素单元电路。像 素单元电路包括4个PMOS管(图4中的P2\P3\P4\P5)，用于向OLED发光层提供驱动脉冲 电流，通过电流脉冲宽度的累积实现灰度调制。如图4所示，P2用作OLED发光层的驱动管，P3为像素单元矩阵寻址开关管，P4为 驱动开关管，P5为像素单元电路保护管，Cl为存储电容器，SV与SVB为一对互不交叠得到 扫描寻址信号，VD为数字视频位信号，其中VDH为“暗”信号，VDL为“亮”信号，Vcom为-3V 的公共电位。其中，P2的漏极连接电源VCC，P2的栅极和VCC之间连接电容Cl，P2的源级连接 P4的漏极。P2的栅极连接P3的漏极，P3的源级连接VD，P 3的栅极连接扫描寻址信号SV。 P4的栅极连接扫描寻址信号SVB，P4的源级连接到OLED发光层到Vcom。P4的源级还连接 P5的栅极和源级，P5的漏极接地。当扫描寻址信号SV为低电平时，P3管导通，VD对Cl进行充放电，当充入VDH电 位时，P2驱动管工作在截止状态，即不向OLED发光层提供驱动电流；当充入VDL电位时，P2 驱动管工作在亚阈值状态，即向OLED发光层提供几十纳安的微驱动电流。在P3导通期间，P4截止，从而防止在P2驱动管工作状态发生变化时产生的瞬变 电流激发OLED发光层出现意外闪烁现象。P3从VD取样截止后，P4立即导通；PMOS管P5 用作像素单元电路的保护管，当P4管的输出电位低于OV时，P5开始导通，从而可以保持 P1\P2\P3\P4施加电位差为5V。透过OLED发光层Vcom公共电极接入-3V电位，最终能够 施加到OLED发光层上的最大电压为8V，从而达到了使用低电压CMOS工艺芯片驱动高电压 (比如8V)0LED发光层的目的。图5示出行扫描器电路的电路结构。显示芯片电路的行扫描驱动器位于芯片左 边，它有606个驱动单元，依照帧触发时钟Vs和扫描时钟脉冲RCK同步控制，它们从第一行 到最后一个行依次驱动。如图5所示，行驱动器电路由水平移位寄存器，电平移位器和扫描缓冲驱动器组 成。水平移位寄存器是一个单相输入的606位移位寄存器，在水平移位脉冲RCK和帧触发 时钟Vs的作用下，依次产生从第1行到第606行的扫描信号。扫描信号通过电平移位器的 作用，产生VL = 0V/VH = 5V的扫描电平，进一步由扫描缓冲驱动器增强驱动能力，用于寻 址每一行中的864个象素单元电路。具体地说，水平移位寄存器扫描到第i行时，通过该行扫描缓冲驱动器的作用，象素矩阵中与第i条扫描电极连接的864个PMOS开关管导通。因 为是逐行扫描，这时其它扫描电极皆为5V电位，其余的PMOS开关管均截止。随着水平移位 脉冲RCK的作用，被选取的扫描电极将依次改变。 图6示出列扫描器电路的电路结构。并行输入的16位视频信号分成两个16组，向 列扫描器串行输入数字视频信号，在串入并出的垂直移位寄存器作用下，依次存入第1级 锁存器。第1级锁存器在读入数据前，把所存数据写入第2级锁存器，然后第1级锁存器在 读入数据时，第2级锁存器同时通过电平移位器向存储信号数值的选择传输器(STG)写出 数据，这两组锁存器实现边读入边写出的功能。第2级锁存器存满一行后在读出信号作用 下，配合行扫描信号，同时输入到各列数值的选择传输器，则每列的1位数字信号同步转换 成一个调控电压信号(VH/VL)作用到象素上，而整体效应则是串行数字视频信号转化成并 行视频。调控电压信号，逐行写入每个像素矩阵，驱动其间的4个PMOS管协同工作。图7示出电平移位器电路的结构。其中，无论行驱动器还是列驱动器的电路结构 中都采用了电平移位器，其目的是通过标准3. 3V低电压逻辑控制实现5V高压输出，驱动象 素显示矩阵工作，这样做可以降低芯片中逻辑处理部分电路55 %的功耗。图7中，PU P2为由低压器件组成的反相器，用于产生反相输入信号二 HVP1-4 和HVN1-4采用高压CMOS工艺制作，这些高压器件组成电平转移和驱动缓冲两个电路。电 平位移电路工作原理当in = 5V时，HVN2和HVPl导通，HVm和HVP2截止，out = HVDD ； 相反，in = OV时，out = OV0可见，该电路结构实现了信号电压从低电平向高电平的位移。图8示出分频分流器电路的结构。如图8所示，该电路模块由分频电路和分流电 路两部分构成。分频电路将显示时钟PCk的频率减半，从而使得整个显示芯片的工作频率 减半。分流电路内置两级锁存器，完成对串行输入的两位数据实现同步并行输入，配合了工 作频率减半的设置。图9示出Vcom反转开关电路的结构。反转开关电路包括反转信号输入电路、电平 位移电路、输出缓存电路三部分。Vcom的输出电压值为OV和5V。应当注意的是，由于采用 的是5V_CM0S制备工艺，故该开关有效转换电压为OV到5V之间，若Vcom使用-3V，则需外 接转换开关。图10为版图布图的示意。其中，OLEDoS芯片电路由50余万个MOS晶体管组成， 采用一维布图样式来合理地放置这些PMOS与NM0S，单元版图包括ρ型和ρ型两排水平扩散 条，PMOS晶体管位于P型条，NMOS晶体管位于η型条。共栅的PMOS管和NMOS管垂直对齐放置，共用一条多晶栅，这样一对PMOS管和 NMOS管称为一个晶体管对，而不共栅但垂直对齐放置的一对PMOS管和NMOS管也称为一个 晶体管对。电路中相连MOS管的源漏区如相邻，则用扩散区相连，称为源漏共用，多个连续排 列且源漏共用的MOS管称为扩散链，由于MOS管常常Ρ、Ν成对排列，所以扩散链又称晶体管 对链。电源/地线平行地布于两排水平条以外。电源/地线以外的线网布在P型和N型水 平条之间。芯片版图结构应具有如下特征PM0S像素驱动矩阵可视为一个象素单元的版图 作864X606的阵列展开；周边驱动电路也具有一维高度重复性，即各行扫描驱动器电路结 构完全一致，各列也是电路结构完全一致。因此，对于PMOS显示矩阵只要设计出一个象素对称重复单元体，然后按二维平面布图则可；周边驱动电路按照一维布图样式布局出一列 或一行的版图，然后相邻行或列作镜相复制，这样可以使相邻的行或列共用电源线或地线， 则能设计出最紧凑的版图。设计 行或列的版图采用核心生长法。首先将像素驱动矩阵安置在芯片的中部，然 后以这些单元为核心放置行或列的相关单元，接着是时钟树和输入数据线，逐渐向芯片的 四周扩展和生长，直至单元全部安置完毕。另外，显示芯片对PAD的位置没有限制，则引出 接点的位置可取决于芯片内部单元的安置结果。最后再考虑放置陪管、测试点、测试电路以 及Vcom公共电极的预留空间。图11示出详细的硅基OLED显示芯片像素电路结构。其中，该硅基OLED显示芯 片像素电路结构包括至少由读入PMOS管源极以及读入PMOS (P-channel Metal Oxide Semiconductor，P型沟道金属氧化物半导体)管栅极以及读入PMOS管漏极构成的读入 PMOS管、至少由PIP电容器低阻多晶硅上电极以及PIP电容器高阻多晶硅下电极构成的 PIP (Poly Si-insulator-Poly Si，多晶硅-绝缘层-多晶硅)电容器、至少由驱动PMOS管 源极以及驱动PMOS管栅极以及驱动PMOS管漏极构成的驱动PMOS管、至少由写出PMOS管 源极以及写出PMOS管栅极以及写出PMOS管漏极构成的写出PMOS管、至少由地线保护PMOS 管源极以及地线保护PMOS管栅极以及地线保护PMOS管漏极构成的地线保护PMOS管、通过 读入PMOS管源极连线与所述读入PMOS管源极相连接的视频数据串行位线、同时连接PIP 上电极连线和驱动PMOS管源极连线的电源线、通过地线保护PMOS管漏极连线与所述地线 保护PMOS管漏极相连接的OV地线、通过读入PMOS管栅极连线与所述读入PMOS管栅极相 连接的正相行选通线、通过写出PMOS管栅极连线与所述写出PMOS管栅极相连接的负相行 选通线、与驱动电极连接线相连接的OLED发光层驱动电极。所述PIP上电极连线连接到所述PIP电容器低阻多晶硅上电极，所述驱动PMOS管 源极连线连接到所述驱动PMOS管源极；所述PIP电容器高阻多晶硅下电极通过PIP下电极 连线连接到把所述读入PMOS管漏极与所述驱动PMOS管栅极连通的漏栅极连接线上；所述 驱动PMOS管漏极与所述写出PMOS管源极通过源漏极连接线相连通；所述地线保护PMOS管 栅极、所述地线保护PMOS管源极、所述写出PMOS管漏极分别通过地线保护PMOS管栅极连 线、地线保护PMOS管源极连线、写出PMOS管漏极连线与所述驱动电极连接线相连接；所述 电源线、所述正相行选通线、所述负相行选通线、所述OV地线沿水平方向设置，且互不相交 连通；所述视频数据串行位线沿垂直方向设置，且与所述电源线、所述正相行选通线、所述 负相行选通线、所述OV地线互不连通。所述OLED发光层驱动电极由金属或金属合金制成，常用的金属为铝、铜、金、银 等，但不限于这几种，为提高OLED稳定性和增强表面发射率，金属电极表面可采用化学机 械抛光法(CMP)进行抛光处理。所述OLED发光层驱动电极覆盖的面积不超过所述硅基OLED 显示芯片像素电路结构面积的90%。所述电源线上承载不低于3. 3V的恒定电位值；所述 视频数据串行位线中交替承载高电位信号和低电位信号，且所述高电位信号数值不低于所 述电源线上承载的不低于3. 3V的恒定电位值，所述低电位信号数值不高于比所述高电位 信号数值低0. 5V的数值；所述正相选通线和所述负相选通线上承载的信号为互不交叠反 相电压信号；所述一种硅基OLED显示芯片像素电路结构采用PMOS制程工艺在N型单晶硅 衬底上生产实现。
最 后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法 进行限制。
权利要求
1.一种单色硅基OLED显示器的驱动电路，包括像素单元电路矩阵、行驱动器电路、列 驱动器电路、分频分流器电路、Vcom反转开关电路和OLED发光层测试区；其中列驱动器电 路分为镜像对称的上下两组电路，分别驱动奇偶数据线。
2.权利要求1所述的驱动电路，其中，所述分频分流器电路用于实现32组数据并行输 入到像素单元显示矩阵。
3.权利要求1所述的驱动电路，其中，所述像素单元电路矩阵包括多个像素单元电路， 所述像素单元电路包括4个PMOS管，用于向OLED发光层提供驱动脉冲电流。
4.权利要求3所述的驱动电路，其中，所述像素单元电路通过电流脉冲宽度的累积来 实现灰度调制。
5.权利要求3所述的驱动电路，其中，所述像素单元电路中，第一PMOS管用作OLED发 光层的驱动管，第二 PMOS管为像素单元矩阵寻址开关管，第三PMOS管为驱动开关管，第四 PMOS管为像素单元电路保护管。
6.权利要求5所述的驱动电路，其中，第一PMOS管的漏极连接电源VCC，第一 PMOS管 的栅极和VCC之间连接电容器Cl，第一 PMOS管的源级连接第三PMOS管的漏极，第一 PMOS 管的栅极连接第二 PMOS管的漏极；第二 PMOS管的源级连接数字视频位信号VD，第二 PMOS 管的栅极连接扫描寻址信号SV ；第三PMOS管的栅极连接扫描寻址信号SVB，第三PMOS管的 源级连接到OLED发光层到Vcom，第三PMOS管的源级还连接第四PMOS管的栅极和源级，第 四PMOS管的漏极接地。
7.权利要求6所述的驱动电路，其中，当扫描寻址信号SV为低电平时，第二PMOS管导 通，VD对Cl进行充放电。
8.权利要求7所述的驱动电路，其中，当对Cl充入高电位时，第一PMOS管工作在截止 状态，不向OLED发光层提供驱动电流；当对Cl充入低电位时，第一 PMOS管工作在亚阈值状 态，向OLED发光层提供几十纳安的微驱动电流。
9.权利要求6所述的驱动电路，其中，在第二PMOS管导通期间，第三PMOS管截止，防止 在第一 PMOS管工作状态发生变化时产生的瞬变电流激发OLED发光层出现意外闪烁现象。
10.权利要求9所述的驱动电路，其中，第二PMOS管从VD取样截止后，第三PMOS管立 即导通；第四PMOS管用作像素单元电路的保护管，当第三PMOS管的输出电位低于OV时，第 四PMOS管导通，透过OLED发光层Vcom公共电极接入-3V电位，使得施加到OLED发光层上 的最大电压为8V。
全文摘要
本发明公开了一种单色硅基OLED显示器的驱动电路，包括像素单元电路矩阵、行驱动器电路、列驱动器电路、分频分流器电路、Vcom反转开关电路和OLED发光层测试区；其中列驱动器电路分为镜像对称的上下两组电路，分别驱动奇偶数据线。
文档编号G09G3/32GK102074194SQ20101062353
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者代永平, 凌代年, 彭华军, 邱成峰, 郭海成, 黄飚 申请人:广东中显科技有限公司