专利名称：在宽动态范围中产生精确电流的方法与装置的制作方法
在宽动态范围中产生精确电流的方法与装置有关申请的交叉参照本申请根据35U. S.C. § 119(e)要求2007年12月12日提交的美国临时申请 60/971738的优先权。
背景技术：
本发明涉及响应于局部位置处经编程的电流而在远处位置产生精确且准确的电 流值的方法和装置。准确且精确的电流值在许多应用中都是令人期望的，这包括数模转换、图像显示 驱动等应用。例如，在有机发光二极管(0LED)显示器中，多个像素排列成多个行和列，其中每个 像素包括两个薄膜晶体管(TFT)、存储电容器和0LED器件，一个TFT是寻址(或开关)晶体 管，而另一个TFT则是驱动(或电源)晶体管。为了激活0LED阵列的给定像素，选中一根扫 描线(行线)，使视频信号加载到数据线(列线)上并且输入到驱动晶体管(通过寻址晶体 管)以控制通过0LED器件的电流。视频信号存储在存储电容器上达一个帧的持续时间。0LED器件以正比于通过该器件的电流的强度进行发光。因此，电流驱动是较佳的 0LED驱动模式。然而，至少有两个问题困扰着0LED显示驱动器行业。0LED像素中的宽动 态范围要求0LED亮度的较低一端处的电流要非常小。将小且精确的电流分配到0LED阵列 中的远处像素位置这一过程可能受到系统偏置误差和漏电流的不利影响，从而导致非均勻 的显示亮度。另外，小电流不提供足够的驱动以使具有较大的分布电容的列线上的电压迅 速地稳定。由此，在给定的视频帧可用的时间内为整个阵列建立像素照明的能力可能受到 影响。当显示分辨率增大时，上述问题会更严重。实际上，阵列像素可用的稳定时间随分辨 率增大而减小。常规显示驱动器技术使用薄膜晶体管电路在给定的像素位置对电流进行编程或 对电压进行编程。在电流编程过程中，通过该位置处的电流镜，将电流发送到0LED像素。在 电压编程过程中，通过该像素位置处的像素驱动晶体管，将电压转换成像素驱动电流。这些 技术证明了合理的稳定性，但是仍然具有上述强度非均勻性的问题和稳定时间缓慢的问题 (特别是在低电流处)。尽管与电流编程相比电压编程技术可能使像素位置更快地稳定，但 是这些技术具有系统性晶体管失配的问题并且0LED驱动电流随0LED老化而发生偏移。照明非均勻性和稳定时间较差等问题已使用于驱动0LED阵列的常规电流技术不 能令人满意。结果，商用显示器行业放缓了采用0LED技术的趋势。由此，本领域需要用于将精确的电流提供给多个0LED像素位置的方法和装置，这 些精确的电流在宽动态范围中是准确的，呈现出很快的稳定时间，并且在0LED器件老化时 还保持准确度。
发明内容
根据本发明一个或多个实施方式的方法和装置提供用于产生驱动负载的远处电流，包括产生局部电流Iref ；用数值K来放大局部电流Iref，以产生局部电流1( Iref ； 在另一个位置作局部电流K Iref的镜像；响应于局部电流K Iref的镜像，产生远处电 流K Iref ；以及使远处电流K Iref除以匹配值K，以产生用于驱动所述负载的远处电流 Iref。根据本发明的一个或多个方面，一种电流驱动器电路包括局部参考电流电路，用 于产生局部电流Iref并且用数值K来放大Iref以产生局部电流1( Iref ；电流镜电路，用 于在第一输入处接收来自局部参考电流电路的局部电流K Iref或者将局部电流1( Iref 提供(source)给局部参考电流电路并且在第二输入处对该电流作镜像；以及远处电流驱 动电路，用于响应于局部电流1( Iref在电流镜电路的第二输入处产生远处电流K Iref 并且使远处电流K Iref除以匹配值K以产生用于驱动一负载的远处电流Iref。局部参考电流电路可以包括上-比例电流发生器，用于使Iref放大K倍以产生局 部电流K-Iref.远处电流驱动电路可以包括下-比例电流发生器，用于使远处电流K-Iref 除以匹配值K以产生远处电流Iref。可以用单片或薄膜晶体管制造技术中的比例-度量设 计来实现上_比例电流发生器和下_比例电流发生器。在一个或多个实施方式中，上-比例电流发生器和下-比例电流发生器可用于改 变作为Iref的大小的函数的数值K。例如，上-比例电流发生器和下_比例电流发生器可 用于随Iref的大小减小而增大数值K，反之亦然。数值K可以是在大约100到5000之间， 比如大约是1000。对于本领域技术人员而言，根据本文的描述以及附图，本发明的其它方面、特征和 优点都将变得显然。
为了示出，图中有各种较佳呈现形式，然而，应该理解，本发明并不限于所示的精 确排列方式和手段。图1是多个像素的显示阵列的示意图，每一个像素都具有根据本发明一个或多个 方面的电流驱动器；图2是图1的显示阵列的列线的等效电路的示意图；图3是根据本发明的一个或多个方面的电流驱动器的框图；图4是适于实现图3的电流驱动器的示例性电路的示意图；以及图5是通过测量本发明的电流驱动器的精确度而获得的实验结果的曲线图。
具体实施例方式参照附图，其中相同的标号指示相同的元件，图1示出了显示阵列100 (比如0LED 阵列)的示意图，该显示阵列100具有排列成多行和多列的多个像素、局部电流参考电路 102和附加电路106(比如行驱动器电路)等，这对于本领域的普通技术人员而言是明显的。 每一列112的每个像素110(比如像素(或单元)110i)包括许多电路组件，这些电路组件 用于对像素110进行寻址、存储用于该像素的照明值以及驱动通过相关0LED器件的电流。为了激活0LED阵列100的给定像素110，选中扫描(行)线114(比如线114i)， 将照明电平(它是从期望的视频信息帧中推出的)加到特定的列线(比如与像素110i相关的列线112i)上。行线114i的选择激活了像素110i的寻址电路，使得照明电平存储在 像素110i中(通常通过一个或多个电容器)并且用于设置一电流电平以便施加给该0LED 器件。像素110的0LED器件以正比于通过该器件的电流的强度进行发光。针对每一帧，为阵列100的每个像素110重复上述过程，其速率通常是每秒30帧 (每帧33毫秒)。由此，除了期望将精确的电流驱动到0LED器件中以外，必需使列线112 从初始值渐变到最终的编程电平的速率也是很重要的。参照图2，每个列线112的等效电路 是分布式R-C电路。由此，通过线112的电流的瞬时变化和/或线112上的电压电势的变 化不是可能的。然而，根据本发明的一个或多个方面，列线112上的编程电流的精确度和变 化速率_以及0LED可用的电流和/或流过0LED的电流-是以本领域至今未被想到的方式 来处理的。图3是根据本发明的一个或多个方面的电流驱动器电路120的框图。电流驱动器 电路120包括上述局部电流参考电路102以及远处电流驱动器电路122。应该理解，每一个 列线112可以包括专用的局部电流参考电路102，或者不止一个列线112可以共享单个局 部电流参考电路102。在后一种情况下，可以用多路复用电路(未示出)将给定的列线112 耦合到局部电流参考电路102达特定的时间间隔，在该特定的时间间隔内将列线112驱动 至期望的电流和电压电平。之后，多路复用器将下一个列线112耦合到局部电流参考电路 102达另一个间隔，如此等等。也应该理解，阵列100的每个像素110包括专用的远处电流 驱动器电路122。局部电流参考电路102包括精确电流参考124、上-比例电流发生器电路126和电 流镜电路128。精确电流参考124提供(source)或接收(sink)电流Iref，该电流表示给 定像素110i的期望照明电平。使用本领域已知的图形处理技术来计算Iref的特定电平， 并且通过编程线124'控制具体的数值。假定精确电流参考124接收电流，上-比例电流发 生器电路126提供电流Iref并且产生Iref的放大版本，以具体地产生局部电流K Iref。 上_比例电流发生器电路126将局部电流K 'Iref提供给电流镜电路128的一个输入。由 此，电流镜电路128将通过列线112i来接收相等的电流K *lref并将该电流接收至其另一 个输入中。在备选的实施方式中，精确电流参考124可以提供电流，上-比例电流发生器电 路126可以接收电流Iref和K Iref，并且电流镜电路128可以提供电流K Iref。远处电流驱动器电路122包括下-比例电流发生器电路130和负载器件132(比 如0LED器件)。下-比例电流发生器电路130通过列线112i接收“远处”电流K Iref, 该电流是由电流镜电路128产生的(假定电流镜电路128用作电流阱)。下-比例电流发 生器电路130用于使远处电流K Iref除以匹配值K以产生远处电流Iref以便于驱动上 述负载132。设计上-比例电流发生器电路126以将比例K/1应用于局部电流Iref，而设计 下-比例电流发生器电路130以将比例1/K应用于远处电流1( Iref。为了在将远处电流 Iref编程到负载132中的过程中实现超高精确度，用比例-度量设计来实现上-比例电流 发生器电路126和下-比例电流发生器电路130的晶体管电路，可以用单片或薄膜晶体管 制造技术在共同的半导体芯片上实现该比例-度量设计。这可能导致乘积项K/1 1/K = 1. 000(在0. 准确度之内)。在显示器通常所使用的薄膜晶体管技术中，该乘积项的精 确度得到提高，因为在薄膜晶体管技术的隔离的台面结构中并不存在电流镜误差的主要来源，即基板漏电流。正是该乘积项的准确度改善了通过(0LED)负载132的编程的远处电 流Iref的精确度并且解决了现有技术中显著的非均勻照明的问题。另外，使用上_比例和 下-比例电流发生器电路126、130的比例_度量设计，可确保在非常宽的动态范围上(从 大约6nA到大约6uA)的精确度。有利的是，列线上的稳定时间比现有技术中的情况要快很多，特别是在较低的电 流编程电平处。实际上，通过使用介于约100和5000之间的K值(比如额定值1000)，提 供(或接收)列线112i上的远处电流K Iref的电流的大小显著高于(即高出K倍)若 不使用上_比例电流发生器电路126的情况(现有技术中正是这种情况)。根据本发明的一个或多个实施方式，上-比例电流发生器电路126和下_比例电 流发生器电路130可用于改变作为Iref的大小的函数的数值K。当局部电流Iref的编程 的电平是相对较低时，比如在lOnA的量级上，期望具有相对较高的K。在使用高K的情况 下，漏电流(和其它电路非理想状况)的影响在与电流!( Iref的大小相比时变得不太重 要，并且由此实现了编程的远处电流Iref的精确度。同时，相对较高的K确保减小了列线 112的稳定时间，同样是因为更高的K Iref的大小能对抗列线112的固定的分布电容。另一方面，当编程的局部电流Iref的大小是相对较高时，比如几百个nA，非常高 的K可能导致过大的功率耗散和/或用于过激励该电路的多个部分的电势。由此，上_比例 电流发生器电路126和下-比例电流发生器电路130可用于分别通过线126'和130'上 的控制信号在Iref的大小减小时使数值K增大并且在Iref的大小增大时使数值K减小。 不需要控制线来调整作为局部电流Iref的函数的K。实际上，因M0SFET的本征传导性质， K是该电流大小的反函数。图4是适于实现图3的电流驱动器电路120的示例性电路的示意图。使用以地为 参考的可编程电流源来实现精确电流参考124。使用PM0S晶体管TR1、TR2、TR3和TR4来 实现上_比例电流发生器电路126，其配置与增益可使得TR3与TR4传输K倍的电流Iref。 如参考上-比例电流发生器电路126的TR1、TR2、TR3和TR4那样，在比例-度量设计中，使 用匹配的PM0S晶体管TR1'、TR2'、TR3'和TR4'来实现下-比例电流发生器电路130。 由此，乘积项K/l -1/K非常接近于1。使用NM0S晶体管TR6、TR7、TR8和TR9来实现电流镜 电路128，其配置和增益可使得在列线112i上流动的局部电流K *Iref和远处电流K-Iref 是密切匹配的。晶体管TR3'和TR4'的寄生电容(栅极电容)存储了一个电压，该电压表示期望 的远处电流Iref以便于传递到负载132。因此，精确的远处电流Iref流入图中被显示成 0LED的负载器件132中。PM0S晶体管上所存储的栅极电压越低，电流Iref就越高，对于给 定的像素110而言来自0LED的光发射就越大。图5是通过测量本发明的电流驱动器电路120的精确度而获得的实验结果的曲 线图。该曲线图的Y轴是在远处电流Iref和局部电流Iref之间的百分比偏移，而X轴是 Iref的大小。按数学形式，该曲线图示出了| [局部 Iref-远处 Iref]/局部 Iref |。因为百分比偏移是一个绝对值，所以该曲线图自身有叠影。如图所示，在局部Iref 值介于0和160nA之间时，％误差接近于零，然后，开始增大。在电流Iref的大小的约三 个量级上，远处电流Iref的值准确到局部电流Iref的值的约之内。
上文已证明本发明的各个方面具有在0LED阵列中的应用，然而，本发明的一个或 多个方面也具有在其它技术领域中的应用，实际上，可应用于在宽动态范围中需要精确电 流的任何应用。例如，在数模转换器(DAC)中使用微功率电流电平的那些应用。实际上，通 过在DAC中使用本发明的电流驱动器(如本领域技术人员从本学说可容易地明了的那样)， 10位电流DAC将产生在三个量级的大小的范围中均是准确的电流输出。可以用本发明的 诸多方面使DAC核中因系统性偏置和漏电流所引入的不准确达到最小。本发明的另一个应 用是在用于模拟生物神经系统的大量并行连接的电路中。设计这些电路使之在宽动态范围 中分配小数值的精确电流。本领域的技术人员从本学说可很容易地适配本发明的电流驱动 器，以在这些并行连接上提供纳安级的电流，其分辨率是千分之几。尽管已参照特定的实施方式描述了本发明，但是应该理解，这些实施方式仅仅示 出了本发明的原理和应用。因此，应该理解，可以对这些示出的实施方式作出大量的修改， 在不背离权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下可以设想出其它排列方式。
权利要求
一种电流驱动器电路，包括局部参考电流电路，用于产生局部电流Iref并且用数值K来放大Iref以产生局部电流K·Iref；电流镜电路，用于在第一输入处接收来自局部参考电流电路的局部电流K·Iref或者将局部电流K·Iref提供给局部参考电流电路并且在第二输入处形成该电流的镜像；以及远处电流驱动电路，用于响应于局部电流K·Iref在电流镜电路的第二输入处产生远处电流K·Iref，并且使远处电流K·Iref除以匹配值K以产生用于驱动一负载的远处电流Iref。
2.如权利要求1所述的电流驱动器电路，其特征在于，局部参考电流电路包括上-比例电流发生器，用于使Iref放大K倍以产生局部电流 K · Iref ；远处电流驱动电路包括下_比例电流发生器，用于使远处电流K · Iref除以匹配值K 以产生远处电流Iref ；以及使用比例-度量设计在共同的半导体芯片上实现上-比例电流发生器和下-比例电流 发生器。
3.如权利要求2所述的电流驱动器电路，其特征在于，上_比例电流发生器和下_比例电流发生器用于根据Iref的大小来改变数值K。
4.如权利要求3所述的电流驱动器电路，其特征在于，上_比例电流发生器和下_比例电流发生器用于随Iref的大小减小而增大数值K，反 之亦然。
5.如权利要求1所述的电流驱动器电路，其特征在于，数值K是下列之一在大约100到大约5000之间；以及大约1000。
6.如权利要求1所述的电流驱动器电路，其特征在于，在电流Iref的大小的约三个量级上，远处电流Iref的值准确到局部电流Iref的值的 约之内。
7.如权利要求6所述的电流驱动器电路，其特征在于，远处电流Iref的值准确到低至约6nA的局部电流Iref的值的约之内。
8.一种用于有机发光二极管(OLED)阵列的电流驱动器电路，包括局部参考电流电路，用于产生局部电流Iref，并且用数值K来放大Iref以产生局部电 流 K · Iref ；电流镜电路，用于在第一输入处接收来自局部参考电流电路的局部电流K · Iref或者 将局部电流K · Iref提供给局部参考电流电路，并且在第二输入处形成该电流的镜像；以及远处电流驱动电路，用于在OLED阵列的列线上产生远处电流K*Iref以便响应于局部 电流K · Iref而将电流提供给电流镜电路的第二输入或者接收来自电流镜电路的第二输入 的电流，还用于使远处电流K · Iref除以匹配值K以产生远处电流Iref以便驱动OLED阵 列的给定像素处的0LED。
9.一种产生用于驱动一负载的远处电流的方法，包括产生局部电流Iref;用数值K来放大局部电流Iref，以产生局部电流K · Iref ；在另一个位置形成局部电流K Iref的镜像；响应于局部电流1( Iref的镜像，产生远处电流1( Iref ；以及使远处电流K Iref除以匹配值K，以产生用于驱动所述负载的远处电流Iref。
10.如权利要求2所述的方法，还包括 根据Iref 的大小，改变数值K。
11.如权利要求10所述的方法，还包括随Iref的大小减小而增大数值K，反之亦然。
全文摘要
提供用于产生驱动一负载的远处电流的方法和装置，包括产生局部电流Iref；用数值K来放大局部电流Iref，以产生局部电流K·Iref；在另一个位置形成局部电流K·Iref的镜像；响应于局部电流K·Iref的镜像，产生远处电流K·Iref；以及使远处电流K·Iref除以匹配值K，以产生用于驱动所述负载的远处电流Iref。
文档编号G09G3/32GK101878498SQ200880111841
公开日2010年11月3日 申请日期2008年9月9日 优先权日2007年9月12日
发明者C·A·威廉姆斯, C·J·纳萨尔, R·J·鲍曼 申请人:康宁股份有限公司;罗彻斯特理工学院