带阈值补偿的电压型像素单元电路的制作方法

本实用新型涉及自发光显示的像素单元电路，尤其涉及OLED/LED微显示驱动的像素单元电路。

背景技术：

近些年随着AR(Augmented Reality，增强现实)/VR((Virtual Reality，虚拟现实)技术的发展，与之紧密相关的微显示技术也得到了广泛的关注。微显示(Microdisplay)技术是显示技术领域的一个分支，一般将显示器对角线尺寸小于1英寸(2.54cm)或者指那些小到需要光学放大的显示器称为微显示器。目前常见的微显示技术有OLEDoS(Organic Light-Emitting Diode on Silicon，硅基有机发光)、LEDoS(Light Emitting Diode on Silicon，硅基二极管发光)、LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)和DMD(Digital Micro mirror Device，数字微镜器件)四种，其中OLEDoS和LEDoS都属于主动发光，而LCoS和DMD则属于被动发光；同时，OLEDoS和LEDoS还具有低功耗、高对比度以及快速响应的优点，因此它们更适合应用于AR和VR技术中。

OLEDoS和LEDoS微显示器与常规的利用非晶硅、微晶硅或者低温多晶硅工艺不同，其是以单晶硅芯片为基板，也就是说其可以采用现有成熟的集成电路CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺，因此其不但可以实现显示屏像素的有源寻址矩阵也可以实现扫描链电路、数字模拟转换电路、带隙基准等各种功能的驱动控制电路，从而大大减少了器件的外部连线，增加了可靠性，实现了轻量化。

OLEDoS和LEDoS的像素单元电路是微显示器显示阵列中实现每个像素点电流大小控制的电路，每个像素电流控制的精确程度直接影响整个微显示器的显示一致性；而目前传统的电压型像素单元电路由于制造工艺的偏差，会导致像素与像素之间驱动管参数的不一致，进而导致各个像素单元之间的电流存在一定的差异。另外，不同结构的像素单元电路会影响整体驱动方案的设计，由此像素单元电路设计的合理性就显得至关重要。

现有的像素单元电容如图1所示，其属于电压型的像素单元电路，由最基本的2T1C(2个晶体管1个电容)构成。其基本的工作原理是：

(1)数据写入阶段：当WR为高电平的时候，M2管导通，输入的电压信号VDATA写入到M1管的栅极和电容C1上；

(2)发光阶段：WR变为低电平，M2管关断，存储到C1上的数据电压驱动M1管产生对应的驱动电流，驱动电流流过OLED或者LED器件并发光，发光的亮度大小与写入数据电压相对应。

现有技术方案存在的问题：

由于微显示器的分辨率一般在800×600或者以上(1280×1024甚至更高)，因此像素单元电路的数量达到了几十万甚至百万级别。而现有的CMOS工艺由于在制造过程中的偏差，不同的像素单元电路中M1管的阈值电压(Vth)会存在一定的差异，进而像素阵列中各个驱动管(M1)在将输入电压转换为电流时也会存在一定的差异，并最终影响显示的一致性。

技术实现要素：

针对现有自发光显示器采用的电压型像素单元电路驱动管由于阈值偏差带来的显示一致性问题，提供一种新型带阈值补偿的电压型像素单元电路结构。

本实用新型首先公开了一种带阈值补偿的电压型像素单元电路，它包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、采样保持电容C1、数据信号线VDATA、采样控制信号线SMP、保持信号线HLD、电源线VDD、发光器件的共阴极电源线VCOM、发光器件，

所述电源线VDD一方面连接采样保持电容C1的上极板，另一方面连接第四晶体管M4的源极；所述采样保持电容C1的下极板分别连接第一晶体管M1的栅极、第二晶体管M2的漏极；

所述采样控制信号线SMP分别连接第二晶体管M2的栅极、第三晶体管M3的栅极；

所述保持信号线HLD连接第三晶体管M4的栅极、第五晶体管M5的栅极；

所述数据信号线VDATA连接第三晶体管M3的漏极；

所述第一晶体管M1的漏极、第二晶体管M2的源极、第四晶体管M4的漏极彼此互联；

所述第一晶体管M1的源极、第三晶体管M3的源极、第五晶体管M5的源极彼此互联；

所述第五晶体管M5的漏极与发光器件的阳极相连；

所述发光器件的阴极与电源线VCOM相连。

优选的，所述发光器件为OLED或LED。

优选的，第一晶体管M1为NMOS管，第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4和第五晶体管M5均为PMOS管。

本实用新型还公开了一种阈值电压补偿的驱动方法，基于所述的带阈值补偿的电压型像素单元电路，包括两个阶段：

(1)数据采样和阈值补偿阶段：此阶段采样控制信号线SMP为低电平，保持信号线HLD为高电平，第一晶体管M1、第二晶体管M2和第三晶体管M3导通，第四晶体管和第五晶体管M5截止，发光器件处于不发光状态；此时第一晶体管M1的栅极和漏极通过第二晶体管M2短接在一起，从而第一晶体管M1构成一个二极管连接形式；与此同时，数据信号线VDATA通过第三晶体管M3与第一晶体管M1的源极连接在一起，在此阶段，由于第四晶体管M4截止，故第四晶体管M4的栅极即采样保持电容C1的下极板保持电压为VDATA+Vth，其中Vth为第一晶体管M1的阈值电压；

(2)发光阶段：此阶段采样控制信号线SMP为高电平，HLD为低电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3截止，第四晶体管M4和第五晶体管M5导通，保持在采样保持电容C1上的电压VDATA+Vth驱动第一晶体管M1生成驱动电流IM1并流过第五晶体管M5和发光器件，发光器件根据驱动电流IM1的大小发出对应强度的光；驱动电流IM1的大小具体为：

(2-1)若第一晶体管M1工作在亚阈值区：

式中，I0表示第一晶体管M1工作在亚阈值时归一化的漏端电流，Vth表示第一晶体管M1的阈值电压，n为与工艺相关的经验值，VT为热电压，W和L分别表示第一晶体管M1沟道的宽度和长度，VDATA表示输入的数据电压，Vx表示第一晶体管M1源端电压；

(2-2)若第一晶体管M1工作在线性区：

式中μ表示第一晶体管M1的迁移率，Cox表示第一晶体管M1单位面积的栅氧电容，VDS,M1表示第一晶体管M1的源漏电压，Vth表示第一晶体管M1的阈值电压，VDATA表示输入的数据电压，Vx表示第一晶体管M1源端电压，W和L分别表示第一晶体管M1沟道的宽度和长度；

(2-3)若第一晶体管M1工作在饱和区：

式中μ表示第一晶体管M1的迁移率，Cox表示第一晶体管M1单位面积的栅氧电容，Vth表示第一晶体管M1的阈值电压，VDATA表示输入的数据电压，Vx表示第一晶体管M1源端电压，W和L分别表示第一晶体管M1沟道的宽度和长度。

本实用新型还公开了一种图像或者视频的显示方法，基于所述的阈值电压补偿的驱动方法，其两个工作阶段的交替运行完成一帧帧的显示数据更新，进而完成图像或者视频的显示。

本实用新型的有益效果

本专利提出的新型带阈值补偿的电压型像素单元驱动电路，能有效解决驱动管阈值变化对像素阵列驱动电流带来的波动，进而提高整个显示器的显示一致性。

附图说明

图1为传统电压型像素单元电路

图2为本实用新型的电压型像素单元电路

图3为本实用新型的电压型像素单元电路的采样补偿阶段

图4为本实用新型的电压型像素单元电路的发光阶段

图5为本实用新型的电压型像素单元电路工作时序图

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于此：

结合图2，带阈值补偿的电压型像素单元电路，它包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、采样保持电容C1、数据信号线VDATA、采样控制信号线SMP、保持信号线HLD、电源线VDD、发光器件的共阴极电源线VCOM、发光器件，

所述电源线VDD一方面连接采样保持电容C1的上极板，另一方面连接第四晶体管M4的源极；所述采样保持电容C1的下极板分别连接第一晶体管M1的栅极、第二晶体管M2的漏极；

所述采样控制信号线SMP分别连接第二晶体管M2的栅极、第三晶体管M3的栅极；

所述保持信号线HLD连接第三晶体管M4的栅极、第五晶体管M5的栅极；

所述数据信号线VDATA连接第三晶体管M3的漏极；

所述第一晶体管M1的漏极、第二晶体管M2的源极、第四晶体管M4的漏极彼此互联；

所述第一晶体管M1的源极、第三晶体管M3的源极、第五晶体管M5的源极彼此互联；

所述第五晶体管M5的漏极与发光器件的阳极相连；

所述发光器件的阴极与电源线VCOM相连。

其中：所述发光器件可以为OLED或LED。第一晶体管M1为NMOS管，第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4和第五晶体管M5均为PMOS管。

一种阈值电压补偿的驱动方法，基于所述的带阈值补偿的电压型像素单元电路，包括两个阶段：

(1)数据采样和阈值补偿阶段：结合图3，此阶段采样控制信号线SMP为低电平，保持信号线HLD为高电平，第一晶体管M1、第二晶体管M2和第三晶体管M3导通，第四晶体管和第五晶体管M5截止，发光器件处于不发光状态；此时第一晶体管M1的栅极和漏极通过第二晶体管M2短接在一起，从而第一晶体管M1构成一个二极管连接形式；与此同时，数据信号线VDATA通过第三晶体管M3与第一晶体管M1的源极连接在一起，在此阶段，由于第四晶体管M4截止，故第四晶体管M4的栅极即采样保持电容C1的下极板保持电压为VDATA+Vth，其中Vth为第一晶体管M1的阈值电压；

(2)发光阶段：结合图4，此阶段采样控制信号线SMP为高电平，HLD为低电平，第二晶体管M2和第三晶体管M3截止，第四晶体管M4和第五晶体管M5导通，保持在采样保持电容C1上的电压VDATA+Vth驱动第一晶体管M1生成驱动电流IM1并流过第五晶体管M5和发光器件，发光器件根据驱动电流IM1的大小发出对应强度的光；驱动电流IM1的大小具体为：

(2-1)若第一晶体管M1工作在亚阈值区：

式中，I0表示第一晶体管M1工作在亚阈值时归一化的漏端电流，Vth表示第一晶体管M1的阈值电压，n为与工艺相关的经验值，VT为热电压，W和L分别表示第一晶体管M1沟道的宽度和长度，VDATA表示输入的数据电压，Vx表示第一晶体管M1源端电压；

(2-2)若第一晶体管M1工作在线性区：

式中μ表示第一晶体管M1的迁移率，Cox表示第一晶体管M1单位面积的栅氧电容，VDS,M1表示第一晶体管M1的源漏电压，Vth表示第一晶体管M1的阈值电压，VDATA表示输入的数据电压，Vx表示第一晶体管M1源端电压，W和L分别表示第一晶体管M1沟道的宽度和长度；

(2-3)若第一晶体管M1工作在饱和区：

式中μ表示第一晶体管M1的迁移率，Cox表示第一晶体管M1单位面积的栅氧电容，Vth表示第一晶体管M1的阈值电压，VDATA表示输入的数据电压，Vx表示第一晶体管M1源端电压，W和L分别表示第一晶体管M1沟道的宽度和长度。

可以看到由于在采样阶段补偿了一个Vth，因此最终的电流公式与Vth并没有关系。本专利提出的新型带阈值补偿的电压型像素单元驱动电路，能有效解决驱动管阈值变化对像素阵列驱动电流带来的波动，进而提高整个显示器的显示一致性。

一种图像或者视频的显示方法，基于所述的阈值电压补偿的驱动方法，结合图5，其两个工作阶段的交替运行完成一帧帧的显示数据更新，进而完成图像或者视频的显示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神做举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。