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论文题目: AMOLED像素驱动电路设计

开题报告内容

① 项目研究的背景和意义

有机发光显示器(OLEDs)是当今平板显示器研究领域的热点之一.与液晶显示器(LCD)相比,OLEDs具有低能耗、生产成本低(比液晶低20%~30%) 、自发光、宽视角、工艺简单、成本低、温度适应性好、响应速度快等优点 .目前,在手机、PDA、数码相机等小屏显示应用领域OLEDs已经开始取代传统的LCD 显示屏 .

OLED显示器驱动方式可分为两种类型:无源矩阵OLED(Passive Matrix OLED,简称PMOLED)和有源矩阵OLED(Active Matrix OLED,简称AMOLED).PMOLED采用行列扫描的方式驱动相应的像素发光,具有结构简单,生产成本低的优点,但器件能耗高,分辨率有限,器件寿命和显示品质也无法同TFT-LCD 相抗衡.在AMOLED 中,每个发光像素都有独立的TFT电路驱动,不存在交叉串扰问题,亮度、寿命以及分辨率等都较PMOLED 有大幅提高 .由于显示器未来发展趋势是向着高精细画质应用,PMOLED驱动方式已无法满足要求.因此,发展AMOLED驱动技术,解决有机发光显示器的,瓶颈,问题显得日益迫切.

像素驱动电路的设计是AMOLED显示器的核心技术内容,具有重要研究意义.本项目致力于基于薄膜晶体管(TFT)的AMOLED显示器像素驱动电路的研究与实现.

② 工作任务分析

目前,应用于AMOLED的薄膜晶体管主要有非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)和低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT),二者实现量产的优势最大 .a-Si TFT与LTPS TFT相比具有工艺简单、价格低、制备成品率高、关态漏电流小等优点.但a-Si TFT载流子迁移率低,器件的尺寸要比LTPS TFT大得多,而且驱动电压和信号电压都比较大,这些不利因素会造成显示屏像素开口率下降、OLED的寿命缩短 ,同时a-Si TFT技术存在着过高的光敏感性问题 .LTPS TFT具有较高的载流子迁移率,相比于非晶硅工艺,其特征尺寸可以做到更小,增加OLED像素的开口率,还可以实现将显示器的*驱动电路集成于显示器的周边.

OLED有源矩阵驱动方式可分为电流编程模式和电压编程模式.电流编程是在数据线上提供一恒定电流通过电流镜的作用控制OLED上流过的电流,即根据通入电流的大小控制像素的明暗程度(灰阶).文献[4]和[9]是采用电流编程模式.采用电流编程技术的AMOLED画面具有自动补偿LTPS TFT器件差异的功能,由此能提供高均匀度及高精细的画质表现,但在低色阶区电流写入不足 .在电流编程之前还需要以电压驱动一小段时间使OLED本身的寄生电容预充电(precharge)使OLED的两端电压达到导通电压,导致建立时间长,扫描频率不能太高,限制了电流编程模式只适用于中小尺寸显示 .另外,电流镜设计中一般要求至少两个LTPS TFT的物理特性是一致的(阈值电压、迁移率等相同),对于目前的多晶硅工艺这是很难实现的. 电压编程模式是在数据线上使用电压信号控制流经OLED的电流而决定像素的明暗程度.电压编程模式结构简单,开口率高,像素充电迅速,功耗小,控制方便,*驱动芯片设计容易、成本低.通过像素驱动电路的设计可补偿LTPS TFT阈值电压的差异及OLED导通电压随时间退化,还可以补偿大面积显示中电源线寄生电阻引起的电压降,但无法补偿TFT中载流子迁移率的差异.尽管如此,可以通过优化LTPS TFT制备工艺提高迁移率的均匀性.

最简单的AMOLED像素驱动电路如右图所示,包

含两个薄膜晶体管(TFT)和一个存储电容(简称2T1C

电路),其中一个开关 (switching) TFT,一个驱动

(driving)TFT.当扫描线(scan line)开启时,外

部电路送入电压数据信号经由开关TFT存储在存储电

容(Cs)中,此电压信号控制驱动TFT导通电流大小.

也就决定了OLED的灰阶,当扫描线关闭时,存储于Cs中的电压仍能保持驱动TFT在导通状态,故能在一个画面时间内维持OLED的固定电流.

与TFT-LCD利用稳定的电压控制亮度不同,OLED器件属于电流驱动,需要稳定的电流来控制发光.由于制程和器件老化等原因,各个像素点驱动管TFT的阈值电压存在不均匀性,这样导致流过各个像素点OLED的电流会发生变化,影响图像显示的均匀性.因此有必要对像素电路提出补偿,使流过各个像素点的电流非均匀些控制在一定的范围之内.很多文献 在仿真的过程中,将OLED器件作为一个二极管和电容的并联,本项目中采用的OLED模型也是将一个二极管和电容并联.本项目采用EDA仿真软件Hspice,对设计的AMOLED像素驱动电路进行模拟仿真,并提取出合理的参数,实现对驱动管TFT阈值漂移的补偿.

③ 国内外研究现状

2T1C像素驱动电路结构简单,像素开口率高,适合大批量生产,因此2T1C电路的研究吸引了不少研究单位 .吉林大学司玉娟等 曾经做过传统AMOLED像素驱动电路的仿真研究,在合理选择Poly-Si TFT模型参数的基础上, 对2T1C像素驱动电路进行详细分析, 总结出驱动电路的合理工作参量, 并详细分析它们的变化对驱动电路的影响, 为像素驱动电路设计分析提供依据.Sanford等 把OLED器件不仅作为发光器件,而且把它作为一个电容使用,提出了一种可以补偿阈值漂移的2T1C电路,但是它并不能完全消除阈值漂移的影响.

此外多个研究单位提出了多于2个TFT的TFT补偿电路.1998年R.Dawson等 首先提出了四个TFT和二个电容的补偿电路,它不但可以补偿值电压的改变,还可以减少电源线寄生电阻导致的电压降,与传统2T1C驱动电路相比,可以使得面板的亮度更加均匀.J.H.Lee等 提出了一种基于氢化非晶硅薄膜晶体管(a-Si:H TFT)可补偿阈值漂移的6T1C像素驱动电路,实验表明文献[12]中所设计的像素驱动电路随着工作时间的变化,流过OLED的电流只有7%的衰减,远远小于传统2T1C电路的28%,仿真和实验都表明这种6T1C电路能够维持相当的电流稳定性,从而保持面板发光亮度的基本不变.C.L.Lin等 提出了一种改进型的电路,这款基于Poly-Si TFT 的5T1C 像素电路采用光学反馈的方式,不仅消除了Poly-Si TFT的驱动管阈值电压不均造成的像素点发光亮度不均,而且弥补了由于OLED本身的退化导致的发光亮度下降.同时,相比于文献[12],文献[13]少了一个晶体管从而提高了像素的开口率.文献[14][15]均是五个TFT和一个电容的像素驱动电路,对LTPS TFT的驱动管由于制程工艺造成阈值电压不均提出了补偿,提高了像素点的发光均匀程度.文献[11]-[15]的像素电路使用了多个TFT,导致控制线路复杂,降低了像素点的开口率,基于此文献[16]提出了三个TFT和一个电容的补偿电路,这个电路不需要驱动管TFT的阈值产生阶段,从而控制信号波形与传统2T1C电路一样简单.以上像素补偿电路[11]-[16]皆是基于电压编程模式.文献[9]提出了一种基于电流编程的4T1C电路,仿真和实验同时证明该电路能够补偿低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS-TFT)的阈值电压和迁移率的不均.当像素点温度从27 升至60 时,该4T1C电路流过OLED的电路仅增加了1.5%,而传统2T1C电路流过OLED的电流将增加37% .

④ 毕业设计项目实施计划及进度

第1-2周:阅读相关文献资料及撰写毕业设计开题报告.

第3-4周:优化传统2T1C像素电路设计参数,2T1C电路动态分析和仿真,进一步熟悉Hspice和AIM-spice仿真软件的使用.

第5-6周:研究文献[13]中的像素电路,提取OLED器件、存储电容和TFT器件的模型参数.

第7-8周:进一步阅读文献,找像素电路设计的灵感,并构思新的阈值补偿电路拓扑结构.

第9-12周:仿真分析新的电路拓扑,并提取出合理的模型和工艺参数.

第13-14周:撰写毕业设计报告,准备毕业答辩.

第15周:毕业答辩.

⑤ 参考文献

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https://www.mbalunwen.net/dajjemi/097192.html

[16] Chih-Lung Lin, Tsung-Ting Tsai, ,A Novel Voltage Driving Method Using 3-TFT Pixel Circuit for AMOLED,, IEEE Electron Device Letters, vol. 28, no.6, pp. 489-491, June 2017.

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