1 引言

硅基有机发光二极管(OLED)微显示器是一种特殊形态的显示器,物理尺寸很小(对角线长度约2.54 cm),通过光学系统形成大屏幕显示。具有体积小、厚度薄、色彩丰富、响应速度快、功耗低和视角范围大等优点^[1-2]。硅基OLED微显示器技术是集成电路设计、集成电路制造与OLED制造工艺三个学科的交叉融合。随着OLED工艺的不断成熟和智能可穿戴设备^[3-4]的广泛应用,硅基OLED微显示器技术也迅速发展。

硅基OLED微显示器系统主要有两大部分,即微显示器驱动电路和控制电路。微显示器扫描策略主要分为模拟幅值调制和数字脉宽调制^[5-6]两种调制方式。前者通过数模转换器(DAC)将数字信号转换为模拟信号,然后将电压存储至存储电容以产生不同的灰度等级,然而灰度等级越高,DAC需要越高的转换精度和转换速度,同时要求越低的面积开销;后者通过调制发光时间长度产生不同的灰度等级,具有精度高和对电路特性要求低等优点,随着分辨率和帧频的增加,驱动电路设计存在较大压力。数模融合扫描策略综合了数字脉宽调制和模拟幅值调制的优点,在扫描数据相同的条件下降低了电路设计的难度与复杂度。像素驱动电路的性能对整个微显示器驱动芯片的影响很大^[7-11]。首先,开关管存在漏电流和存储电容充电时间不充足可导致产生的灰度等级存在偏差;其次,在低灰度时流过OLED的电流较小,传统的模拟驱动方式较难进行精确控制,在低亮度时分辨率不足,会导致微显示器的对比度下降。

为降低扫描数据流量、数据传输频率和功耗,降低驱动电路的整体设计精度与难度,提高扫描效率,本文提出一种双帧数模融合扫描策略。该方法在数模融合扫描策略的基础上对数字脉宽调制部分进行双帧融合处理,从而提高扫描效率,降低数据传输频率。设计了一种硅基OLED微显示器驱动电路,可以有效提高灰度等级的准确性,同时提高微显示器的对比度。经过设计、流片并测试验证了该微显示器驱动电路可以有效提高灰度精度同时降低最小电流,从而提高屏幕的对比度。

2 双帧数模融合扫描策略

2.1 双帧融合扫描策略

衡量扫描策略的主要性能指标包括线性度、扫描效率和数据传输频率。灰度等级与最大落差之间的比值为灰度线性度,每帧数据有效传输时间与一整帧时间的比值为扫描效率。

传统的子场扫描算法需要额外的消隐操作,因此会存在一定的时间冗余,不可避免地导致扫描效率下降和亮度损失。双帧融合扫描策略将两帧的对应相同比特位的子场融合为同一个子场,利用上一帧子场的消隐冗余时间进行下一帧的子场扫描,将两帧中不足一个基本场时间长度的子场权值合并,进行两帧的子场融合调制。

图 1. 双帧融合扫描策略

Fig. 1. Double-frame hybrid scanning strategy

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以8 bit数据实现256级灰度为例。8 bit分为12子场,每bit数据所对应的权重分别为4、2、1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32。12子场的扫描效率仅为66.41%。而经过双帧融合调制后,帧内占子场时间长度为0的bit位不需要扫描操作。图1所示为8 bit双帧融合扫描策略原理图,融合后的frame 0仅需要8个有效子场,frame 1需要11个有效子场,扫描效率为88.38%。在提高扫描效率的同时,减少了亮度损失。而融合之后frame 0或frame 1中的子场扫描顺序,可以视实际情况决定。

2.2 双帧数模融合扫描策略

双帧数模融合扫描策略在数模融合扫描策略的基础上对数字脉宽调制部分进行双帧融合处理。数字脉宽调制部分可以采用子场、子空间、Z字形等扫描方式,经过处理后可降低数据传输频率,提高扫描效率,减少亮度损失。模拟幅值调制利用斜坡DAC将数字信号转换为模拟信号相应的电压值,进而产生相应的灰度等级。将数字、模拟调制方式结合既能够有效降低数据的传输量,也能够降低DAC设计的复杂程度。随着帧频和分辨率的不断提高,该扫描算法的优势会越来越明显。

子空间位权值扫描算法^[12]是将微显示器屏(一个空间)划分为s个子空间,对各个独立的子空间进行独立的位权值灰度扫描,让各个子空间的冗余操作与有效操作实现交错,即利用某一子空间冗余操作时间片对其他子空间进行有效控制输出。数字脉宽调制部分利用子空间位权值扫描算法实现。若采用双帧数模融合扫描策略对n bit数据进行调制,首先通过双帧融合方式处理frame 0和frame 1两帧的bit位权值分布,然后利用模拟幅值调制(Ramp DAC)实现低(m+1)位的灰度调制,利用子空间位权值调制(数字脉宽调制)实现高(n-m-1)位灰度调制。双帧数模融合扫描策略如图2所示。

图 2. 双帧数模融合扫描策略

Fig. 2. Double-frame digital-analog-hybrid scanning strategy

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双帧数模融合扫描策略的调制机制可描述为

经过双帧数模融合扫描算法优化后,所需数据传输频率为

f=irows×icols×3×2n-m-1×FrateDwidth×s,(2)

式中:s为整屏分屏数目;n为灰度数据位宽;m为模拟幅值调制的位数;H为数字调制的位数;g为灰度G的因子;θ为与硅基OLED微显示器相关的系数;N_Fn为帧循环的位权;V(·)表示电压输出特性;T_g为帧调制的单位周期时间;L_Frame0和L_Frame1分别对应两帧中一个像素单元单位周期的灰度输出特性;i_rows和i_cols分别为图像像素的行数和列数;F_rate为图像刷新帧率;D_width为数据传输位宽;f为算法优化后所需的数据传输频率。

3 硅基芯片设计

3.1 硅基OLED微显示驱动电路系统架构

硅基OLED微显示器系统结构如图3所示。主要包括三部分:1) 扫描控制器,视频处理模块通过双帧数模融合扫描策略对视频数据进行处理,将处理后的数据存储在数据缓存模块,时序模块产生所需要的控制信号和时序信号;2) 接口电路,数据、控制、时序等信号通过该部分传输到硅基OLED微显示器驱动电路;3) 硅基OLED微显示器驱动电路,主要包括行驱动电路、列驱动电路、像素驱动电路。行、列驱动电路利用时序、控制信号将数据写到相应的像素电路单元。

图 3. 硅基OLED微显示器系统结构图

Fig. 3. Structure diagram of OLED-on-silicon microdisplay system

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3.2 列驱动电路

在模拟驱动方式中,DAC是微显示器驱动电路的重要模块。随着微显示器的分辨率、帧频和灰度等级的不断提高,要求DAC的精度也越来越高。若驱动芯片的工作电压范围为0~5 V,数据位宽为10 bit,则对于1024级灰度,DAC的精度要求达到4.8 mV,设计难度大且容易产生误差。

采用所提算法对传统微显示器列驱动电路进行改进。列驱动电路结构如图4所示,数据通道包括模拟信号通道和数字信号通道。模拟调制部分的信号通过模拟通道,column_start为使能信号通过shift register加载到load register, register array一般采用锁存器,col_en为使能信号,用来同步数据信号data。comparator将数据信号与counter的计数输出信号进行对比,相同则为“1”,并作为column switch的控制信号。若开关开启,则DAC所输出的电压信号加载至像素电路。由于一个DAC需要驱动一行数据,因此需要一个较大的缓存器增加驱动能力,以保证信号的完整性。数字调制部分的信号通过数字通道,如图4中虚线箭头所示。当进行数字调制时,复用部分load register和register array。最后,通过signal switch加载至像素驱动电路。该结构只需要一个DAC,电路面积开销大幅减少;而且只对部分bit位进行模拟调制,降低了DAC的位宽和设计复杂度,避免了因DAC精度未达到而引起的误差。同时,进行数字调制的bit位也减少了,在一定程度上降低了数据传输量。

在模拟调制中,像素单元的数据加载时间由比较器的输出结果决定。一个DAC驱动一行像素单元,若采用等于比较器,则数据的加载只有一个DAC时钟周期的时间,存储电容上的电压可能无法达到规定值,导致无法实现精确的灰度级。由于OLED器件的发光亮度与流过它的电流成正比,且像素亮度是一段时间内亮度的积分,若采用小于比较器,数据输入时间就会增加,流过OLED器件的电流随之增加,最终的亮度积分会超过规定值,进而产生亮度误差,且灰度等级越高亮度偏差越大。

针对上述问题,本文提出一种新型结构,如图4左侧虚线框内结构所示,对图4中列驱动电路(右侧虚线框)进行部分结构优化。其中,dff为D触发器,or为或门。将DAC的输入信号和比较器输出信号进行延时,提前一个或几个DAC时钟周期的时间打开控制开关,对像素存储电容进行充电。具体需要延时几个时钟周期可根据电容大小和充电时间调整。该结构既可满足电容的充电时间,又可以控制亮度积分接近输入的灰度等级,因此,可以提高灰度等级的精确度。

图 4. 列驱动电路结构

Fig. 4. Structural diagram of column driving circuit

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3.3 像素驱动电路

图5为像素电路结构及其工作时序图。如图5(a)所示,像素驱动电路采用了改进的4T1C(4 Transmission 1 Capacitance)结构。开关管p1、p2控制电压数据v_data的写入,p3管作为有源电阻使用。n1作为驱动管,N型金属-氧化物-半导体(NMOS)能够使低电压通过,可有效提高显示器的对比度。c1为存储电容,像素面积为3.3 μm×9.9 μm,c1大小为60 fF。

图 5. 像素驱动电路。(a)像素电路结构;(b)像素电路时序

Fig. 5. Pixel driving circuit. (a) Structural diagram of pixel circuit; (b) pixel circuit timing

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图5中,VDD为工作电源,VCOM为负电源,i_oled为发光电流,v_data为输入电压,scan 1为行开关控制信号,scan 2为列开关控制信号。所提出的像素电路采用两个开关管,且分别采用不同控制信号控制的方式,具有如下优点:1) 串联多个MOS管可降低源极和漏极两端的漏电流,从而提高像素数据的准确性;2) 在某列工作时可以防止该列数据对其他列像素的影响;3) 防止在列数据线上寄生的电容对像素数据产生影响;4) 可降低流过发光材料的最小电流,提高显示器的对比度。

在v_data数据写入存储电容的过程中,scan 3为高电平,p3管关闭,i_oled为0;在v_data保持时间内,scan 3为低电平,p3管打开,此时p3管作为有源电阻使用,增加p3管可以降低流经发光材料的最低电流,从而提高微显示器的对比度^[13]。图6所示为增加p3管对i_oled的影响。当输入电压比较低时,p3管的等效阻值很大,i_oled很小;当输入电压比较高时,p3管的等效电阻比较小,相当于短路,与不加p3管时电流相同,对i_oled没有影响。

图 6. 有p3和无p3时ioled的情况

Fig. 6. ioled in cases with and without p3

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各控制信号时序如图5(b)所示,帧频为60 Hz时,行控制信号scan 1有效时间为21 μs,整个一行的第一个开关管开启。列控制信号scan 2有效时间为84 ns(DAC的工作周期),不同的像素电路所对应的电压值不同,因此,scan 2信号的有效时间不同。当两个控制信号同时有效时,数据写入像素电路存储电容,scan 2信号保证了像素数据的准确写入。图7所示为像素电路的充电情况,其中两个圈所标出的电压分别为同一时刻的DAC输出电压DAC_out和电容充电电压v_c1。图7(a)给出了DAC输出电压,极限情况DAC需要对整行存储电容充电,而且输入电压越低,DAC驱动能力越弱,所需要的充电时间越长。因此需要一个较大的缓存器增加驱动能力,并适当增加DAC的充电时间;如图7(b)所示,输入电压为2.11 V,充电时间为200 ns,因为DAC的工作周期为84 ns,因此数据写入时间至少延长两倍,具体实现结构如图4左侧虚线框内结构所示。像素版图、微显示器驱动电路版图、芯片实物图、微显示器现场可编程门阵列(FPGA)验证测试平台如图8所示。

图 7. 像素电路充电情况。(a) DAC输出电压;(b)存储电容

Fig. 7. Charging conditions of pixel circuit. (a) DAC output voltage; (b) memory capacitor

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图 8. 微显示器实物图。(a)单个像素版图;(b)微显示器芯片与1元硬币对比图;(c)硅基OLED微显示器FPGA验证测试平台

Fig. 8. Physical map of microdisplay. (a) Single pixel layout; (b) comparison of microdisplay chip and one-yuan coin; (c) FPGA verification test platform of OLED-on-silicon microdisplay

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4 结果分析

电路设计采用SMIC 0.18 μm 1.8 V/5 V CMOS工艺,设计工具采用Cadence平台。扫描方式采用双帧数模融合扫描策略,数据位宽为8 bit实现256级灰度,60 Hz帧频,屏幕分辨率为1920 pixel×3 pixel×1080 pixel。

衡量扫描策略的主要性能指标包括线性度、扫描效率、数据传输频率^[4]。在上述条件下不同扫描算法的性能对比如表1所示。从表1可以看出,虽然双帧数模融合扫描算法的线性度略微降低,但扫描效率大幅提升至99.22%;同时,数据传输频率也降低至23.328 MHz,明显低于其他扫描方式。

图 9. 驱动电路测试波形图。(a)输入为高电平;(b)输入为低电平;(c)行驱动电路

Fig. 9. Test waveforms of driving circuit. (a) High input of pixel circuit; (b) low input of pixel circuit(c) row driving circuit

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由于OLED的驱动电流非常小,约为1 pA~1.1 nA。若直接测量电流,测量工具的精度不足,会导致结果存在误差,无法直接实测电流值。因此,采用测量驱动管源极电压在一帧时间内的变化量来验证漏电流的变化情况。

像素电路实测波形如图9所示,其中图9(a)给出了输入为高电平时驱动管源极电压,v_data为列驱动电路输出电压,v_s为驱动管源极电压。v_data写入周期为500 ms,数据电压几乎没有下降。图9(b)给出了输入为低电平时驱动管源极电压,v_data写入周期为500 ms,在2 s内v_s上升幅度为4 V,当帧频为60 Hz时,在一帧16 ms的刷新时间内电压上升量为32 mV,该误差可忽略。由此可以看出,所提出的像素电路有效保持了数据电压,减少了开关管漏电所带来的数据偏差。图9(c)即图8(c)中示波器显示的波形,为行驱动电路测试波形图,其中第一条波形为第0行选通信号输出测试,第二条波形为第1行选通信号输出测试,第三条波形为第1079行选通信号输出测试,依次对入行信号进行编解码,对测试点进行测试,可观测到行驱动电路可以正常工作。

5 结论

提出了一种双帧数模融合扫描策略,并基于该扫描策略设计了一种硅基OLED微显示器驱动电路。所提出的扫描算法对数模融合扫描的数字脉宽调制部分进行优化,将扫描效率提高至99.22%,数据传输频率降低至23.328 MHz。测试数据表明,所提出的列驱动电路结构有效地保证了像素数据的准确写入;像素驱动电路结构可减少漏电,使像素数据能够保持完整的一帧时间;同时,该像素电路可以有效防止列数据线上的寄生电容对像素数据产生影响,进而提高像素电压的精度,并降低噪声。