用于OLEDoS微显示的电路设计

1 引 言

有机发光二极管（OLED）的优点，包括宽视角，快速响应和高对比度。硅上OLED利用成熟的CMOS技术，可在单个芯片上集成密度高且复杂的电路，从而提供了显示系统的SOC解决方案。硅上OLED非常适用于便携设备，例如寻像器（viewfinder）和头戴式显示器。硅上OLED由于非常新颖，至今只有很有限的文献可以利用。虽然eMagin公司已经制作出一种商业化的全彩色有源矩阵硅上ODED，IBM公司也研制了象素内带有SRAM的原型机，但至今关于CMOS电路设计的报道却很少。

2 硅上OLED

图1是倒置OLED的结构示意图。CMOS的顶层同时作为OLED的电子注人阴极。典型的电子传输和发光层Alq3，空穴传输层TPD，依次淀积在硅上。
最后一层是透明导电膜，通常把钢锡氧化物（ITO），淀积在最上层，作为空穴注人阳极。
用这种倒置OLED做成的象素阵列，其阳极是公共的，而阴极各自连接在各个晶体管电流讲上。15V的高压电源加在阳极上如图 2所示。OLED上的压降取决于工作状态，可在OV（关态）到超过12V（开态）之间变化。一个轻掺杂漏级MOS器件（LDD-MOS）接在OLED阴极上用作开关，以控制施加在其余电路上的电压。余下的微显电路可以由低压器件组成，允许3.3V的低压设计。

3 微显概览

微显的数字接口仅含4条数据线、一个象素时钟、一个水平同步（HSYNC）和一个垂直同步（VSYNC）信号。我们设计的微型显示模块的框图，如图3所示。输人的4位数据信号由象素时钟送人移位寄存器。在水平移位周期的末尾，移位寄存器装满一整行数据。这些数据将在水平同步信号的控制下转人数据缓冲器。同时，行扫描器将选通第一行的象素。电流模的数模转换器（DAC）把数据缓冲器中的数字信号转换为16个电流级。电流级通过编程输人到被选通行的各个象素。当行扫描器选通下一行时，当前行的象素仍按已编程的电流值拽人OLED，使器件继续点亮。
信号的时序关系如图4所示。因为垂直同步的高电平是用来复位行扫描器的，水平同步应落后垂直同步一个很短的时间。行扫描器电路不含电源复位，故显示器必须至少在行扫描器触发后一帧内刷新。

4 带门的D触发器

刷新显示器数据时，行扫描器选通一行的象素，其占空比（l/总行数）非常低。因此，如果触发器在不工作时不消耗能量，就能达到节省实际使用功率的效果。触发器的输出Q和输人D一道经过一个异或门后输出，再与时钟信号一起通过与非门接人触发器（参见图5）。这样，可以极大地降低时钟信号的负载，这是因为可以由异或门截断时钟通路（译者注：当输入与输出相同，即没有新数据输人时，异或门的输出为0，通过与非门将时钟信号截断）。图6是有附加门和没有附加门的触发器的功耗模拟结果。可以看出，当开关率低于 24%时，功耗节省非常明显。

5 电流数模转换器（DAC）

二进制权重的电流比率DAC设计很简单，正适合集成到微显电路中。一种4位二进制电流比率权重DAC的基本结构如图7所示。

转换器在输人数据的控制下选择将电流等于参考电流1，2，4，8倍的电流源接人输出端。这个 4位 DAC可以实现 16个不同的电流级，分别为参考电流的0到15倍。

实现设计时，由单个NMOS电流镜组成这组电流源。15个单元电流源，根据电流源的权重，分成由1，2，4，8个电流源组成的组。

开关由NMOS来实现，它们在开关时会产生电流尖刺，这是由于晶体管沟道中积累的电荷要进行重新分配所致。电流尖刺产生的噪声将削弱DAC的能力。我们采用一个电流引导（Steering）结构来改进DAC的性能。一个电流引导单元的结构示意图，如图8所示。这一结构包括一个尾部电流讲，一个开关晶体管和一个固定偏置的晶体管。其工作原理是将电流同时引导人开关晶体管和固定偏置晶体管内。由于固定偏置晶体管并不开启，因此这条通路没有电荷的重新分配，故噪声极小。

固定偏置晶体管同时也可起电流源缓冲的作用，其结果类似于一个带有改进的电流匹配的级联电流镜。因为固定偏置电压为 V偏置2 ，所以电流源的漏级被限定在（V偏置2 -VTHN），能基本消除电流源的沟道调变效应。

图9是DAC的部分电路，其中仅以两位举例。图 10和图 11分别为在开关节点和不在开关节点处的输出波形。图11中的电流尖刺显著地减小了。

设计了一个宽电压输出范围的级联式电流镜以降低工作电压。此类宽输出范围的电流镜仅消耗一个栅源电压，而普通的级联式电流镜要用两个栅源电压。

为提高分辨率，可采用基本单元的叠加方式组成DAC。一个由两个4位基本DAC单元串联而成的8位DAC的示意图，如图12所示。两个DAC的基本单元的参考电流不同。高位的DAC偏置电流为低位DAC的16倍。这样可以在不占用大量硅片面积的情况下提高DAC的精度。

6 象素电路设计

驱动OLED的择优结构，是通常在模拟电路设计中采用的电流复制电路。在用TFT的结构中，已经提出了几种改进型电路以获得更为均匀的显示。然而在本文中，由于采用了高性能的CMOS电路，只用一个电流阶的传统电路就足以保证误差在参考值的1%以内。

电流复制单元具有自校准特性，它采用栅漏短接的晶体管对栅压充电，以维持漏极电流。其结果是这种电流复制器对诸如栅氧化层厚度，栅几何尺寸和阈值电压的变化等工艺起伏不敏感。

为了降低由电荷重新分配导致的误差，开关管的尺寸应尽可能地小。因为输出的电流误差取决于 NMOS的跨导，把宽长比（W/L）控制得尽可能地小是非常有利的。而实际的宽长比将受象素尺寸以及电路电压凋变范围的限制。

象素矩阵由倒置型OLED组成，是共阳极的。高电平施加在公共端，而阴极单独连在作为电流阱的各个晶体管上。一种轻掺杂漏级的MOS器件（LDD-MOS）作为开关管接在阴极处，以限制施加在余下电路上的电压。这样，微显电路可用低压设计来实现。

7 结 论

使用本文描述的设计方法，设计了两类具有4级灰度的微显。第一个样机用1.5微米CMOS工艺制造，包括一个8 X 8象素矩阵。图 14是芯片的照片，图15是将芯片安装在线路板上的方式即用ChiP-on-Board（COB）技术封装的微型显示样机的照片。

第二个样机具有QVGA（320×240）分辨率，由0.6微米N沟工艺制造。每个象素面积为35微米 X 35微米。整个微显面积为 11.8 X8.9mm2。

第一个原型机工作在SV逻辑电平下，第二个原型机工作在3.3V下。两者都仅需要三种同步信号，即象素时钟，水平同步，垂直同步，而提供给OLED的外部电压均为15V。
最后，我们的结语是：我们描述了用于硅上OLED微显的不同模块的设计思路和结果。我们已经设计了两个用上述模块构成的微显样机。由于使用了倒置型OLED，其公共极为阳极，芯片的电源电压可以保持得比较低。