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有机发光二极管（OLED）的无源驱动技术研究
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2023年09月21日 21:13 179
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简介：采用无源驱动的OLED称为PM-OLED，采用有源驱动的OLED称为AM-OLED.AM-OLED具有制作复杂、多像素、大尺寸、高成本等特点而PM-OLED则具有制作简单、少像素、小尺寸、低成本等特性，因此主要介绍OLED的无源驱动方式。
0 引言
目前，在平板显示技术中，有机发光二极管(OLED， Organic Light Emitting Diode)具有自发光性、高对比度、高的反应速度、广视角等优点，在近几年引起了世界范围内的关注，在平板显示技术中发挥着越来越重要的作用。作为新一代显示器件，OLED在头戴显示器、MP3、电视、手机等数码产品及军事领域都有广阔的发展空间和应用前景。
驱动控制电路是有源发光二极管中必不可少的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统性能的优劣。因此，高性能的驱动控制电路的设计在OLED显示设计中起着举足轻重的作用。OLED的驱动方式主要有无源驱动(Passive Matrix Driving)和有源驱动(Active Matrix Driving)两种方式。
采用无源驱动的OLED称为PM-OLED，采用有源驱动的OLED称为AM-OLED.AM-OLED具有制作复杂、多像素、大尺寸、高成本等特点而PM-OLED则具有制作简单、少像素、小尺寸、低成本等特性，因此主要介绍OLED的无源驱动方式。
1 OLED 的构成和发光原理
OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO， Indium Tin Oxide)，与正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。接着是空穴注入层、复合发光层、电子传输层和金属阴极。如图1所示。
其发光原理为：在所施加的电压达到适当值时，正极的电洞(空穴)和阴极电子以电流的形式分别由阳极和阴极注入且在电场的作用下反方向移动到达发光层中结合，在结合的过程中电子以光子的形式释放出能量产生发光现象。
2 OLED 的电光特性
OLED的电流密度和电压的关系曲线及亮度和电压的关系曲线如图2所示。
由如图2(a)知当外加电压小于OLED阈值电压时，流过器件的电流接近零，当外加电压超过阈值电压，发现电流密度随着外加电压的增大而增大。
如图2(b)所示，OLED 电压和亮度呈非线性关系，若采用电压驱动的方式来实现亮度级别的区分，那么驱动电压必须要有很高的精度，对驱动电源部分的设计有很高的要求，不易实现。
如图2(c)所示，电流与发光亮度有着较好的线性关系，所以只要控制好流过各个OLED 像素的电流，就可简单有效的实现亮度级别的区分。
综上所述，OLED 每一像素的亮度正比于与流过像素的电流， 需要电流源驱动。由于OLED的流入电流与外加电压为幂级数的关系，得知很小的电压变化必会导致电流的大范围变化。因此电流的大小必须得到精确的控制。
3 预充电技术
OLED是电流控制的器件，它的亮度和电流通过的平均时间成比例，当电流未到OLED的发光阈值前，器件的发光亮度很小，当电流达到其发光阈值后，OLED会随着电流增加发光强度增大。一个OLED单元可以简化成一个LED和一个20~30 PF的寄生电容并联，如图3所示，要使OLED发光，电流源首先要将电容充电到OLED的发光电压，则充电时间会比较长，响应时间会比较慢。因此，可以在电流源驱动电路中加入预充电电路，先对其电容预充电到预先计算的电压，该电压略小于其阈值电压VTH，后再用准确的恒流源来驱动，从而提高其电光响应速度。
由图4所示波形可以看出，在一个扫描周期内，Common为低电平，Segment经历3个阶段分别为：
discharge、precharge、display，这3个阶段原理图如图5所示。
理论上在一个扫描周期内，首先是precharge动作，然后是display动作，其次是discharge动作。
但是从图4所示的Segment和Commmon显示波形中可以看出，在实际应用的一个扫描周期内，首先是discharge动作，然后是precharge动作，其次是display动作，原因是由于屏的制作工艺和相邻的行列电极之间的漏电使相邻像素电容上存有部分电荷，当下一个扫描周期开始时，直接充电，会使CD 两端电压超过PMOLED的阈值电压，导致电流源不能准确控制其发光亮度。所以在一个扫描周期内，首先将CD 两端电压放掉，再充电置阈值电压以下，后用准确的电流源控制其发光亮度，提高其显示对比度。
当行扫描开始后，先采用图5(a)所示电路对 CD放电，行列驱动电路均接地，使电容两端电压为零。
放电结束后，利用图5(b)所示电路对CD 充电，充电过程中，行驱动电路接地，列驱动电路接充电电压PRE V .
预充电结束后，利用图5(c)所示电路进入发光阶段，此时扫描行的CD两端电压为PRE V (接近OLED阈值电压)，行驱动电路接地，列驱动电路接恒流源，这样在很大程度上减少了电流源对电容的充电时间;非扫描行驱动电路接高电平VOH，流过PMOLED的电流为I，CD 两端电压为VCS，VCS-VOH小于OLED的阈值电压，使半选像素点处于截止状态。
4 交叉效应的形成和抑制
OLED是电流型发光器件，从无源驱动内部等效电路结构中，如图6所示。可以看出在OLED驱动电路等效结构中所有行像素都使用同一行电极，并且所有列像素也都使用同一列电极。这样会使被选中像素的相邻像素由于电流的注入而发出微弱的光;除此之外，由于屏的功能膜是直接连接在一起的，相邻的行列电极之间的漏电都会使相邻像素电容存储一定电荷，当电荷积累到OLED发光阈值时就会使相邻的非选通像素发光，造成显示时交叉效应现象的产生。
通过对图6电路结构的分析得出，OLED的行电极和列电极都是良导体，电极分布电阻远小于电极间的漏电电阻，因此电势均匀分布在每根电极上。由于OLED本身作为有机物构成的具有单向导电性的发光二极管，当列电极电势与行电极电势之间的电势差大于OLED的阈值电压时(如表1所示，表1中VTH为OLED的阈值电压)，被选中的OLED才会发光。所以给被选中的行电极接地，选中列的电极上接高，并且保证列电极和行电极之间的压差要大于等于OLED的阈值电压，这样被选通像素就会处于正向电压作用下而发光，反之，给非选中行的电极上接高电压VDD，非选中列电极上接地，这样非中像素处于反向电压的抑制作用下而不发光，从而有效的解决了交叉效应。
5 结语
首先，分析了无源OLED 器件的驱动特点， 由于OLED是电流型器件， 如用恒压源驱动， 由于OLED屏制造工艺的问题使行、列电极上电极电阻不一致，会使屏上各个位置的OLED单元流经的电流不一致，从而影响显示亮度的均匀性，由OLED的伏安特性曲线可以得出即使电压的变换很小也会导致电流的较大波动，而电流源与发光亮度呈现良好的线性关系，故采用电流源驱动。并且为了提高其电光响应速度，达到更好的显示效果，进而提出了预充电技术。
其次，分析了交叉效应产生的原因，根据OLED(有机发光二极管)等效电路结构和制作工艺上的限制以及其单向导电性的特性，采取反向电压抑制法，使非选中像素在反向电压的作用下处于截止状态，从而有效的解决了交叉效应现象对显示的影响。
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