浅谈屏幕的像素驱动电路

TFT是英文Thin Film Transistor(薄膜场效应晶体管)的缩写。TFT液晶显示器件是指在液晶显示器件的每个像素上都连接一个薄膜场效应晶体管。这个场效应管制作在液晶显示器件的玻璃上。每个场效应管独立驱动一个像素，从而可以实现高速度、高亮度、高对比度的显示效果。

我们知道，三极管是电流放大型的工作原理，即通过调制基极的输入电流来控制三极管的集电极和发射极之间的输出电流。对比三极管，场效应管属于电压放大型，是通过调制栅极G上的输入电压(或称电场)来控制漏极D和源极S之间的输出电流。在电压施加在场效应管栅极G上时，栅极G的漏电流极小或没有，表现出该器件具有非常高的输入阻抗，由此我们称之为场效应管。

TFT液晶显示的驱动原理可以总结以下几个概念。

1.像素选通的独立性：在TFT液晶显示的驱动电路下，由于每个像素都连接一个场效应管，当某一个像素上的场效应管处于关断状态时，驱动系统对其他像素的操作不构成对该像素的影响，所以TFT液晶显示的驱动没有交叉效应，也没有因占空比的下降(扫描行数的增多)给对比度带来的降低。

2.像素电压的保持性：TFT液晶显示的驱动电路在像素不选通的状态下，原施加在像素上的电压可以保持一段时间。因此在同样的帧扫描时间内，TFT液晶显示驱动的行数比STN液晶显示驱动要多得多。如果认为液晶负载的容性值不够大，还可以在漏极D上并人一个补偿电容C,以增加像素上驱动电压的保持时间。

3.幅值驱动法：TFT液晶显示的驱动电路在源极S上施加的电压值不同，建立在像素上的电场强度就不同，液晶的电光效应也就不同，从而在液晶显示器件上产生灰阶的显示效果，所以称TFT液晶显示的驱动方法为幅值驱动法

二.屏幕的像素驱动电路

TFT通过控制液晶两极之间的电压，使得液晶分子发生偏转从而控制背光通过的多少。因此对于TFT的栅极，一般只需要“开启”和“关闭”两个状态，而像素电极间的电压是通过数据线写入，在栅极关闭之后，像素电极上的电压通过存储电容进行保持。因此，一个TFT加上存储电容就可以实现像素的开关和数据的写入及保持。而实现TFT的开启只需要给定足够的栅极驱动电压，所以阈值电压的大小与数据的输入没有关系。下图为液晶显示的像素电路。

图1就是这两种储存电容架构，图中可以很明显地知道，Cs on gate由于不必像Cs on common需要增加一条额外的common走线，所以其开口率(Aperture ratio)比较大。而开口率的大小是影响面板的亮度与设计的重要因素，所以现今面板的设计大多使用Cs on gate的方式。

但是AMOLED是主动发光器件，OLED要发光需要持续地提供给OLED器件电流，如果采用液晶这样的电路，存储电容上电压将瞬间被OLED消耗，OLED将不能持续发光。因此，必须对AMOLED的像素驱动电路进行重新设计。下图为最简单的一个AMOLED像素驱动电路，恒流源VDD给OLED持续提供电流，电流的大小受到晶体管M1的栅极电压控制，而M1的栅极电压由数据信号写入，存储在电容C1中，保证在一个扫描周期能持续发光。

我们来分析一下驱动的实际过程：

行扫描电路开启，M2导通

同时输入像素驱动信号，M1导通，并将像素信号写入C1

扫描信号关闭，C1电压保持M1导通，VDD持续提供电流给OLED

流经OLED的电流由M1晶体管控制，其满足如下的公式：

其中，VDD为恒流源的电压，W和L分别为晶体管沟道的宽和长度，μ为有效载流子迁移率，Cox为栅氧层单位面积电容，Vdata为输入的数据信号，Vth为M1的阈值电压。

那么问题来了，目前采用的工艺条件，无论是低温多晶硅TFT还是IGZO TFT都存在着阈值电压不稳定的情况，那么在相同信号电压的情况下，因为阈值电压漂移，导致OLED的发光亮度变化，发光会出现严重不均一，具体看起来像沙子一样，叫Sandy Mura。

要避免这种情况，一个办法是通过内部电路的设计进行补偿。

下图一个典型的7T1C架构OLED发光单元驱动。7T1C就是7个TFT晶体管和1和电容C。7个晶体管重要的两个我标红了。T2叫drving tft，主要作用是驱动OLED发光。T1叫switching tft，作用是控制电容的充电和T2的导通。橙色的 T1就是LTPO中的氧化物晶体管。

简单讲解这个电路是如何工作的。首先是复位信号Gn-1打开两个TFT，作用是给电容C和OLED复位，清除上一阶段可能存在信号残留。

第二步，Gn信号打开T1将显示信号DATA送到电容C，给电容充电，相当于把DATA信号暂时存储在C里面。(DATA信号信号就是决定OLED亮度的)。补偿的作用是消除TFT制造不一致性导致的阈值电压差异影响，

第三步：T1关闭，EM信号过来打开两个开关，OLED开始发光。亮度由T2控制，而T2由电容C的电压控制，电容C的电压来自上一步通过T1的DATA信号。

上面的第一步、第二步是屏幕显示要刷新时才会进行，第三步还肩负着PWM调光的任务。其中的EM信号就是我们常说的PWM调光的信号。因为电容暂时存贮着DATA信号，屏幕显示不刷新的时候电容仍然控制着T2。

类似还有6T1C，5T2C等很多类似电路结构，经过近几年的不断研究和发展，内部补偿电路的拓扑结构几乎已被穷尽，很难再有实用性的结构创新。

这种像素电路工作时一般都会有三个工作阶段，会经历复位、补偿、发光，即一个驱动周期至少要干2到3件事，因此对电路驱动能力和面板上的负载都有一定要求。

它的一般工作思路是在补偿阶段把TFT的阈值电压Vth先储存在它的栅源电压Vgs内，在最后发光时，是把Vgs-Vth转化为电流，因为Vgs已经含有了Vth，在转化成电流时就把Vth的影响抵消了，从而实现了电流的一致性。

但是实际因为寄生参数和驱动速度等影响，Vth并不能完全抵消，也即当Vth偏差超过一定范围时(通常∆Vth≥0.5V)，电流的一致性就不能确保了，因此说它的补偿范围是有限的。

审核编辑：汤梓红