簡介這份PPT系統(tǒng)講解AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容適合顯示技術(shù)工程師、電路設(shè)計(jì)人員及OLED方向?qū)W生參考學(xué)習(xí)。資源以電壓編程型和電流編程型為主線對比兩類驅(qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)與適用場景并針對OLED壽命短、高分辨率與尺寸擴(kuò)展受限等工程痛點(diǎn)展開分析。內(nèi)容涵蓋閾值漂移補(bǔ)償、電源線變化補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵電路方案詳細(xì)拆解重置、補(bǔ)償、緩沖、發(fā)光四個(gè)工作階段幫助讀者理解TFT閾值變化與IR-drop對顯示均勻性的影響。壓縮包共1個(gè)文件為PPT格式大小約545KB整體精煉便于快速閱讀。目前已有153人學(xué)習(xí)瀏覽適合需要快速掌握AMOLED像素驅(qū)動(dòng)原理與補(bǔ)償思路的入門及中級(jí)開發(fā)者。1. 為什么AMOLED一定要專門設(shè)計(jì)像素驅(qū)動(dòng)電路第一次接觸AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路的人很容易被那幾顆晶體管和電容搞得一頭霧水明明顯示面板的核心是OLED發(fā)光材料為什么還要在每一個(gè)像素底下額外做一套“小電路”這個(gè)問題其實(shí)是一切設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。AMOLED和傳統(tǒng)LCD最大的區(qū)別在于它是電流驅(qū)動(dòng)器件——發(fā)光亮度和流過OLED的電流近似成正比而不是由外加電壓直接決定的。也就是說你想要一個(gè)像素顯示50尼特還是500尼特本質(zhì)上是控制注入OLED的電流大小。既然是電流驅(qū)動(dòng)麻煩就來了OLED發(fā)光層對電流極其敏感電流的微小波動(dòng)會(huì)被肉眼直接感知成亮度的不均勻或者閃爍。而AMOLED面板的像素驅(qū)動(dòng)管通常采用低溫多晶硅薄膜晶體管LTPS TFT這種管子雖然遷移率很高但它有一個(gè)臭名昭著的缺點(diǎn)——閾值電壓會(huì)隨著工作時(shí)間和溫度漂移。同一個(gè)面板上不同位置的TFT老化速度不一樣如果像素電路不能補(bǔ)償這個(gè)漂移屏幕就會(huì)出現(xiàn)越來越明顯的殘影和云紋。再加上多晶硅晶界分布的不均勻性即使出廠時(shí)不同TFT的閾值電壓也可能存在偏差。還有一條更現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)約束隨著手機(jī)進(jìn)入高PPI時(shí)代每個(gè)像素的物理面積被壓縮到了幾十微米見方留給像素電路的面積非常有限。要在這么小的空間里完成選通、驅(qū)動(dòng)、補(bǔ)償、存儲(chǔ)這一整套功能只能在電路拓?fù)浜桶鎴D設(shè)計(jì)上想辦法。這就是為什么AMOLED需要一套專門的像素驅(qū)動(dòng)電路而不是像LCD那樣簡單地把晶體管當(dāng)作開關(guān)用。這篇內(nèi)容適合正在做面板設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)IC開發(fā)或者顯示系統(tǒng)集成的工程師參考也適合想搞明白“屏幕為什么會(huì)出現(xiàn)Mura”“補(bǔ)償?shù)降自谘a(bǔ)什么”的技術(shù)愛好者。下面我按實(shí)際設(shè)計(jì)流程把這套電路從原理到工程實(shí)現(xiàn)的坑完整梳理一遍。2. 主流像素電路架構(gòu)拆解從2T1C到外部補(bǔ)償2.1 2T1C所有設(shè)計(jì)的地基2T1C是整個(gè)AMOLED像素電路的起點(diǎn)也是理解其他所有復(fù)雜拓?fù)涞幕A(chǔ)。它的結(jié)構(gòu)非常簡潔兩個(gè)TFT加一個(gè)存儲(chǔ)電容。開關(guān)管負(fù)責(zé)在掃描線選通時(shí)把數(shù)據(jù)電壓寫入存儲(chǔ)電容驅(qū)動(dòng)管則根據(jù)存儲(chǔ)電容上的電壓產(chǎn)生對應(yīng)的電流流入OLED?？雌饋磉壿嫼芡昝缹?shí)際量產(chǎn)中卻有一個(gè)致命缺陷驅(qū)動(dòng)管的閾值電壓Vth漂移會(huì)導(dǎo)致亮度變化而2T1C完全沒有任何機(jī)制去修正它。這個(gè)問題的嚴(yán)重程度取決于你用的TFT工藝。如果是非晶硅a-Si閾值電壓漂移得特別快所以a-Si基AMOLED其實(shí)很難量產(chǎn)。LTPS雖然好一些但同樣存在老化漂移和制程偏差。我在早期評(píng)估一款面板時(shí)就見過一塊2T1C的測試屏剛點(diǎn)亮?xí)r亮度均勻性還不錯(cuò)跑了幾百小時(shí)后屏幕上開始出現(xiàn)肉眼可見的云紋原因就是不同像素的Vth漂移速度不一樣。所以2T1C現(xiàn)在基本只出現(xiàn)在教學(xué)演示里或者作為分析復(fù)雜電路時(shí)的抽象模型來用。2.2 4T2C用二極管連接方式采集閾值電壓為了補(bǔ)償Vth4T2C這類拓?fù)涞菆隽?。它的核心思路是在編程階段把驅(qū)動(dòng)管臨時(shí)接成二極管連接方式讓數(shù)據(jù)電壓先和Vth“綁定”在一起然后通過電容耦合把補(bǔ)償后的電壓真正作用到驅(qū)動(dòng)管柵極上這樣Vth的影響就被抵消掉了。具體工作過程分兩段。第一段是采樣掃描線選通補(bǔ)償管打開驅(qū)動(dòng)管的柵極和漏極被短接形成一個(gè)二極管結(jié)構(gòu)。此時(shí)數(shù)據(jù)電流或者數(shù)據(jù)電壓通過驅(qū)動(dòng)管對存儲(chǔ)電容充電當(dāng)充電穩(wěn)定后電容上存儲(chǔ)的電壓已經(jīng)包含了Vth。第二段是發(fā)光掃描線關(guān)閉補(bǔ)償管斷開但電容把柵極電壓保持住了。如果器件匹配良好最終流入OLED的電流表達(dá)式里Vth項(xiàng)被抵消亮度不再依賴驅(qū)動(dòng)管的閾值電壓。這類電路在實(shí)際面板里很常見但它有一個(gè)代價(jià)編程時(shí)間變長。因?yàn)樾枰入娙莩涞椒€(wěn)定狀態(tài)補(bǔ)償過程在時(shí)序上不會(huì)像2T1C那么干凈利落。這直接決定了面板能支持的最高刷新率以及在高掃描速率下補(bǔ)償效果是否還成立。2.3 6T1C / 7T1C內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓こ虄?yōu)化形態(tài)到了6T1C或者7T1C設(shè)計(jì)師開始引入專門的初始化晶體管和發(fā)光控制管把整個(gè)工作周期劃分為初始化、補(bǔ)償編程、發(fā)光三個(gè)階段。初始化階段把驅(qū)動(dòng)管柵極復(fù)位到一個(gè)已知電平確保每一次編程的起始條件一致這對消除上一幀殘留電壓造成的拖影非常關(guān)鍵。發(fā)光控制管則負(fù)責(zé)在非發(fā)光階段真正切斷OLED的電流路徑避免因?yàn)槁╇娫斐苫译A顯示錯(cuò)誤。從設(shè)計(jì)角度看多出來的TFT不是越多越好。每加一顆晶體管版圖面積變大像素開口率下降同時(shí)引入更多的寄生電容和一個(gè)潛在的漏電路徑。7T1C之所以成為很多中高端面板的主流選擇是因?yàn)樗谘a(bǔ)償精度、時(shí)序冗余度和版圖面積之間取得了平衡。但LSI設(shè)計(jì)界有一句老話增加晶體管數(shù)目只是驗(yàn)證工作量的開始每一顆管子都要在信號(hào)完整性和漏電功耗上重新把關(guān)。2.4 外部補(bǔ)償大尺寸面板的另一個(gè)方向內(nèi)部補(bǔ)償有一個(gè)明顯的天花板它只能補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)管的Vth對于OLED本身的老化和遷移率變化內(nèi)部補(bǔ)償很難兼顧。移動(dòng)OLED手機(jī)面板還可以靠內(nèi)部補(bǔ)償勉強(qiáng)應(yīng)付但到了OLED電視這種大尺寸面板電流更大、發(fā)熱更嚴(yán)重若只做內(nèi)部補(bǔ)償壽命后期亮度衰減會(huì)非常難看。于是外部補(bǔ)償方案被廣泛采用。外部補(bǔ)償?shù)脑硎前衙總€(gè)像素的驅(qū)動(dòng)管電流或者OLED電學(xué)特性通過感測線讀出來送到面板外部的驅(qū)動(dòng)IC或者算法芯片里實(shí)時(shí)計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)并寫入像素?cái)?shù)據(jù)。這種做法的優(yōu)勢非常明顯——補(bǔ)償能力不再受像素面積限制可以做更復(fù)雜的建模甚至能追蹤每一個(gè)像素的老化速度。代價(jià)是系統(tǒng)復(fù)雜度上了一個(gè)臺(tái)階需要感測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、算法校準(zhǔn)生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)也要配套。目前很多大尺寸OLED電視和部分高規(guī)格顯示器走的就是這條路。3. 像素電路設(shè)計(jì)實(shí)操關(guān)鍵參數(shù)怎么定才不會(huì)被坑3.1 存儲(chǔ)電容Cst的取值邏輯存儲(chǔ)電容是像素電路里最容易“拍腦袋”卻又影響極大的元件。它的作用是在一幀時(shí)間內(nèi)保持驅(qū)動(dòng)管柵極電壓不變而這個(gè)保持能力直接決定顯示灰階的穩(wěn)定性。Cst取值大了電壓穩(wěn)定性好抗漏電能力增強(qiáng)但像素充電時(shí)間變長高刷新率下寫入不夠充分Cst取值小了充電快但漏電導(dǎo)致的電壓波動(dòng)會(huì)讓灰階失真低刷新率場景尤其嚴(yán)重。實(shí)際項(xiàng)目里Cst和柵極走線電容、TFT寄生電容一起構(gòu)成了像素節(jié)點(diǎn)的總電容。需要綜合考慮刷新率、掃描線RC延遲和漏電水平。我在一個(gè)120Hz高刷項(xiàng)目里做估算時(shí)先從漏電要求反推保證一幀內(nèi)電壓漂移不超過半個(gè)灰階對應(yīng)的電壓變化量同時(shí)留足充電時(shí)間給數(shù)據(jù)線寫入。算出來的容值落在0.15pF到0.3pF之間。需要注意的是這個(gè)量級(jí)的電容在版圖里會(huì)占用不小面積Cst越大像素開口率越受影響最終良率和亮度都會(huì)受牽連。3.2 驅(qū)動(dòng)管尺寸W/L的權(quán)衡驅(qū)動(dòng)管的寬長比決定了同樣?xùn)旁措妷合履茌敵龅碾娏髂芰Χ娏髂芰τ种苯記Q定了OLED的亮度范圍和驅(qū)動(dòng)管本身的功耗。W/L取大了驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)但管子面積大且寄生電容跟著大補(bǔ)償精度會(huì)下降W/L取小了電流能力不足高亮度場景達(dá)不到要求。在設(shè)計(jì)中有一個(gè)非常實(shí)用的思路先用目標(biāo)亮度和OLED器件效率算出需要的最大像素電流Imax再根據(jù)TFT工藝的電壓-電流模型反推驅(qū)動(dòng)管的最小W/L。這里有一個(gè)容易踩的坑——遷移率退化。LTPS的遷移率會(huì)隨著亮的時(shí)長緩慢衰退所以設(shè)計(jì)時(shí)要留出20%到30%的電流余量否則面板使用一段時(shí)間后最高亮度會(huì)明顯不足。實(shí)測過一個(gè)設(shè)計(jì)余量留少了整機(jī)老化1000小時(shí)后高亮區(qū)域出現(xiàn)肉眼可辨的暗淡。這個(gè)教訓(xùn)讓我們后續(xù)所有項(xiàng)目的余量設(shè)計(jì)都改成了硬性檢查項(xiàng)。3.3 EM時(shí)序與初始化相位設(shè)計(jì)很多人設(shè)計(jì)像素電路時(shí)把注意力全放在晶體管參數(shù)和電容上忽略了時(shí)序設(shè)計(jì)。實(shí)際上時(shí)序才是補(bǔ)償方案能不能落地的關(guān)鍵。以7T1C為例初始化相位如果復(fù)位電壓取得不合適會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)管柵極在編程前處于錯(cuò)誤狀態(tài)補(bǔ)償采樣結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。EM發(fā)光控制信號(hào)的下降沿如果和掃描信號(hào)配合不好還會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_在屏幕上表現(xiàn)為一條橫向的亮度條紋。我的經(jīng)驗(yàn)是時(shí)序設(shè)計(jì)一定要在項(xiàng)目早期就建立完整的時(shí)序圖把每一個(gè)相位和信號(hào)邊沿的先后關(guān)系標(biāo)清楚尤其要注意EM信號(hào)和掃描信號(hào)的交疊區(qū)域。交疊太長會(huì)產(chǎn)生不必要的電荷注入交疊太短又會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償不完全。整機(jī)廠給你的驅(qū)動(dòng)IC如果支持移位寄存器調(diào)節(jié)可以通過寄存器微調(diào)做一些修正但如果時(shí)序本身設(shè)計(jì)有問題寄存器調(diào)不出救命的窗口。3.4 版圖布局里的隱藏開銷版圖布局是整個(gè)像素設(shè)計(jì)中最容易被忽略、但實(shí)際問題最多的地方。走線電阻和寄生電容直接影響數(shù)據(jù)電壓的寫入精度尤其在屏幕邊緣的像素?cái)?shù)據(jù)線更長RC延遲更大寫入電壓的建立時(shí)間和屏幕中間區(qū)域不一樣最后表現(xiàn)為邊緣偏色。關(guān)鍵走線一定要控制長度和線寬電源線尤其是ELVDD這類電流較大的走線如果太窄會(huì)出現(xiàn)明顯的IR Drop。IR Drop會(huì)讓屏幕頂部和底部的亮度有差異嚴(yán)重時(shí)甚至能看到一整塊區(qū)域的偏色。在高分辨率面板里像素間距很小走線之間的耦合電容也得盯緊否則數(shù)據(jù)線跳變會(huì)串?dāng)_到相鄰像素的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。這些細(xì)節(jié)在單顆像素仿真時(shí)看不出來一定要做包含寄生參量的多點(diǎn)仿真才能暴露問題。4. 常見問題與排查技巧實(shí)錄4.1 屏幕出現(xiàn)Mura先別急著懷疑材料Mura可能是面板開發(fā)中最常見的視覺缺陷表現(xiàn)形式是屏幕上出現(xiàn)不均勻的亮度斑塊。很多人第一反應(yīng)是蒸鍍工藝問題或者發(fā)光材料不均勻但在像素電路階段出現(xiàn)Mura的概率同樣不低。如果驅(qū)動(dòng)管Vth偏差過大且補(bǔ)償結(jié)構(gòu)未能完全消除或者補(bǔ)償時(shí)序不滿足要求像素與像素之間的亮度差就會(huì)累積成可見的云紋狀Mura。排查思路是先區(qū)分Mura的空間分布。如果是大面積漸變、越靠近某個(gè)方向越明顯優(yōu)先懷疑電源走線的IR Drop如果是隨機(jī)分布、呈顆粒狀優(yōu)先懷疑TFT器件的Vth分布或者補(bǔ)償精度。前者是版圖和電源網(wǎng)絡(luò)問題后者是器件匹配和電路拓?fù)鋯栴}。在實(shí)驗(yàn)室里可以用探針臺(tái)對多個(gè)相同位置的像素進(jìn)行電流測試看數(shù)據(jù)離散度是否超出設(shè)計(jì)指標(biāo)。如果離散度正常那問題大概率出在驅(qū)動(dòng)IC時(shí)序配置上。4.2 低刷新率下閃爍嚴(yán)重先查看漏電路徑近幾年手機(jī)廠商流行LTPO這類可變刷新率技術(shù)但很多團(tuán)隊(duì)在調(diào)試低頻模式時(shí)都會(huì)遇到閃爍問題。原因非常簡單刷新率降低意味著每一幀的保持時(shí)間變長存儲(chǔ)電容上的電壓會(huì)因?yàn)門FT的漏電而慢慢丟電荷OLED電流跟著波動(dòng)幀與幀之間亮度不一致人眼就感知到了閃爍。排查這類問題首先要確認(rèn)所有關(guān)斷管的柵源電壓是否足夠負(fù)。TFT柵極關(guān)斷電壓過低關(guān)不徹底漏電流會(huì)明顯增大。此外初始化管和補(bǔ)償管在非工作階段的電位也很關(guān)鍵一些拓?fù)淅锼鼈儠?huì)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)藕斷絲連制造額外漏電路徑。曾有一個(gè)項(xiàng)目低頻閃爍問題排查了很久最后發(fā)現(xiàn)是EM信號(hào)的低電平設(shè)置太高導(dǎo)致發(fā)光控制管在關(guān)斷狀態(tài)下仍然存在微弱的亞閾值漏電。把低電平往下調(diào)了一檔之后閃爍立刻改善。這類問題在電路仿真里不容易復(fù)現(xiàn)因?yàn)槟Ｐ蛯嗛撝祬^(qū)的擬合精度有限最終還是要用硅片實(shí)測來驗(yàn)證。4.3 仿真環(huán)境下怎么判斷補(bǔ)償是否有效不管你的仿真軟件是Cadence Virtuoso、HSPICE還是其他EDA工具像素電路的仿真思路是通用的。第一步先做直流掃描得到驅(qū)動(dòng)管工作點(diǎn)的范圍確認(rèn)所有偏置電壓都在工藝允許的范圍內(nèi)第二步做瞬態(tài)仿真完整跑完一個(gè)工作循環(huán)觀察存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電壓在發(fā)光階段的保持曲線看是否有不能接受的衰減第三步做參數(shù)掃描對Vth和遷移率設(shè)置不同偏差組合跑完蒙特卡洛分析確認(rèn)補(bǔ)償效果在工藝角下依然成立。這里要特別提醒不要把仿真收斂當(dāng)成目標(biāo)要把仿真的物理意義吃透。比如補(bǔ)償精度分析時(shí)不能只看某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)柵源電壓的絕對值還要看發(fā)光階段電流的變化率。OLED是電流器件最終觀察的對象永遠(yuǎn)是電流波動(dòng)。如果條件允許建議加一項(xiàng)“最差條件下相鄰像素電流差”的統(tǒng)計(jì)量這是判斷Mura風(fēng)險(xiǎn)最直接的指標(biāo)。實(shí)測中很多仿真很漂亮的電路真正流片后卻出現(xiàn)Mura問題往往出在仿真時(shí)沒有覆蓋足夠的工藝偏差組合。4.4 一份可復(fù)用的像素電路設(shè)計(jì)自查清單每次啟動(dòng)新的AMOLED像素設(shè)計(jì)我習(xí)慣在項(xiàng)目開始前就把下面這份清單過一遍。它的意義不是讓你按圖索驥而是提醒你別漏掉容易翻車的環(huán)節(jié)。檢查項(xiàng)關(guān)注內(nèi)容典型風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)管工作點(diǎn)靜態(tài)工作電流是否匹配OLED亮度范圍電流過小導(dǎo)致暗場不足Vth補(bǔ)償覆蓋范圍是否覆蓋工藝偏差加老化漂移中期亮度衰減Mura惡化存儲(chǔ)電容保持能力一幀內(nèi)電壓漂移是否小于半個(gè)灰階閃爍、灰階失真掃描/EM時(shí)序交疊信號(hào)邊沿是否有足夠裕量串?dāng)_、補(bǔ)償不充分電源走線壓降ELVDD/ELVSS在邊緣像素的電壓差大面積亮度不均漏電全路徑審計(jì)所有關(guān)斷管在低頻下的亞閾值漏電低頻模式閃爍蒙特卡洛仿真通過率關(guān)鍵電流統(tǒng)計(jì)量是否滿足規(guī)格量產(chǎn)良率波動(dòng)的隱患每一個(gè)檢查項(xiàng)背后幾乎都對應(yīng)著一筆真實(shí)的流片費(fèi)用和數(shù)月的驗(yàn)證時(shí)間。芯片和面板開發(fā)與純軟件開發(fā)不一樣一旦出手就很難低成本修改。這也是我在這個(gè)行業(yè)里吃過最多虧之后總結(jié)出來的一條心得像素電路的設(shè)計(jì)功夫很大一部分在硅片之外。仿真做得越細(xì)清單過得越早后面的返工就越少。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取