一種適用于可穿戴設(shè)備的高穩(wěn)定性微顯示像素電路

2012年，美國谷歌公司發(fā)布了其第一款可穿戴設(shè)備——谷歌眼鏡（Google Project Glass），是集AR/VR技術(shù)、微顯示技術(shù)、信息技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等為一體的便捷式電子設(shè)備，具備拍照、通話、導(dǎo)航、收發(fā)郵件等傳統(tǒng)電子通信設(shè)備的功能，輕巧便攜，可以應(yīng)用于高等教育、醫(yī)療、自然科學(xué)研究、語言學(xué)習(xí)等領(lǐng)域，引發(fā)了高度關(guān)注［1］。自2014年起，美國蘋果公司陸續(xù)發(fā)布了數(shù)款智能手表Apple Watch系列產(chǎn)品，融合了移動支付、心率監(jiān)測、休閑娛樂、信息收發(fā)等多種功能［2］。后來，國內(nèi)華為、小米等公司也相繼推出了類似的手環(huán)型可穿戴電子設(shè)備。2020年，全球虛擬現(xiàn)實(shí)市場規(guī)模約為137億美元，預(yù)計到2024年市場份額有望達(dá)到365億美元［3］。可穿戴設(shè)備作為AR/VR技術(shù)的重要顯示載體，市場前景較為樂觀。

目前市面上的可穿戴設(shè)備雖然結(jié)構(gòu)、用途多樣，但其信息顯示部分本質(zhì)上都是應(yīng)用微顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。微顯示技術(shù)是將光電器件構(gòu)成的顯示矩陣和集成電路技術(shù)相結(jié)合的新型顯示技術(shù)，其原理是使用顯示芯片對顯示矩陣面板中的每一個微顯示電路進(jìn)行開關(guān)控制，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)電平供給對應(yīng)的輸出電壓或電流從而使對應(yīng)的光電器件發(fā)光。相對于傳統(tǒng)的陰極射線管和液晶顯示而言，微顯示器件具有尺寸小、功耗低、對比度高、亮度高、集成度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)［4-5］，適合廣泛應(yīng)用于AR/VR、投影顯示、可穿戴設(shè)備等對分辨率、顯示質(zhì)量和功耗要求都較高的新型顯示技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域［6］。目前比較成熟的微顯示技術(shù)按照顯示材料不同區(qū)分，主要有硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon， LCoS）、硅基OLED（OLED-on-Silicon）、micro LED等。例如，谷歌眼鏡是抬頭顯示（Head Up Display， HUD）與AR技術(shù)的應(yīng)用典型，常用LCoS作為顯示屏［7］。而Apple Watch與日本任天堂公司生產(chǎn)的部分Switch掌上游戲機(jī)則使用了硅基OLED顯示屏。

可穿戴設(shè)備市場持續(xù)向著高分辨率、微型化、低功耗方向發(fā)展，這對微顯示器件的顯示質(zhì)量提出了更高的要求。微顯示器件的顯示驅(qū)動芯片起到信號產(chǎn)生與顯示矩陣控制的作用，并不直接參與圖像顯示，所以微顯示矩陣的顯示穩(wěn)定性直接決定著微顯示器件的顯示質(zhì)量。而當(dāng)微顯示器件的面積縮小到25.4mm （1 in）及以下，若進(jìn)一步提高器件分辨率，則需要進(jìn)一步縮小顯示面板中單個顯示矩陣像素點(diǎn)的面積和間距。此時由于版圖、工藝等物理因素限制，晶體管閾值電壓漂移問題將不可忽視，使得在給定相等的輸入數(shù)據(jù)即顯示灰度下，微顯示電路之間的工作電流不同，從而造成微顯示器的發(fā)光電流穩(wěn)定性降低［8-9］，影響顯示質(zhì)量；而出于低功耗考慮，可穿戴設(shè)備的工作電壓相比大型顯示設(shè)備來說要小得多，在低工作電壓和器件微型化的限制下，閾值電壓偏移導(dǎo)致發(fā)光電壓或電流的減小效應(yīng)會更加顯著［10］。為了解決這一問題，本文提出了一種能夠滿足可穿戴設(shè)備高顯示穩(wěn)定性要求的電流型微顯示電路及其驅(qū)動方法，以解決高分辨率下微顯示電路驅(qū)動管閾值電壓偏移引起的發(fā)光電流穩(wěn)定性下降的問題，滿足多種高分辨率電流型微顯示對高發(fā)光電流穩(wěn)定性的要求。

2 微顯示像素電路設(shè)計及工作原理

圖1是傳統(tǒng)的源跟隨型2晶體管1電容（2-Transistor-1-Capacitor， 2T1C）型微顯示像素電路結(jié)構(gòu)圖。掃描信號Vscan是微顯示矩陣的行掃描信號，當(dāng)該信號有效時，開關(guān)管M1開啟，數(shù)據(jù)信號Vdata被存儲在存儲電容CS中；Vdata應(yīng)不小于驅(qū)動管M2的閾值電壓Vth2，從而驅(qū)動管開啟且工作在飽和區(qū)，該微顯示電路的發(fā)光電流流經(jīng)光電器件LED，微顯示器件發(fā)光且發(fā)光電流表達(dá)式為：

Idr=12?  μ?  COX?  W/L?  (Vgs2?Vth2)2=12?  μ ?  COX?  W/L?  (Vdata?Vth2)2 ,

（1）

其中：μ表示驅(qū)動管M2的電子遷移率，COX為其柵電容的電容值，W為溝道寬度，L為溝道長度?；镜脑锤S型2T1C微顯示電路結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便，單個電路面積較小，只要數(shù)據(jù)電壓成功存儲于電容，即使行掃描信號撤除即本行掃描結(jié)束、下一行電路開始被掃描，本行微顯示電路依舊可以發(fā)光，具備基本的微顯示功能。但是式（1）中發(fā)光電流與晶體管的閾值電壓直接相關(guān)，晶體管閾值電壓漂移問題會直接導(dǎo)致發(fā)光電流衰減、波動、偏移等問題，因此2T1C型微顯示電路并不滿足可穿戴設(shè)備等對發(fā)光穩(wěn)定性和顯示質(zhì)量要求較高的微顯示器件。

圖1  2T1C微顯示像素電路結(jié)構(gòu)圖

Fig.1  Structure diagram of 2T1C microdisplay pixel circuit

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為了解決這一問題，目前認(rèn)可度較高的方法是修改微顯示電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工作原理，使發(fā)光電流盡可能與電路工藝、物理等因素?zé)o關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)微顯示器件的穩(wěn)定發(fā)光。例如中國科學(xué)院宋玉龍?zhí)岢龅囊环N適用于LCoS微顯示的存儲電路，該電路由6個晶體管和2個存儲電容組成，其功能是在發(fā)光階段利用存儲電容中的電壓值供給LCoS顯示面板發(fā)光，降低了器件功耗［11］。然而，存儲電容中的電荷的泄露問題并沒有得到很好解決，同時該電路并不適用于其他類型的微顯示設(shè)備。東南大學(xué)賴良德等人設(shè)計了一種電流驅(qū)動型6T1C微顯示電路，將晶體管的閾值電壓進(jìn)行了提取和存儲，減小了閾值電壓對發(fā)光電流的影響，適用于micro LED、硅基OLED等微顯示設(shè)備，提高了發(fā)光電流穩(wěn)定性［12］。然而該電路在低壓5 V的工作條件下發(fā)光電流較小，僅1 nA左右，限制了微顯示器件在高亮度顯示如掌上游戲機(jī)、AR/VR等領(lǐng)域的應(yīng)用，亦不適用于量子點(diǎn)發(fā)光二極管等新型光電器件。徐勇等人設(shè)計的低壓6T1C數(shù)字驅(qū)動型微顯示電路相較于模擬驅(qū)動對晶體管尺寸的限制更小，有利于電路的微型化，但在驅(qū)動能力和發(fā)光穩(wěn)定性上略有不足［13］。J P Lee等人提出的5T1C型電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，取消了公共高電平從而減小了電壓滾降（IR Drop）對電流穩(wěn)定性的影響，同時兼顧了閾值電壓補(bǔ)償，穩(wěn)定性較好［14］。但是該電路工作在中壓條件下，限制了該電路在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。

圖2為本文提出的適用于可穿戴設(shè)備的高穩(wěn)定性微顯示像素電路的結(jié)構(gòu)圖，該電路由物理性質(zhì)與制造工藝相近的4個NMOS晶體管、1個PMOS晶體管和1個存儲電容組成，結(jié)合數(shù)據(jù)信號Vdata、第一控制信號SCAN1、第二控制信號SCAN2、發(fā)光控制信號EN共同控制著光電器件LED的關(guān)閉與發(fā)光。VDD與GND代表公共高電平信號及其電壓值和公共地電平信號及其電壓值。數(shù)據(jù)信號Vdata提供的模擬數(shù)據(jù)電壓值來自于驅(qū)動芯片數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。對于微顯示電路而言，一般用灰度值作為發(fā)光亮度變化指標(biāo)，而每一個Vdata的電壓值都對應(yīng)一級顯示灰度。Vdata越大，灰度值越大，微顯示器件的發(fā)光亮度也就越大。又因?yàn)镸_Ndr和光電負(fù)載是串聯(lián)的，即晶體管漏電流與微顯示電路發(fā)光電流相同，因此微顯示器件發(fā)光的亮度由Vdata和晶體管的器件參數(shù)共同決定。為保證所提出的5T1C電路具備低壓工作能力，VDD與GND分別取5 V和0 V，5個MOS管均為低壓5 V工藝晶體管。第一控制信號SCAN1、第二控制信號SCAN2和發(fā)光控制信號EN是微顯示驅(qū)動芯片供給的電平脈沖信號，其在一個掃描周期內(nèi)的時序組合先后對應(yīng)著所提出的5T1C型電路的3個工作階段，如圖3（a）所示。3個工作階段及對應(yīng)階段中5T1C電路工作情況具體如下：

圖2  5T1C型微顯示像素電路結(jié)構(gòu)圖

Fig.2  Structure diagram of 5T1C microdisplay pixel circuit

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圖3  5T1C型微顯示像素電路工作時序原理圖

Fig.3  Timing diagram and operation function of 5T1C microdisplay pixel circuit

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（1） 復(fù)位重置階段

圖3（b）所示復(fù)位重置階段是在一幀時間內(nèi)的第一個工作階段，在該階段內(nèi)，SCAN1、SCAN2和EN置為低電平0 V。由于SCAN1和SCAN2分別連接于M_P0和M_N1兩個MOS管的柵極，因此M_P0開啟而M_N1關(guān)閉。使用PMOS管M_P0的原因是傳輸高電壓5 V時不會有閾值損失，確保節(jié)點(diǎn)B的電壓被拉高至5 V；又因?yàn)楣?jié)點(diǎn)B即為存儲電容的一端，因此存儲電容中的電壓水平也即為5 V。此時發(fā)光控制信號EN保持低電平，所以即使驅(qū)動管M_Ndr的柵極電壓為5 V，該管依舊關(guān)閉，無電流流經(jīng)發(fā)光負(fù)載。該階段的主要目的是重置節(jié)點(diǎn)B即存儲電容中存儲的電壓水平，提高了后續(xù)閾值電壓檢測、存儲電容充放電的準(zhǔn)確度，是確保所提出的5T1C微顯示電路精確工作的重要一步。

（2） 閾值電壓檢測與存儲階段

如圖3（c）所示，在閾值電壓檢測與存儲階段，SCAN1和SCAN2都置為高電平5 V，發(fā)光控制信號EN保持低電平不變。此時M_P0關(guān)閉而M_N1開啟，所以節(jié)點(diǎn)B與存儲電容與VDD斷開連接；同時，由于節(jié)點(diǎn)B的電壓原本為5 V且M_N2柵漏相連，所以此時M_N2起二極管作用，其漏極電壓即節(jié)點(diǎn)B的電壓從5 V開始通過電容放電下降至Vdata+Vth。由于發(fā)光控制信號EN保持低電平，所以M_N3和M_Ndr均關(guān)斷，無電流流經(jīng)發(fā)光負(fù)載。可見，在本階段內(nèi)存儲電容上保有的電壓值中，包括了晶體管閾值電壓的一部分值，實(shí)現(xiàn)了提取閾值電壓的功能。

（3） 補(bǔ)償與發(fā)光階段

圖3（d）是本文提出的5T1C微顯示電路在補(bǔ)償與發(fā)光階段的工作情況。此時，SCAN1保持高電平5 V而SCAN2置低電平0 V，關(guān)閉M_P0與M_N1，節(jié)點(diǎn)B電壓得以保持；而發(fā)光控制信號EN拉高，所以M_N3開啟。此時驅(qū)動管M_Ndr柵極電壓為節(jié)點(diǎn)B的電壓即Vdata+Vth，漏極通過M_N3與發(fā)光負(fù)載和公共高電平信號相連，所以驅(qū)動管M_Ndr工作在飽和區(qū)，電流表達(dá)式為：

Idr=12?  k?   (Vgsdr?Vth)2=12?  k?   (Vdata+Vth?Vth)2=12?  k?   (Vdata)2 ,

（2）

其中：k=μCOXW/L，μ為M_Ndr的載流子遷移率，COX為M_Ndr柵電容的電容值，W/L為M_Ndr的寬長比。由式（2）可知，在補(bǔ)償與發(fā)光階段M_Ndr的漏電流即發(fā)光負(fù)載LED的發(fā)光電流與晶體管的閾值電壓無關(guān)，消除了閾值電壓漂移對發(fā)光電流的負(fù)面影響，同時，在該階段內(nèi)只要所有信號都保持不變，M_Ndr源漏電流即發(fā)光電流保持不變，發(fā)光負(fù)載LED會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)光。此外，上述SCAN1、SCAN2和EN信號在實(shí)際工程制造中，出于低功耗和簡化設(shè)計考慮，一般是由微顯示驅(qū)動芯片中的行掃描時鐘脈沖結(jié)合電平移位電路、D觸發(fā)器、組合邏輯門等行控制電路模塊所形成的周期信號并通過一組級聯(lián)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)信號的逐行傳送，從而當(dāng)本行掃描結(jié)束時，由于D觸發(fā)器的電平狀態(tài)保持作用，本行信號電平得以維持，同時下一行掃描開啟，并減少了額外的動態(tài)功耗。

3 電路仿真結(jié)果及分析

針對圖2與圖3所示的微顯示電路及其工作時序原理，本文在低壓5 V工藝、60 Hz刷新率、720 PPI分辨率等條件下于HSPICE平臺、3.3 V/5 V工藝實(shí)現(xiàn)了仿真電路的搭建、測試與結(jié)果分析，以模擬可穿戴設(shè)備的真實(shí)應(yīng)用場景。圖4是在最大顯示灰度條件下，該5T1C型微顯示電路在一幀時間內(nèi)，輸入信號電平、節(jié)點(diǎn)B處的電壓值與發(fā)光電流的變化情況。圖中（1）、（2）、（3）區(qū)間分別代表上述的復(fù)位重置階段、閾值電壓檢測與存儲階段。復(fù)位重置階段的主要目標(biāo)是校準(zhǔn)存儲電容中存儲的電壓值，用時較短。在該階段內(nèi)，第一控制信號SCAN1、第二控制信號SCAN2和發(fā)光控制信號EN均保持0 V，節(jié)點(diǎn)B電壓值為5 V，表示存儲電容連接至公共高電平VDD，并將存儲電容中的電壓恢復(fù)至5 V，此時發(fā)光電流為0，微顯示電路不支持發(fā)光。在閾值電壓檢測與存儲階段，存儲電容放電至節(jié)點(diǎn)B電壓至Vdata+Vth=2.93 V，發(fā)光電流仍為0，微顯示電路不支持發(fā)光。復(fù)位重置階段和閾值電壓檢測與存儲階段均是非發(fā)光階段，存儲電容、工作電壓水平和微顯示器件的刷新率共同決定了以上兩個階段的時長。同時考慮電容面積對微顯示電路面積影響較為顯著、需要控制電容大小，本文復(fù)位重置階段和閾值電壓檢測與存儲分別用時2 μs、8 μs，如圖4所示，均為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中最長延時，可以保證電容電壓值穩(wěn)定，同時滿足人眼視覺延遲特性［15］，使得非發(fā)光階段不顯著影響微顯示電路的顯示效果。在補(bǔ)償與發(fā)光階段，發(fā)光電流流過發(fā)光負(fù)載，節(jié)點(diǎn)B電壓保持在2.93 V，M_N3工作于線性區(qū)，起電阻作用，驅(qū)動管M_Ndr的電壓電流關(guān)系滿足Vgsdr?Vth=Vdata<Vds，發(fā)光負(fù)載穩(wěn)定發(fā)光，發(fā)光電流達(dá)1 017.1 nA。

圖4  5T1C微顯示電路各信號電壓、節(jié)點(diǎn)電壓與驅(qū)動電流在一幀時間內(nèi)的變化情況。

Fig.4  Signal and node voltages，driving current of 5T1C microdisplay pixel circuit during one frame time.

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圖5和圖6分別是圖2所示2T1C微顯示電路和5T1C微顯示電路在工作電壓、灰度等級、晶體管工藝等條件相近下的發(fā)光電流與顯示灰度值和晶體管閾值電壓偏移的變化關(guān)系。

圖5  2T1C微顯示電路發(fā)光電流與灰度值和閾值電壓偏移的變化關(guān)系圖

Fig.5  Diagram of driving current vs. grayscales and threshold voltage variations of 2T1C microdisplay pixel circuit

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圖6  5T1C微顯示電路發(fā)光電流與灰度值和閾值電壓偏移的變化關(guān)系圖

Fig.6  Diagram of driving current vs. grayscales and threshold voltage variations of 5T1C microdisplay pixel circuit

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首先，數(shù)據(jù)信號Vdata與灰度值成正比，其值越大，灰度值越大，微顯示器件的發(fā)光亮度也就越大。由式（1）得，2T1C微顯示電路發(fā)光電流與微顯示電路晶體管的閾值電壓直接相關(guān)，發(fā)光電流與灰度值成近似二次函數(shù)關(guān)系，且曲線波動較大。對于5T1C微顯示電路而言，結(jié)合圖6與式（2），發(fā)光電流大小與灰度值亦滿足近似二次函數(shù)關(guān)系，但曲線更為圓滑，更有利于微顯示芯片中GAMMA矯正等模塊的設(shè)計［16］。另一方面，人眼對于亮度變化的感觀也是非線性的，對于亮度較低的光暗變化更為敏感［17］，亮度較高時對其變化敏感度較低，所以在低灰度區(qū)，微顯示電路各灰度級之間差距較小是較為合理的。

本文選擇最低有效位（Least Significant Bit， LSB）作為衡量發(fā)光電流偏差的指標(biāo)，對比2T1C微顯示電路以說明本文所提出的5T1C微顯示電路的穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)光電流偏差不多于1 LSB時，即使因?yàn)殚撝惦妷浩茖?dǎo)致發(fā)光電流出現(xiàn)誤差，也不會直接改變其所在的顯示灰度級別，對微顯示器件的整體顯示質(zhì)量影響不大。同時，當(dāng)灰度級較高、發(fā)光電流基數(shù)較大時，如果仍采用百分比誤差計算，當(dāng)出現(xiàn)較大電流偏差時得到的誤差值仍可能較小，不能客觀衡量電流誤差的準(zhǔn)確性。驗(yàn)證微顯示電路閾值補(bǔ)償功能時，閾值電壓偏移量參考值在-20~+20 mV之間即可較好說明電路的發(fā)光穩(wěn)定性［14］。本文選擇閾值電壓偏移量在-50~+50 mV之間，以使5T1C電路具有較好的穩(wěn)定性。

如圖5所示，2T1C微顯示電路在灰度值為0時，發(fā)光電流幾乎為0，電流偏差的絕對值較小，所以誤差計算結(jié)果較小；當(dāng)灰度值最大時，數(shù)據(jù)電壓Vdata較大，根據(jù)式（1），閾值電壓偏移量相較于Vdata較小，所以誤差計算結(jié)果也較小。但在其余灰度級情況下，閾值電壓偏移時的發(fā)光電流與沒有偏移時的發(fā)光電流差異顯著，誤差均不小于1 LSB，且最高達(dá)到了+18.67 LSB，所以晶體管閾值電壓偏移嚴(yán)重影響了傳統(tǒng)2T1C微顯示電路的穩(wěn)定性和顯示質(zhì)量。而如圖6所示，在本文實(shí)驗(yàn)條件下，由于本文所提出的5T1C微顯示電路具備補(bǔ)償功能，所以在全灰度范圍內(nèi)，即使閾值電壓發(fā)生了明顯的偏移，閾值電壓偏移時的發(fā)光電流曲線與沒有偏移時的發(fā)光電流曲線高度重合，發(fā)光電流的偏差依舊保持在-0.54~+0.70 LSB之間，說明閾值電壓的偏移亦未對發(fā)光電流產(chǎn)生顯著影響。綜上所述，本文所設(shè)計的微顯示電路能夠滿足設(shè)計要求，可以正常工作。

4 結(jié) 論

為了滿足可穿戴設(shè)備的應(yīng)用需求，本文分析了影響可穿戴設(shè)備中微顯示器件顯示穩(wěn)定性的因素，并設(shè)計了一種新型高穩(wěn)定性微顯示像素電路。該電路由5個MOSFET和1個存儲電容構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)和控制方式較為簡單。經(jīng)HSPICE仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計的微顯示電路在低工作電壓條件下，通過對晶體管閾值電壓值進(jìn)行提取、存儲和補(bǔ)償，使其在-50~+50 mV的閾值電壓顯著偏移情況下，發(fā)光電流誤差保持在-0.54~+0.70 LSB之間，同時最高發(fā)光電流可達(dá)1 017.1 nA。通過與同實(shí)驗(yàn)條件下的傳統(tǒng)2T1C微顯示電路的性能對比，表明本文所提出的5T1C微顯示電路具備較高的發(fā)光電流穩(wěn)定性，同時在低壓工作條件下，發(fā)光電流范圍亦較大。因此，所設(shè)計的新型微顯示像素點(diǎn)電路能夠滿足可穿戴設(shè)備應(yīng)用中低功耗、高顯示質(zhì)量的需求。