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摘 要：OLED由于具有高响应速度、高发光效率、强亮度、宽视角、柔性好等优点，已被广泛应用到显示领域，然而其像素电路中驱动晶体管的阈值电压漂移和电源压降会导致OLED出现亮度不均匀现象。本文综述了目前OLED像素电路补偿的两种补偿方式，并分别就这两种补偿方式介绍了三种像素电路的补偿结构。
关键词：OLED;像素电路;补偿
中图分类号：TN873;TN383.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0027-03
Overview of OLED Pixel Circuit Compensation Patent Technology
YANG Huanhuan DUAN Chaoxia
（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office， CNIPO， Guangzhou Guangdong 510530）
Abstract： OLED has been widely used in the display field due to its high response speed， high luminous efficiency， strong brightness， wide viewing angle and good flexibility. However， the threshold voltage drift and power supply voltage drop of the driving transistor in its pixel circuit causes OLED has uneven brightness. This article summarizes the two compensation methods of pixel circuit compensation of the current OLED， and introduces three means of the compensation structures of pixel circuits for these two compensation methods.
Keywords： OLED; pixel circuit; compensation
有機发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）是一种利用多层有机薄膜结构产生电致发光的器件，具有高响应速度、高发光效率、强亮度、宽视角、柔性好等优点，近年来被人们广泛研究，应用在显示屏的制作中，成为新一代显示技术。目前，在手机、PDA、数码相机等平板显示领域，OLED已经开始取代传统的液晶显示屏（Liquid Crystal Display，LCD）。
用于控制OLED进行发光的像素电路的设计是OLED显示器的核心技术内容。由于OLED属于电流驱动，需要稳定的电流来控制其发光。然而，由于工艺制程和器件老化等原因，会使像素电路中驱动OLED发光的驱动晶体管的阈值电压Vth存在不均匀性，这样导致流过OLED的电流会发生变化使得显示亮度不均，从而影响整个图像的显示效果。并且流过每个OLED的电流与驱动晶体管的源极连接的电源电压相关，由于电源电压存在IR Drop（压降）的原因，也会造成不同区域的电流存在差异，进而造成不同区域的OLED出现亮度不均匀现象[1]。因此，各企业和科研院校提出了针对像素电路结构的补偿技术，以提高OLED显示面板的显示均匀性。
1 传统的2T1C像素电路结构
传统的2T1C像素电路结构如图1所示，当扫描信号Vscan为低电平时，开关晶体管T2导通，数据信号Vdata经由开关晶体管T2存储到存储电容器CS中，并写入驱动晶体管T1的栅极，驱动晶体管T1导通，驱动OLED发光。其中，流经OLED的电流由驱动晶体管T1控制，公式如下：
[Ids=12μCoxWLVDD-Vdata-Vth2] （1）
其中，μ为有效载流子迁移率，Cox为栅极氧化层电容，W/L为驱动晶体管的宽长比，VDD为信号源的电压，Vdata为输入的数据信号，Vth为驱动晶体管的阈值电压。
从上述公式可以看出，电流Ids与阈值电压Vth有关。由于工艺的差异和长时间显示的原因，会造成驱动晶体管阈值电压的不一致和漂移，即使写入的数据信号相同，驱动OLED发光的电流也会存在差异，从而导致各像素中OLED的发光不均匀。同时，考虑到VDD金属线本身具有阻抗，会有压降存在，造成每一像素实际施加的VDD不同，驱动OLED发光的电流会存在差异，这也会导致各像素中OLED的发光不均匀。
2 像素电路补偿
目前，像素电路补偿通常采用以下两种方式：内部补偿方式和外部补偿方式。内部补偿方式是在像素电路结构内部增加补偿单元，在发光阶段前对阈值电压进行补偿;外部补偿方式是通过感测像素电路中元件的电气属性（如阈值电压或迁移率），基于感测结果通过设置在显示面板外部的补偿装置对输入图像的像素数据进行调制，从而补偿各个像素电路中元件特性的退化。内部补偿方式由于在像素电路结构内部增加补偿单元，使得像素电路配置变得复杂，此外，内部补偿方式难以补偿驱动TFT迁移率的变化。相比内部补偿方式，外部补偿方式的结构简单且可调控性强，有利于显示面板高分辨率设计，因此更受青睐[2]。
本文针对内部补偿方式和外部补偿方式介绍了三种像素电路补偿结构。
2.1 案例1 京东方科技集团在专利申请CN102708785A中提出了一种像素单元电路，如图2所示，该像素单元电路由5个P型TFT晶体管、1个OLED和2个电容组成。
像素单元电路的工作过程分为4个阶段：第1阶段为预冲阶段，SCAN为高电平，EM和EMB为低电平;此时晶体管21、晶体管22、晶体管12、晶体管23导通，晶体管11关断，电容3被放电，NG点电位小于ARVDD+Vthp （Vthp<0）;第2阶段为补偿阶段，SCAN为高电平，EMB为低电平，EM为高电平;EM变高瞬间，晶体管21、晶体管22、晶体管12导通，晶体管11、晶体管23关断;晶体管21形成二极管连接，NG点电压被ARVDD充电，逐渐上升直至ARVDD+Vthp，使晶体管21关断，同时ND点被OLED 4放电，直至OLED 4关断无电流通过，此时ND电压为VOLED_0，即OLED的阈值电压;第3阶段为求值阶段，SCAN为低电平，EM、EMB为高电平;晶体管21、晶体管11导通，晶体管22、晶体管12、晶体管23关断;此时数据线上的电压被加到电容3的ND点，由于NG点无直流通路，因此该点的电荷总量相较于阶段2应保持不变;第4阶段为保持发光阶段，SCAN为高电平，EM为低电平、EMB为高电平;晶体管21、晶体管23导通，晶体管22、晶体管11、晶体管12关断。此时NG点的电压被电容24保存，晶体管23打开后，电流可供给OLED 4使之发光。此时流过晶体管21的电流为：[IOLED=12μp·Cox·WL·C3/C24+C3·Vdata-VOLED_0+ARVDD+Vthp-ARVDD-Vthp2=12μp·Cox·WL·C3C24+C3·Vdata-VOLED_02]
（2）
由式（2）可知，流过晶体管21的电流与阈值电压和ARVDD无关，因此，基本消除了阈值电压非均匀性以及IR Drop的影响。
2.2 案例2
京东方科技集团在专利申请CN104658485A中提出了一种OLED驱动补偿电路，如图3所示.该OLED驱动补偿电路包括驱动模块1和外部补偿模块2。
该电路的工作过程包括三个阶段。第一阶段为重置阶段，栅线Gate输入高电平信号，使开关晶体管T2开启，数据线Data输入一特定电压VGM，使驱动晶体管T1开启，控制信号端G1同时输入高电平信号，使第三晶体管T3开启，并与参考电压端VREF连接;电源电压端VDD提供第一电压VDD1，参考电压端提供电压VREFL;在此情况下，驱动晶体管T1的栅极及存储电容C的第一端的电压被重置为VGM，驱动晶体管T1的漏极及存储电容C的第二端的电压被重置为：VA=RT3/（RT1+RT3）×（VDD1-VREFL）+VREFL。第二阶段为充电阶段，栅线Gate输入低电平信号，使开关晶体管T2关闭，同时第三晶体管T3与电压保持单元连接，并与参考电压端VREF断开连接;在此情况下，电源电压端VDD向存储电容C1以及电压保持单元充电。第三阶段为保持阶段，栅线Gate再次输入高电平信号，使开关晶体管T2开启，数据线Data输入另一特定电压VG0，使驱动晶体管T1关闭，存储电容C1的第一端此时具有电压VG0，而驱动晶体管T1的漏极及存储电容C1的第二端则在电压保持单元的作用下，保持充电阶段完成后的电压。经上述三个阶段，完成对驱动晶体管T1的栅极和漏极的电压的补偿，可以在之后的发光过程中避免驱动晶体管T1的阈值电压Vth的漂移，以及不同像素单元中驱动晶体管T1、OLED的不均影响各像素单元的显示均匀性。
2.3 案例3
上海中科高等研究院在专利申请CN103268756A中提出了一种AMOLED电压外部补偿电路，如图4所示，AMOLED电压外部补偿电路包括：参考电压产生器10、比较器20、电压补偿模块30。
AMOLED电压外部补偿方法包括：读取像素阵列中每个像素单元中的OLED的驱动电压;利用比较器比较所述驱动电压和预设的参考电压的大小，若所述驱动电压小于预设的参考电压，则输出高电平，并开始电压补偿;所述电压补偿包括：利用减法器得出所述驱动电压和预设的参考电压的电压差，同时输出比较器的位置信号;根据所述电压差，通过查找表查找存储器中存储的需要补偿的数字量、比较器的输出信号和位置信号;利用电压控制器读取需要补偿的数字量和比较器的位置信号;利用校正单元根据所述需要补偿的数字量对输入所述OLED的图像信号进行校正;利用数模转换模块对校正后的图像信号进行转换，获得校正图像电压信号输入所述OLED中;所述校正图像电压信号的电压值大于校正前的所述图像信号的电压值;重复所述电压补偿过程，直至所述驱动电压等于预设的参考电压，比较器输出低电平，停止电压补偿。通过补偿过程，得到的OLED陽极点电压VOLED=Vref，其中Vref是根据Vdata_n的大小确定的，因此OLED的亮度的大小只与Vdata_n的大小有关，与驱动TFT的阈值电压和电子迁移率无关。
3 结语
本文综述了目前OLED像素电路补偿的内部补偿方式和外部补偿方式，并介绍了几种像素电路的补偿结构。随着OLED显示技术的不断发展，新的像素电路结构也在不断出现，除了考虑对阈值电压偏移和IR Drop导致的显示不均匀进行补偿外，还要考虑提高像素开口率、延长OLED使用寿命、简化电路结构等方面的性能改善，以使OLED显示技术更适应未来产品应用。
参考文献：
[1] 张陶然，莫再隆，周炟，等.像素补偿电路、驱动方法、电致发光显示面板及显示装置：CN110164375A[P].2019.08.
[2] 陈晨，潘姝安.OLED显示装置元件特性补偿专利技术综述[J].中国科技信息，2019（12）：33-34.
关键词：OLED;像素电路;补偿
中图分类号：TN873;TN383.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0027-03
Overview of OLED Pixel Circuit Compensation Patent Technology
YANG Huanhuan DUAN Chaoxia
（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office， CNIPO， Guangzhou Guangdong 510530）
Abstract： OLED has been widely used in the display field due to its high response speed， high luminous efficiency， strong brightness， wide viewing angle and good flexibility. However， the threshold voltage drift and power supply voltage drop of the driving transistor in its pixel circuit causes OLED has uneven brightness. This article summarizes the two compensation methods of pixel circuit compensation of the current OLED， and introduces three means of the compensation structures of pixel circuits for these two compensation methods.
Keywords： OLED; pixel circuit; compensation
有機发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）是一种利用多层有机薄膜结构产生电致发光的器件，具有高响应速度、高发光效率、强亮度、宽视角、柔性好等优点，近年来被人们广泛研究，应用在显示屏的制作中，成为新一代显示技术。目前，在手机、PDA、数码相机等平板显示领域，OLED已经开始取代传统的液晶显示屏（Liquid Crystal Display，LCD）。
用于控制OLED进行发光的像素电路的设计是OLED显示器的核心技术内容。由于OLED属于电流驱动，需要稳定的电流来控制其发光。然而，由于工艺制程和器件老化等原因，会使像素电路中驱动OLED发光的驱动晶体管的阈值电压Vth存在不均匀性，这样导致流过OLED的电流会发生变化使得显示亮度不均，从而影响整个图像的显示效果。并且流过每个OLED的电流与驱动晶体管的源极连接的电源电压相关，由于电源电压存在IR Drop（压降）的原因，也会造成不同区域的电流存在差异，进而造成不同区域的OLED出现亮度不均匀现象[1]。因此，各企业和科研院校提出了针对像素电路结构的补偿技术，以提高OLED显示面板的显示均匀性。
1 传统的2T1C像素电路结构
传统的2T1C像素电路结构如图1所示，当扫描信号Vscan为低电平时，开关晶体管T2导通，数据信号Vdata经由开关晶体管T2存储到存储电容器CS中，并写入驱动晶体管T1的栅极，驱动晶体管T1导通，驱动OLED发光。其中，流经OLED的电流由驱动晶体管T1控制，公式如下：
[Ids=12μCoxWLVDD-Vdata-Vth2] （1）
其中，μ为有效载流子迁移率，Cox为栅极氧化层电容，W/L为驱动晶体管的宽长比，VDD为信号源的电压，Vdata为输入的数据信号，Vth为驱动晶体管的阈值电压。
从上述公式可以看出，电流Ids与阈值电压Vth有关。由于工艺的差异和长时间显示的原因，会造成驱动晶体管阈值电压的不一致和漂移，即使写入的数据信号相同，驱动OLED发光的电流也会存在差异，从而导致各像素中OLED的发光不均匀。同时，考虑到VDD金属线本身具有阻抗，会有压降存在，造成每一像素实际施加的VDD不同，驱动OLED发光的电流会存在差异，这也会导致各像素中OLED的发光不均匀。
2 像素电路补偿
目前，像素电路补偿通常采用以下两种方式：内部补偿方式和外部补偿方式。内部补偿方式是在像素电路结构内部增加补偿单元，在发光阶段前对阈值电压进行补偿;外部补偿方式是通过感测像素电路中元件的电气属性（如阈值电压或迁移率），基于感测结果通过设置在显示面板外部的补偿装置对输入图像的像素数据进行调制，从而补偿各个像素电路中元件特性的退化。内部补偿方式由于在像素电路结构内部增加补偿单元，使得像素电路配置变得复杂，此外，内部补偿方式难以补偿驱动TFT迁移率的变化。相比内部补偿方式，外部补偿方式的结构简单且可调控性强，有利于显示面板高分辨率设计，因此更受青睐[2]。
本文针对内部补偿方式和外部补偿方式介绍了三种像素电路补偿结构。
2.1 案例1 京东方科技集团在专利申请CN102708785A中提出了一种像素单元电路，如图2所示，该像素单元电路由5个P型TFT晶体管、1个OLED和2个电容组成。
像素单元电路的工作过程分为4个阶段：第1阶段为预冲阶段，SCAN为高电平，EM和EMB为低电平;此时晶体管21、晶体管22、晶体管12、晶体管23导通，晶体管11关断，电容3被放电，NG点电位小于ARVDD+Vthp （Vthp<0）;第2阶段为补偿阶段，SCAN为高电平，EMB为低电平，EM为高电平;EM变高瞬间，晶体管21、晶体管22、晶体管12导通，晶体管11、晶体管23关断;晶体管21形成二极管连接，NG点电压被ARVDD充电，逐渐上升直至ARVDD+Vthp，使晶体管21关断，同时ND点被OLED 4放电，直至OLED 4关断无电流通过，此时ND电压为VOLED_0，即OLED的阈值电压;第3阶段为求值阶段，SCAN为低电平，EM、EMB为高电平;晶体管21、晶体管11导通，晶体管22、晶体管12、晶体管23关断;此时数据线上的电压被加到电容3的ND点，由于NG点无直流通路，因此该点的电荷总量相较于阶段2应保持不变;第4阶段为保持发光阶段，SCAN为高电平，EM为低电平、EMB为高电平;晶体管21、晶体管23导通，晶体管22、晶体管11、晶体管12关断。此时NG点的电压被电容24保存，晶体管23打开后，电流可供给OLED 4使之发光。此时流过晶体管21的电流为：[IOLED=12μp·Cox·WL·C3/C24+C3·Vdata-VOLED_0+ARVDD+Vthp-ARVDD-Vthp2=12μp·Cox·WL·C3C24+C3·Vdata-VOLED_02]
（2）
由式（2）可知，流过晶体管21的电流与阈值电压和ARVDD无关，因此，基本消除了阈值电压非均匀性以及IR Drop的影响。
2.2 案例2
京东方科技集团在专利申请CN104658485A中提出了一种OLED驱动补偿电路，如图3所示.该OLED驱动补偿电路包括驱动模块1和外部补偿模块2。
该电路的工作过程包括三个阶段。第一阶段为重置阶段，栅线Gate输入高电平信号，使开关晶体管T2开启，数据线Data输入一特定电压VGM，使驱动晶体管T1开启，控制信号端G1同时输入高电平信号，使第三晶体管T3开启，并与参考电压端VREF连接;电源电压端VDD提供第一电压VDD1，参考电压端提供电压VREFL;在此情况下，驱动晶体管T1的栅极及存储电容C的第一端的电压被重置为VGM，驱动晶体管T1的漏极及存储电容C的第二端的电压被重置为：VA=RT3/（RT1+RT3）×（VDD1-VREFL）+VREFL。第二阶段为充电阶段，栅线Gate输入低电平信号，使开关晶体管T2关闭，同时第三晶体管T3与电压保持单元连接，并与参考电压端VREF断开连接;在此情况下，电源电压端VDD向存储电容C1以及电压保持单元充电。第三阶段为保持阶段，栅线Gate再次输入高电平信号，使开关晶体管T2开启，数据线Data输入另一特定电压VG0，使驱动晶体管T1关闭，存储电容C1的第一端此时具有电压VG0，而驱动晶体管T1的漏极及存储电容C1的第二端则在电压保持单元的作用下，保持充电阶段完成后的电压。经上述三个阶段，完成对驱动晶体管T1的栅极和漏极的电压的补偿，可以在之后的发光过程中避免驱动晶体管T1的阈值电压Vth的漂移，以及不同像素单元中驱动晶体管T1、OLED的不均影响各像素单元的显示均匀性。
2.3 案例3
上海中科高等研究院在专利申请CN103268756A中提出了一种AMOLED电压外部补偿电路，如图4所示，AMOLED电压外部补偿电路包括：参考电压产生器10、比较器20、电压补偿模块30。
AMOLED电压外部补偿方法包括：读取像素阵列中每个像素单元中的OLED的驱动电压;利用比较器比较所述驱动电压和预设的参考电压的大小，若所述驱动电压小于预设的参考电压，则输出高电平，并开始电压补偿;所述电压补偿包括：利用减法器得出所述驱动电压和预设的参考电压的电压差，同时输出比较器的位置信号;根据所述电压差，通过查找表查找存储器中存储的需要补偿的数字量、比较器的输出信号和位置信号;利用电压控制器读取需要补偿的数字量和比较器的位置信号;利用校正单元根据所述需要补偿的数字量对输入所述OLED的图像信号进行校正;利用数模转换模块对校正后的图像信号进行转换，获得校正图像电压信号输入所述OLED中;所述校正图像电压信号的电压值大于校正前的所述图像信号的电压值;重复所述电压补偿过程，直至所述驱动电压等于预设的参考电压，比较器输出低电平，停止电压补偿。通过补偿过程，得到的OLED陽极点电压VOLED=Vref，其中Vref是根据Vdata_n的大小确定的，因此OLED的亮度的大小只与Vdata_n的大小有关，与驱动TFT的阈值电压和电子迁移率无关。
3 结语
本文综述了目前OLED像素电路补偿的内部补偿方式和外部补偿方式，并介绍了几种像素电路的补偿结构。随着OLED显示技术的不断发展，新的像素电路结构也在不断出现，除了考虑对阈值电压偏移和IR Drop导致的显示不均匀进行补偿外，还要考虑提高像素开口率、延长OLED使用寿命、简化电路结构等方面的性能改善，以使OLED显示技术更适应未来产品应用。
参考文献：
[1] 张陶然，莫再隆，周炟，等.像素补偿电路、驱动方法、电致发光显示面板及显示装置：CN110164375A[P].2019.08.
[2] 陈晨，潘姝安.OLED显示装置元件特性补偿专利技术综述[J].中国科技信息，2019（12）：33-34.