OLED屏幕电路原理

一路上

一、前言

OLED是Organic Light Emitting Diode的缩写，即主动矩阵有机发光二极体。其核心依然是LED。在屏幕中，每个LED的尺寸非常小，被分为红、绿、蓝三个子像素群，然后组合成不同的颜色，子像素的排列方式会影响显示效果。

二、OLED屏体电路组成

每个OLED单元有三个主要部分：“阴极”、“发光层”和“阳极”。其中，阴极和阳极是用金属薄膜制成的电极，它们的间隔部分是发光材料层。通电时，电子从阴极注入发光材料，与阳极处的空穴结合，从而激发发光材料进行发光。

OLED屏体电路的核心就是控制OLED单元的电容发射（Capacitive Coupling）或者电阻发射（Resistive Coupling）运作模式。电容发射模式所需的像素驱动电路较简单，可以实现较大规模的集成电路，但可能存在灰阶不足的问题。而电阻发射模式可以提供更好的图像品质，但对应的芯片集成度较低。

在AMOLED中，一个薄膜晶体管（TFT）控制每个OLED单元。OLED单元的电荷可以通过TFT存储在电容器中，然后通过驱动电路控制每个像素的亮度。这种结构可以显著提高图像的质量，并且可实现更高的像素密度。

除此之外OLED屏体电路中还有数据引脚、扫描引脚、电源引脚、底板等组成。数据引脚传输视频数据、扫描引脚控制像素点亮和关闭的顺序，电源引脚向像素提供电能，底板作为OLED屏体电路的基板。

OLED单元的构成：OLED单元由阴极、发光层和阳极组成，其中发光层是由发光材料、受体材料、电荷注入层、传输层等多种材料构成的复合材料。

发光材料的特点：OLED的发光材料具有良好的光电性能，可以在不同电压下发生发光，能够实现多种颜色和亮度的显示效果。

OLED的驱动方式：OLED可以采用电容发射模式或者电阻发射模式进行驱动，其中电容发射模式的驱动电路比较简单，但可能存在精度不高的问题；而电阻发射模式可以提供更高品质的图像效果，但对应的芯片集成度较低。

像素排列方式：V-style4：

如图1所示,从正面可以根据阳极图形的形貌看出G像素，参考G位置可以得到G上面为R(头朝上)，下面为B（头朝下），阳极图形按列奇数为R\G\B，偶数为B\R\G排列；

如图2所示，子像素驱动电路排列顺序，奇数行从左到右按照RGB排列，偶数行按照BRG排列；并且可以看到本款产品的G像素为单一像素列驱动。

三、Panel布局

屏体布局说明：

1.像素数量为720x1280，屏体上包含了1280行Gate线，在panel左侧有标记（标号从IC侧开始，右侧无标号），Data线有2160列，在panel的IC对侧有标记，标号从左侧开始。

2.Gate线包括VREF、Scan1&Scan3、Scan2、EM共五条线；Data线输入端无demux电路；D-SW，D-R，D-G，D-B线（CT点屏用）；像素驱动电路为7T1C电路。

3.Scan电路采用Scan1&Scan3和Scan2各自独立工作的布局。Scan2信号采用双端驱动，Scan1&Scan3信号采用单端驱动（屏体左侧），Scan电路采用级联方式，本级的输出信号（Scan）作为下一级的输入信号（SIN）。

4.EM信号采用单端单行驱动方式。EM电路也采用了级联方式，本级电路产生一个SR信号作为下一级的输入信号（EIN）。

5.Gate信号线的第一级和最后一级从panel外边缘引出去（S1-1-L， S2-1-L ， S1-1280-L， S2-1280-L ，S2-1-R， EM-1-R , EM-1280-R ），用于测试信号。

6.Data线的输入端有ESD电路，而且每一级子像素的data线输入端均有ESD电路。GIP电路的第一级有ESD电路，CT FPC pad端有ESD电路。

7.子像素采用IGNIS排列方式。因为同色子像素的驱动电路始终在同一列，所以data信号线为独立的D-R、D-G、D-B。

TFT基本原理

四、像素驱动电路

真实充放电过程（以黒态电压来说明）：

VDD=4.6V、VSS=-3V、VREF=-4V；黒态Vdata=6.2V。

1.初态（T1阶段末）: M3的电流为 I=W/2L×μCox×(Vdata-VREF+Vth)2 ，此时由于VREF与Vdata压差为10V，电流高达uA量级。

2.放电过程（T2阶段）: M3的电流为 I=W/2L×μCox×(Vdata-Vg+Vth)2 ，随着放电过程，（Vdata-Vg+Vth）不断降低，而I 与此呈平方关系，因此I 的衰减速度远远大于电压；

R=(Vdata-Vg)/I=(Vdata-Vg)/(W/2L×μCox×(Vdata-Vg+Vth)2) ，因此该过程为可变电阻放电过程，随放电时间，电流急剧减少；实际仿真和测试结果显示，实际放电时间远大于6us才能充分。

3.放电末态（T2阶段结束时）: 由于放电不充分，此时栅压为Vg=Vdata+Vth-Verror，此时补偿后的M3最终电流为 I=W/2L×μCox×(VDD-Vdata+Verror)2。

可见虽然补偿了Vth，但存在误差电压Verror（数值约1~1.5V），因此Vth的均一性问题转变为充放电的均一性问题。

Vth理想的补偿

理想的补偿结果是消除Vth，M3的电流为  I=W/2L×μCox×(VDD-Vdata)2。

补偿后的公式中，仍然存在μ，Cox等均一性问题；实际TEG测试数据显示，μ误差最高可达10%，Cox均一性与GI厚度均一性一致；

实际补偿分析

实际补偿后M3的近似电流为 I=W/2L×μCox×(VDD-Vdata+Verror)2

由于Verror为放电不足产生，因此Verror与放电电流有关，放电电流越大，Verror越小；即μCox越大，Verror越小。

若将电流公式分成两部分，I=A×B，其中：

A=W/2L×μCox

B=(VDD-Vdata+Verror)2

从上述分析可以看到，当A减少时，B将增大；因此需要适当控制A减少的比例k，使B增加的比例h满足（1-k）（1+h）趋于100%即可使电流获得最佳补偿。

五、基础电路类型2T1C、6T1C

2T1C 电路

1.OLED Diode 为电流驱动发光，因此要将Data电压信号转换为电流信号。

2.实现该功能的最简易像素电路由两颗TFT和一颗电容组成，简称2T1C，如下图。

3.该电路利用STFT作为开关，控制信号是否输入N点，DTFT进行电压电流转换并驱动OLED，电容Cst对N点进行稳压；

具体流程如下：

第一阶段：STFT 关闭，N1 点仍保持上一帧电压， DTFT输出上一帧的电流，OLED也为上一帧亮度

第二阶段：STFT 打开，Data 电压输入N1点，同时对电容进行充放电；DTFT输出新的电流，OLED亮度发生变化。

第三阶段：STFT 关闭，电容Holding，N1点电压，直到下帧资料写入，OLED 持续发光。

6T1C电路

6T1C的基本原理：引入Vth补偿电路，引入双栅TFT结构

6T1C的工作分为三个阶段：

T1阶段：初始化，Scan1为低电位，M7/M8开启，VREF写入将C1上存储的电位初始化。

作用：清除上一帧画面C1存储的电压值，为第二阶段做准备。

T2阶段：数据写入与补偿

1. Scan2为低电位，M1、M4/M6开启，Vdata通过图示路径对C1充电，使Q点电位不断提高。

M1、M4、M6为开关TFT，工作在线性区，一般认为开启时压降很小；M3为驱动TFT，工作在饱和区。

2. Q点电位的升高，使得M3的|Vgs|越来越小，电流也就越来越小。

当Vgs=Vth时，M3关闭，充电结束，此时Q点的电压为Vdata-|Vth|。

T3阶段：点亮

1. EM为低电位，M2/M5开启，VDD写入，M3产生驱动OLED发光的电流Ids。

2. 由于像素电路大部分时间是工作在T3阶段，因此C1上存储的电压需要保证长时间不丢失。C1放电路径必须切断（足够低的Ioff），因此放电路径上采用双栅TFT。

六、结语

OLED的优势与局限：OLED相较于传统的LCD显示技术，具有更高的亮度、更高的对比度、更广的视角等优点。但与此同时，它也存在着寿命短、易损坏等局限性。

OLED应用领域：目前OLED主要应用于消费电子产品中，如手机、电视和电脑显示屏等。此外，OLED也被广泛应用于汽车仪表盘和照明等领域。

视觉效果：OLED屏幕的亮度、对比度和色彩等方面都优于传统的LCD屏幕，因此在设计时需要更加注意这些方面，以保证最终的视觉效果更加出色。

像素布局：OLED屏幕是由一系列的像素点组成的，因此在设计时需要考虑像素点的布局，尽可能地减少空白区域，提高屏幕可利用面积。

供电电压和电流：OLED屏幕需要稳定的电流和电压供应才能正常工作，因此需要设计合适的电源和电路以保证电源的稳定性和可靠性。

屏幕尺寸：OLED屏幕的尺寸是有限的，因此在设计时需要考虑屏幕显示内容的可读性和显示效果，以尽可能地利用屏幕空间。

可靠性：OLED屏幕的灵敏度高，对温度、湿度等环境因素比较敏感，因此在设计时需要考虑到这些因素，以保证作品的可靠性和寿命。

通过以上的细节讲解，可以更加深入地了解到OLED屏体电路的组成和原理，以及它所具备的优缺点和应用领域。