CN114067728B - 一种静态阈值电压补偿电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种静态阈值电压补偿电路，属于阈值电压补偿技术领域。本静态阈值电压补偿电路包括反向阈值电压提取电路、翻转电压跟随器和像素点驱动电路，所述的反向阈值电压提取电路的输出端连接翻转电压跟随器的输入端，所述的翻转电压跟随器的输出端连接像素点驱动电路的输入端。本电路能够有效保证LED驱动电流的一致性，改善其发光一致性，并且能够提高补偿电路的工作频率。

Description

一种静态阈值电压补偿电路
技术领域
本发明属于补偿电路技术领域，特别涉及一种可以对AMOLED显示屏的晶体管阈值电压发生漂移进行补偿的静态阈值电压补偿电路。
背景技术
AMOLED显示屏由于具有高发光亮度、高对比度、广视角等优点，被广泛应用于橱窗显示、可穿戴设备、AR/VR设备等领域。但是在实际应用中，第一晶体管M1在长时间工作下，阈值电压会发生漂移，从而引起LED的驱动电流发生变化，最终导致像素点的发光亮度发生变化，影响显示质量。
为了解决阈值电压漂移的问题，许多研究提出了补偿电路，比如电压补偿式和电流补偿式，由于电流补偿式的补偿时间较长，因此电压补偿式的应用更加广泛。大多数的电压补偿式电路，是通过对电容充电放电的方式，使得电容存储一个和阈值电压相关的电压值，电容的电压加在第一晶体管M1的栅极和源极之间，使得第一晶体管M1的栅源电压能够随着阈值电压变化而变化，从而抵消阈值电压变化引起的电流变化。但是，这种通过存储电容Cs放电进行补偿的方式需要增加计算周期来对电容充放电，限制了驱动电路的最高工作频率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无需计算周期对电容进行充放电，不会对驱动电路的工作频率造成任何限制的静态阈值电压补偿电路。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种静态阈值电压补偿电路，其特征在于，包括反向阈值电压提取电路、翻转电压跟随器和像素点驱动电路，所述的反向阈值电压提取电路的输出端连接翻转电压跟随器的输入端，所述的翻转电压跟随器的输出端连接像素点驱动电路的输入端。
本发明的工作原理如下：阈值电压提取电路的输出电压随着晶体管的阈值电压反相变化，比如阈值电压上升，阈值电压提取电路的输出电压随之下降，阈值电压提取电路的输出通过一个改进的翻转电压跟随器，连接到第一晶体管M1的源极，从而使得第一晶体管M1的栅源电压随着第一晶体管M1的阈值电压而变化，从而抵消阈值电压变化带来的电流变化，提高LED的发光一致性，改善显示效果。
在上述的静态阈值电压补偿电路中，所述的像素点驱动电路包括LED、第一晶体管M1、第二晶体管M2和存储电容Cs，所述的LED与第二晶体管M2的漏极相连；所述的第一晶体管M1的漏极用于与数据输入相连，栅极用于与选通输入相连，源极与二晶体管的栅极相连；所述的存储电容Cs连接在第二晶体管M2的栅极和漏极之间。
在上述的静态阈值电压补偿电路中，所述的翻转电压跟随器包括第三晶体管M3、第四晶体管M4和第五晶体管M5，所述的第三晶体管M3为耗尽型晶体管，所述的第四晶体管M4和第五晶体管M5均为增强型晶体管，所述的第三晶体管M3的漏极用于与高电平相连，第五晶体管M5的源极用于与低电平相连；第四晶体管M4的栅极作为翻转电压跟随器的输入端，源极作为改进电压跟随器的输出端；第四晶体管M4的漏极和第三晶体管M3的源极相连；第五晶体管M5的栅极和第三晶体管M3的源极相连，第五晶体管M5的漏极和输出晶体管的源极相连；第三晶体管M3栅极和源极相连。由于第三晶体管M3是耗尽型的，当它的栅极和源极相连的时候，其栅源电压恒定为0，如果其源漏之间电压差大于栅源电压加上第三晶体管M3的阈值电压，第三晶体管M3就会工作在饱和区，输出一个恒定的电流。并且，利用耗尽型晶体管作为电流源，可以有效抑制阈值电压漂移带来的影响。当翻转电压跟随器工作在偏压或者光照等容易使得晶体管的阈值电压发生漂移的环境中时，耗尽型的晶体管的阈值电压会和增强型晶体管的阈值电压一起漂移，从而抑制翻转电压跟随器的有效输入电压范围和输入输出特性的变化，提高其稳定性。
在上述的静态阈值电压补偿电路中，所述的第三晶体管M3宽长比为15um/5um，阈值电压为-1V；所述的第四晶体管M4的宽长比为10um/5um，阈值电压3.2V；所述的第五晶体管M5宽长比为5um/5um，阈值电压为3.2V；所述的翻转电压跟随器的电压输入范围是5V到8V。
在上述的静态阈值电压补偿电路中，所述的翻转电压跟随器中的第三晶体管M3、第四晶体管M4和第五晶体管M5是制备于同一衬底上的，所述第三晶体管M3是通过对增强型晶体管的有源层实施离子注入得到的。
在上述的静态阈值电压补偿电路中，所述的离子注入时注入粒子为氢离子、氟离子或氘离子。
在上述的静态阈值电压补偿电路中，所述的反向阈值电压提取电路包括第六晶体管M6和第七晶体管M7，所述的第六晶体管M6的栅极和漏极相连并用于与高电平连接，所述的第七晶体管M7栅极和源极相连并用于与低电平连接；所述的第六晶体管M6的源极和所述的第七晶体管M7的漏极相连并作为输出端。
在上述的静态阈值电压补偿电路中，所述的第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6和第七晶体管M7均为N型晶体管或者均为P型晶体管。
在上述的静态阈值电压补偿电路中，所述的反向阈值电压提取电路包括第六晶体管M6和电阻，所述的第六晶体管M6的栅极和漏极相连并用于与高电平连接，所述的电阻的第一端和所述的第六晶体管M6的源极相连并作为输出端，所述的电阻的第二端用于与低电平连接。
与现有技术相比，本静态阈值电压补偿电路具有以下优点：本发明的通过阈值电压提取电路提取电路的输出电压，并随着晶体管的阈值电压反相变化，翻转电压跟随器提供了缓冲器的功能，将反相阈值电压提取电路的输出值经过缓冲，然后输送给像素点驱动电路，从而实现驱动晶体管的栅源电压随着阈值电压变化而变化，实现抵消阈值电压的变化，从而保证LED的驱动电流一致性，改善其发光一致性；此外还消除了现有技术中限制了驱动电路的最高工作频率的问题，提高了补偿电路的工作频率。
附图说明
图1是本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路的结构原理框图。
图2是本申请实施例提供的反相阈值电压提取电路的电路示意图。
图3是与本申请实施例提供的翻转电压跟随器(3a)和现有的翻转电压跟随器(3b)的电路示意图。
图4是本申请实施例提供的像素点驱动电路的电路示意图。
图5是本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路的电路示意图。
图6是本申请实施例提供的翻转电压跟随器的输入输出特性曲线示意图。
图7是本申请实施例提供的翻转电压跟随器(7a)和传统翻转电压跟随器(7b)在阈值电压漂移时的输入特性曲线对比示意图。
图8是本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路在不同信号电压下驱动电流误差示意图。
图9是本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路在驱动电流下驱动电流误差示意图。
图10是本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路在不同信号电压下时序波形示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本静态阈值电压补偿电路包括反向阈值电压提取电路、翻转电压跟随器和像素点驱动电路。其中，反向阈值电压提取电路连接在高电平和低电平之间且其输出端连接翻转电压跟随器的输入端；翻转电压跟随器连接在高电平和低电平之间且其输出端连接像素点驱动电路的输入端；像素点驱动电路连接在高电平、数据输入和选通输入。
具体地说，如图2所示，反向阈值电压提取电路包括第六晶体管M6和第七晶体管M7，第六晶体管M6作为阈值电压提取晶体管，第七晶体管M7作为负载晶体管。第六晶体管M6的栅极和漏极相连并用于与高电平连接，第七晶体管M7栅极和源极相连并用于与低电平连接；第六晶体管M6的源极和第七晶体管M7的漏极相连并作为输出端，这样等同于两个反向相连的二极管。此时，两个晶体管均工作在亚阈值区，电流关系如下所示：
Figure BDA0003308890410000051
Figure BDA0003308890410000052
其中VA是阈值电压提取电路的输出电压，VCT是阈值电压提取电路连接的高电平偏压；Vthe是阈值电压，Iref是参考电流,n是理想因子，q是电子电荷，kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。由于第七晶体管M7工作在零偏压下，它的阈值电压不发生漂移或者漂移不明显，因此阈值电压提取电路的输出电压，与第六晶体管M6的阈值电压呈线性反相关系。
图3示出了传统的翻转电压跟随器和本申请实施例提供的翻转电压跟随器，传统的翻转电压跟随器包括理想电流源、第四晶体管M4和第五晶体管M5。本实施例的翻转电压跟随器包括第四晶体管M4、第五晶体管M5和第三晶体管M3，第四晶体管M4和第五晶体管M5均为增强型晶体管，第三晶体管M3为耗尽型晶体管，第三晶体管M3的漏极用于与高电平相连，第五晶体管M5的源极用于与低电平相连；第四晶体管M4的栅极作为翻转电压跟随器的输入端，源极作为改进电压跟随器的输出端；第四晶体管M4的漏极和第三晶体管M3的源极相连；第五晶体管M5的栅极和第三晶体管M3的源极相连，第五晶体管M5的漏极和输出晶体管的源极相连；第三晶体管M3栅极和源极相连。由于第三晶体管M3是耗尽型的，当它的栅极和源极相连的时候，其栅源电压恒定，如果其源漏之间电压差大于栅源电压加上第三晶体管M3的阈值电压，第三晶体管M3就会工作在饱和区，输出一个恒定的电流。并且，利用耗尽型晶体管作为电流源，可以有效抑制阈值电压漂移带来的影响。当翻转电压跟随器工作在偏压或者光照等容易使得晶体管的阈值电压发生漂移的环境中时，耗尽型的晶体管的阈值电压会和增强型晶体管的阈值电压一起漂移，从而抑制翻转电压跟随器的有效输入电压范围和输入输出特性的变化，提高其稳定性。
本申请的翻转电压跟随器相比传统的翻转电压跟随器具有以下优势：
第一方面，在实际应用中，对于驱动电路，很难给每个像素点提供电流源，本申请的翻转电压跟随器只需要外部提供电压源，实现起来较为容易。
第三晶体管M3利用栅极和源极短接的耗尽型晶体管实现，因此，当其漏极电压高于栅极电压减去阈值电压时，第三晶体管M3工作在饱和工作模式下，由于其栅源之间电压恒定，因此会输出一个恒定的电流，如下式所示：
Figure BDA0003308890410000071
其中，Ix是第三晶体管M3输出的饱和电流，Vthd是第三晶体管M3的阈值电压，W3和L3分别是第三晶体管M3的沟道的宽和长，usat是第三晶体管M3的饱和迁移率，Cox是单位电容，βN是前面各系数的缩写，是为了书写方便，没有实际含义。在本实施例中，第三晶体管M3的阈值电压为-1V，宽长比为15um/5um，其饱和电流Ix为7.9*10-6A。
图6为本申请的翻转电压跟随器输入输出特性图，由图6可知，当第三晶体管M3的源极电压下降，工作在饱和区时，第三晶体管M3会输出一个恒定的电流，翻转电压跟随器在恒定电流下，在有效输入范围内，输出随着输入线性变化。
第二方面：本申请的翻转电压跟随器输入输出公式如下式所示：
Figure BDA0003308890410000072
其中，VC是翻转电压跟随器的输出电压，VA是翻转电压跟随器的输入电压，Vthe4是第四晶体管M4的阈值电压。
由图中可知，翻转电压跟随器的输出随着输入线性变化，与此同时，当翻转电压跟随器内部晶体管的阈值电压发生漂移的时候，第三晶体管M3的阈值电压变化会补偿第四晶体管M4的阈值电压变化，从而维持翻转电压跟随器的输入输出曲线稳定。并且，由于第三晶体管M3的阈值电压可能和第四晶体管的阈值电压漂移程度不同，在实际应用中我们可以通过调整βN3和βN4的值来达到最佳的补偿效果。
图7展示了本申请的翻转电压跟随器和传统翻转电压跟随器当内部晶体管阈值电压发生漂移时，其输入输出特性曲线对比。可以看出，本申请的翻转电压跟随器当其内部晶体管阈值电压发生±0.3V漂移时，其输入输出特性曲线基本不发生变化，但是对于传统翻转电压跟随器来说，当其内部晶体管阈值电压发生漂移时，其输入输出特性曲线变化较大。
第三方面：翻转电压跟随器具有一个输入电压的有效输入范围，需保证第四晶体管M4和第五晶体管M5均工作在饱和区，因此其输入电压需要满足以下条件：
Figure BDA0003308890410000081
其中VIN是翻转电压器的输入电压，IX是第三晶体管M3的源漏电流，IY是外部输入电流。我们可以发现，当内部晶体管发生漂移的时候，IX的变化能够抵消部分阈值电压变化。比如当晶体管的阈值增大，IX会减小，Vthe会增大，从而实现部分的补偿。在本实施例中，Ix为7.9*10-6A，Vthe为3.2V，第三晶体管M3宽长比为15um/5um，阈值电压为-1V；第四晶体管M4的宽长比为10um/5um，阈值电压3.2V；第五晶体管M5宽长比为5um/5um，阈值电压为3.2V；翻转电压跟随器的电压输入范围是5V到8V。
因为在上述电路中使用了增强型和耗尽型两种晶体管，因此需要将这两种晶体管制备在同一衬底上，这需要特殊工艺处理，
在一些实施例中，在制备出增强型的晶体管之后，通过离子注入，使得一部分的晶体管由增强型的转变为耗尽型的，从而在同一块衬底上制备出增强型和耗尽型两种晶体管。离子注入时注入离子为氢离子、氟离子或氘离子中的一种，下面以氘离子为例具体说明其制备方法：
1、在玻璃基板上淀积一层200nm厚的ITO作为晶体管的源漏极，再通过光刻、显影、湿法刻蚀的方法、将源漏极图形化。
2、通过ALD的方法，连续淀积20nm的ZnO和10nm的Al2O3作为沟道层和沟道层保护层。再通过光刻、显影、湿法刻蚀的方法，将沟道层和沟道层保护层图形化。
3、通过ALD的方法，淀积一层100nm的Al2O3作为主要栅介电层。通过光刻、显影、湿法刻蚀的方法，刻出所需要的通孔。
4、通过磁控溅射的方法，溅射一层100nm的ITO作为晶体管的栅极，再通过lift-off的方法，对栅极进行图形化。
至此，我们已经在玻璃基板上制备出了增强型晶体管，接下来的步骤将增强型晶体管转化为耗尽型晶体管。
5、旋涂一层光刻胶，通过显影，对光刻胶进行图形化，需要变为耗尽型的晶体管裸露出来，不需要变为增强型的晶体管被光刻胶覆盖。
6、通过PECVD的方法，将氘离子注入到未被光刻胶覆盖的晶体管中，使得晶体管从增强型转变为耗尽型。
7、使用丙酮溶解掉光刻胶，烘干处理。
通过以上方法，我们在同一块基底上制备出了增强型和耗尽型晶体管。
图4展示了像素点驱动电路，其包括LED、第一晶体管M1、第二晶体管M2和存储电容Cs，第二晶体管M2作为驱动晶体管，第一晶体管M1作为选通晶体管。LED与第二晶体管M2的漏极相连；第一晶体管M1的漏极用于与数据输入Vdata相连，栅极用于与选通输入相连Vsel，源极与第二晶体管M2的栅极相连；存储电容Cs连接在第二晶体管M2的栅极和漏极之间。
当第二晶体管M2打开时，LED被驱动电流点亮。存储电容Cs连接在高电平VDD和第二晶体管M2的栅极之间，用于存储电压，使得第二晶体管M2在选通信号无效时依旧能打开，从而使得LED能够被持续点亮。第二晶体管M2的源极连接在本申请的翻转电压跟随器的输出上，由于翻转电压跟随器的输出电压随着阈值电压提取电路中晶体管阈值电压的变化而反相变化，因此第二晶体管M2源极的电压也随着阈值电压变化而变化，当第二晶体管M2工作在饱和区时，其驱动LED的电流如下式所示：
Figure BDA0003308890410000101
其中Vthe2,Vthd,Vthe4,Vthe6和Vthe7分别代表了第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第六晶体管M6和第七晶体管M7的阈值电压。
因为第七晶体管M7工作在0偏压下，所以LED的驱动电路主要取决于第二晶体管M2,第三晶体管M3、第四晶体管M4和第六晶体管M6的阈值电压，当各晶体管的阈值电压都发生漂移时，会相互抵消影响，从而维持LED的驱动电流稳定。考虑到不同晶体管在不同工作状态下，阈值电压漂移的幅度可能会有所不同，可以通过调节βN3和βN4来使得补偿效果达到最佳。
图5展示了本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路的整体电路图，阈值电压提取电路的输出与翻转电压跟随器的输入相连，翻转电压跟随器的输出与像素点驱动电路的第二晶体管M2的源极相连。
图8展示了本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路当阈值电压漂移±0.3V时，LED的驱动电流一致性，可以看出，当信号电压从5V变化大7.5V时，电流的误差维持在1.5％以下，呈现良好的电流一致性。
图9展示了相同条件下，传统阈值电压补偿电路和本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路，在不同驱动电流下，电流的误差。可以发现传统的阈值电压补偿电路的误差在18％到90％之间，而本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路的误差维持在0.99％到1.41％之间。
图10展示了本申请实施例提供的静态阈值电压补偿电路在信号电压切换时的时序图，可以看出，由于是静态的补偿方式，不需要另外的给电容充放电的周期，因此其反应速度可以达很快。
需要说明的是，本实施例中的第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6和第七晶体管M7均为N型晶体管。在本发明的其他实施例中，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6和第七晶体管M7也可以全由P型晶体管实现，其实现原理与本实施例相同，因此不做赘述。
此外在本发明的其他实施例中，反向阈值电压提取电路还可以由第六晶体管M6和电阻构成，第六晶体管M6的栅极和漏极相连并用于与高电平连接，电阻的第一端和第六晶体管M6的源极相连并作为输出端，电阻的第二端用于与低电平连接。
本发明的原理如下：反相阈值电压提取电路的输出电压随着晶体管的阈值电压反相变化，比如阈值电压上升，阈值电压提取电路的输出电压随之下降，翻转电压跟随器提供了缓冲器的功能，将反相阈值电压提取电路的输出值经过缓冲与像素点驱动电路中的驱动晶体管的源极相连，从而实现驱动晶体管的栅源电压随着阈值电压变化而变化，实现抵消阈值电压的变化，从而保证LED的驱动电流一致性，改善其发光一致性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种静态阈值电压补偿电路，其特征在于，包括像素点驱动电路、翻转电压跟随器和反向阈值电压提取电路，所述的反向阈值电压提取电路的输出端连接翻转电压跟随器的输入端，所述的像素点驱动电路包括作为驱动晶体管的第二晶体管M2，所述的第二晶体管M2的源极作为输入端，所述的翻转电压跟随器的输出端连接第二晶体管M2的源极，
所述的翻转电压跟随器包括第三晶体管M3、第四晶体管M4和第五晶体管M5，所述的第三晶体管M3为耗尽型晶体管，所述的第四晶体管M4和第五晶体管M5均为增强型晶体管，所述的第三晶体管M3的漏极用于与高电平相连，第五晶体管M5的源极用于与低电平相连；第四晶体管M4的栅极作为翻转电压跟随器的输入端，源极作为翻转电压跟随器的输出端；第四晶体管M4的漏极和第三晶体管M3的源极相连；第五晶体管M5的栅极和第三晶体管M3的源极相连，第五晶体管M5的漏极和第四晶体管M4的源极相连；第三晶体管M3栅极和源极相连；
所述的反向阈值电压提取电路包括第六晶体管M6和第七晶体管M7，所述的第六晶体管M6的栅极和漏极相连并用于与高电平连接，所述的第七晶体管M7栅极和源极相连并用于与低电平连接；所述的第六晶体管M6的源极和所述的第七晶体管M7的漏极相连并作为输出端，
或者所述的反向阈值电压提取电路包括第六晶体管M6和电阻，所述的第六晶体管M6的栅极和漏极相连并用于与高电平连接，所述的电阻的第一端和所述的第六晶体管M6的源极相连并作为输出端，所述的电阻的第二端用于与低电平连接。
2.根据权利要求1所述的静态阈值电压补偿电路中,其特征在于，所述的像素点驱动电路包括LED、第一晶体管M1、第二晶体管M2和存储电容Cs，所述的LED与第二晶体管M2的漏极相连；所述的第一晶体管M1的漏极用于与数据输入相连，栅极用于与选通输入相连，源极与第二晶体管的栅极相连；所述的存储电容Cs连接在第二晶体管M2的栅极和漏极之间。
3.根据权利要求1或2所述的静态阈值电压补偿电路中,其特征在于，所述的第三晶体管M3宽长比为15um/5um，阈值电压为-1V；所述的第四晶体管M4的宽长比为10um/5um，阈值电压3.2V；所述的第五晶体管M5宽长比为5um/5um，阈值电压为3.2V；所述的翻转电压跟随器的电压输入范围是5V到8V。
4.根据权利要求3所述的静态阈值电压补偿电路中,其特征在于，所述的翻转电压跟随器中的第三晶体管M3、第四晶体管M4和第五晶体管M5是制备于同一衬底上的，所述第三晶体管M3是通过对增强型晶体管的有源层实施离子注入得到的。
5.根据权利要求4所述的静态阈值电压补偿电路中,其特征在于，所述的离子注入时注入粒子为氢离子、氟离子或氘离子。
6.根据权利要求2所述的静态阈值电压补偿电路中,其特征在于，所述的第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6和第七晶体管M7均为N型晶体管或者均为P型晶体管。
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