CN1993726A - 移位寄存器电路 - Google Patents

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Abstract

移位寄存器电路的每一级包括：连接到前一级的输出端的第一输入端(Rn－1)；用于把第一钟控功率线电压(Pn)耦合到该级的输出端(Rn)的驱动晶体管(Tdrive)；用于补偿该驱动晶体管的寄生电容的影响的补偿电容器(C1)；连接在该驱动晶体管的栅极和该级的输出端(Rn)之间的第一自举电容器(C2)；以及用于对第一自举电容器(C2)进行充电并且由第一输入端(Rn－1)控制的输入晶体管(Tin1)。每一级包括耦合到该级的两级之前的那一级的输出端(Rn－2)的输入部分(10)。使用两个自举电容器使得所述电路对于阈值电压电平或其变化较不敏感，并且允许使用非晶硅技术来实现所述电路。

Description

移位寄存器电路
本发明涉及移位寄存器电路，特别用于向有源矩阵显示装置的显示像素提供行电压。
有源矩阵显示装置包括排列成行和列的像素阵列，其中的每一个包括至少一个薄膜驱动晶体管和显示元件(例如液晶单元)。每行像素共享一条行导线，其连接到该行中的各像素的薄膜晶体管的栅极。每一列像素共享一条列导线，在该列导线上提供有像素驱动信号。在行导线上的信号决定所述晶体管被接通还是关断，并且当通过所述行导线上的高压脉冲而接通该晶体管时，来自列导线的信号被允许传递到液晶材料区域，从而改变所述材料的光透射特性。
对应于有源矩阵显示装置的帧(场)周期要求在一小段时间内寻址一行像素，从而这对于所述晶体管的电流驱动能力又提出了要求，以便把所述液晶材料充电或者放电到所需的电压电平。为了满足这些电流需求，被提供到所述薄膜晶体管的栅极电压需要以很大的电压摆幅波动。在非晶硅的情况下，该电压摆幅可能是大约30伏。
在行导线中对于大电压摆幅的需求又要求使用高压组件来实现行驱动器电路。
人们一直很关注把行驱动器电路的组件集成在与显示像素阵列相同的基底上。一种可能性是对于像素晶体管使用多晶硅，因为这种技术更适用于行驱动器电路的高压电路元件。然而，这样做就失去了使用非晶硅技术来生产显示阵列的成本优势。
因此，人们关注提供可以利用非晶硅技术实现的驱动器电路。在利用非晶硅技术实现驱动器电路的过程中，非晶硅晶体管的低迁移率以及由应力导致的阈值电压改变带来了很多困难。
传统上，所述行驱动器电路被实现为移位寄存器电路，其适于依次在每一条行导线上输出行电压脉冲。
实际上，所述移位寄存器电路的每一级包括连接在钟控高功率线和行导线之间的输出晶体管，并且所述驱动晶体管被接通以便把所述行导线耦合到该钟控高功率线，从而产生行寻址脉冲。为了确保行导线上的脉冲达到所述功率线电压(尽管有串联连接的驱动晶体管)，已经知道利用自举效应，其中使用该输出晶体管的杂散电容。这在US6 052 426中进行了讨论。
以上述方式使用驱动晶体管的寄生电容的一个问题在于存在其他杂散效应，这些也在US 6 052 426中进行了讨论。对于这个问题的一种解决方案是通过引入第一附加电容器来抵消杂散电容的影响，以及引入专用于自举操作的第二附加电容器。
以上述方式使用附加的自举电容器的移位寄存器电路在US 6 052426和US 6 064 713中公开。在这些电路中，通过输入晶体管由前一行的行脉冲对所述输出晶体管的栅极充电。结果，可以被施加到该输出晶体管的最大栅极电压取决于该输入晶体管的阈值电压。特别当使用非晶硅技术实现移位寄存器电路时，这可能会变成对于电路性能的限制因素。这在低温下特别成问题，因为此时TFT迁移率处于最低点，并且阈值电压处于最高点。
根据本发明，提供了一种包括多级的移位寄存器电路，每一级包括：
连接到前一级的输出端的第一输入端；
用于把第一钟控功率线电压耦合到该级的输出端的驱动晶体管；
用于补偿该驱动晶体管的寄生电容的影响的补偿电容器；
连接在该驱动晶体管的栅极和该级的输出端之间的第一自举电容器；以及
用于对第一自举电容器充电并且由第一输入端控制的输入晶体管，
其中，每一级还包括耦合到该级的两级之前的那一级的输出端的输入部分，并且该输入部分包括连接在所述输入晶体管和第一输入端之间的第二自举电容器。
这种电路安排使用两个自举电容器。其中一个用于确保可以将全电源线电压耦合到输出端，另一个用于确保可以在栅极充电步骤中通过所述输入晶体管将来自前一级的全行电压耦合到所述驱动晶体管。该电路具有两个预充电操作周期：期间对输入晶体管栅极进行预充电的第一周期，以及期间对驱动晶体管栅极进行预充电的第二周期。这使得所述电路对于阈值电压电平或其变化较不敏感，并且允许使用非晶硅技术来实现所述电路。
每一级优选地还包括连接到下一级的输出端并且连接到复位晶体管的栅极的第二输入端，该复位晶体管连接在所述驱动晶体管的栅极和低功率线之间。因此，该电路具有两个预充电周期：一个输出周期，以及一个复位周期。
每一级的补偿电容器优选地连接在所述驱动晶体管的栅极和第二钟控功率线电压之间，该第二钟控功率线电压与第一功率线电压被互补地钟控。这样做适于抵消所述驱动晶体管的寄生电容的影响。
所述输入部分优选地包括用于在第二自举电容器上存储晶体管阈值电压的电路元件。
例如，所述输入部分还可以包括：
把该级的两级之前的那一级的输出提供到第一输入晶体管的栅极的第二输入晶体管；以及
与第二自举电容器并联的衰减(decay)晶体管，其用于衰减第二自举电容器上的电压，直到达到该衰减晶体管的阈值电压。
该衰减晶体管的栅极优选地连接到第一输入晶体管的栅极从而它们承受相同的电压应力，并且其还可以具有与第一输入晶体管相同的尺寸。因此，该衰减晶体管被用作所述输入晶体管的模型，并且该衰减晶体管阈值电压被用来表示所述输入晶体管阈值电压。
所述输入部分还可以包括复位晶体管，该复位晶体管的栅极连接到该级的输出端，以用于对第二自举电容器进行放电。
本发明的移位寄存器电路特别适用于有源矩阵显示装置(例如有源矩阵液晶显示装置)的行驱动器电路。
本发明还提供产生多级移位寄存器输出的方法，该方法对于该移位寄存器的每一级包括：
使用该级的两级之前的那一级的输出来对输入晶体管的栅极充电，并且在第二自举电容器上存储该栅极-源极电压；
对第二自举电容器进行放电，直到阈值电压被存储在第二自举电容器上；
使用该级的一级之前的那一级的输出通过该输入晶体管对驱动晶体管的栅极进行充电，以及对存储该驱动晶体管的栅极-源极电压的第一自举电容器进行充电；以及
通过该驱动晶体管把第一钟控电源线电压耦合到该级的输出端。
这样就提供了如上解释的两级预充电操作。
同样地，可以使用下一级的输出来复位第一自举电容器，并且可以使用该级的输出来复位第二自举电容器。
下面将参考附图详细描述本发明的一个例子，其中：
图1示出已知的移位寄存器电路；
图2示出本发明的移位寄存器电路；
图3示出本发明的显示装置；
图4示出用于有源矩阵液晶显示器的已知像素结构的一个例子；以及
图5示出包括行、列驱动器电路的显示装置，其中可以使用本发明的电路。
图1示出适于使用在非晶硅有源矩阵液晶显示器(AMLCD)中的高阻抗栅极驱动器电路。所示出的电路是一个多级移位寄存器当中的单个一级，该多级移位寄存器的每一级被用于向一行像素提供行电压。在US 6 052 426中已经描述了类似的电路。
该电路包括耦合在钟控功率线Pn和由该级控制的行导线Rn之间的输出驱动晶体管Tdrive。该钟控功率线(以及互补信号invPn)是一个两相信号，并且该钟控功率线的各周期决定各移位寄存器级的时序操作的定时。
在前一行Rn-1上的行脉冲被用于通过二极管连接的输入晶体管Tin对该输出晶体管栅极进行充电。
第一电容器C1连接在所述输出晶体管栅极和把互补信号载送到钟控功率线Pn的控制线之间，并且电容器C1的目的是抵销所述输出晶体管的内部寄生电容的影响。
在所述输出晶体管的栅极和行导线(即该级的输出端)之间提供附加的自举电容器C2。
该级还受到下一行Rn+1上的行脉冲的控制，该行脉冲被用来通过下拉所述输出晶体管的栅极电压而关断该级。下一行Rn+1上的行脉冲通过与下一行导线信号相关的输入晶体管Tr(n+1)被提供到所述输出晶体管的栅极。
所述电路还具有两个复位晶体管Tr-n和Tr-r，当初始地对该电路供电时使用这两个复位晶体管。
在操作中，输入晶体管Tin在前一行脉冲期间对所述输出晶体管栅极充电。在该前一行脉冲期间，功率线Pn为低，并且反相功率线invPn为高。该输出晶体管由该前一行脉冲接通，但是由于功率线Pn为低，因此该级的输出保持为低。
在该充电阶段期间，自举电容器C2被充电到所述行电压脉冲(减去输入晶体管Tin的阈值电压)。
在下一个时钟周期期间，时钟信号Pn为高，这一电压增大通过所述输出晶体管上拉行导线Rn上的输出电压。自举电容器C2的效果是提高栅极电压，以便确保把钟控信号Pn的全电压电平传递到行导线Rn。随后，晶体管Tr(n+1)在下一行脉冲期间复位所述输出晶体管栅极电压节点。
在空闲状态下，通过第一附加电容器C1对反相功率线invPn的耦合被设计成在输出晶体管Tdrive从Pn接收脉冲时防止输出晶体管栅极接通。
如上所述的电路操作是本领域技术人员所熟知的。
如上所述，图1的电路的操作的一个限制在于，在前一行脉冲的定时期间对所述输出晶体管的栅极的充电取决于输入晶体管Tin的阈值电压。对于非晶硅晶体管来说，该阈值电压可能较大，并且可能随着温度和时间而有较大变化。
本发明提供一个附加的输入部分，其耦合到该级的两级之前的那一级的输出端。该输入部分包括连接在所述输入晶体管的栅极和所述第一输入端之间的第二自举电容器，并且适于在对所述驱动晶体管栅极进行充电的过程中抵消所述输入晶体管的阈值电压的影响。
图2示出本发明的移位寄存器电路的一级。
该电路包括预充电电路10以用于把TFT阈值电压采样到第二自举电容器C3上。其随后被用于自举输入TFT Tin1，从而导致对驱动晶体管栅极电压的良好的栅极充电，而不管所述输入晶体管的阈值电压如何。随后，所述行电路复位C3上的电荷，从而使得输入TFT Tin1不发生漂移。图2的电路的其他部分与图1相同，因此不对这些组件进行重复描述。
预充电电路10的输入端连接到所示出的该级的两级之前的那一级的输出端Rn-2。该输出端Rn-2通过第二输入晶体管Tin2耦合到第一输入晶体管Tin1的栅极。
第二自举电容器C3连接在第一输入晶体管Tin1和前一级Rn-1的输出端之间。
衰减晶体管Tdecay与第二自举电容器C3并联，并且是二极管连接的。该衰减晶体管的栅极连接到第一输入晶体管Tin1的栅极，从而它们承受相同的电压应力。该衰减晶体管还优选地具有与第一输入晶体管Tin1基本上相同的尺寸。
预充电部分10具有复位晶体管Tr(n)，其栅极连接到Rn级的输出端，以便对第二自举电容器C3进行充电。
在操作中，用于当前行的两行之后的那一行Rn-2的行脉冲被用来通过第二输入晶体管Tin2对第一输入晶体管Tin1和第二自举电容器C3进行充电。该充电受到通过衰减晶体管Tdecay的电荷衰减的限制。
当行n-2走低时，衰减晶体管Tdecay使得第二自举电容器C3两端的电压衰减到接近TFT阈值电压。衰减晶体管Tdecay和第一输入晶体管Tin1在所有时间都承受相同的栅极偏置，因此即使当发生任何阈值电压漂移时，它们都将展现出相同的阈值电压。
当行n-1脉冲为高时，第一输入晶体管Tin1的栅极由第二自举电容器C3自举，从而导致对驱动晶体管Tdrive的良好的充电。
当行n-1走低时，由于其在阈值附近，因此不通过Tin1移走电荷。相反，一旦行n走高，放电晶体管Tr(n)就对第二自举电容器C3两端的电压进行放电，从而将第一输入晶体管Tin1完全关断。
随后，电路操作如图1的已知电路那样继续。
复位晶体管Tr(n)可以被放置成使其下方连接到低压线Voff(如图所示)，或者其可以连接到前一行n-1。
图3用于示意性地解释所述电路的操作定时。其中的各曲线图示出所述钟控电源线、第一输入晶体管Tin1上的栅极电压、驱动晶体管Tdrive上的栅极电压以及输出Rn。
在两级之后的那一级的定时n-2期间，第二自举电容器C3被预充电。在这一阶段的末尾有一个电压降，直到该电容器存储所述阈值电压。在将输出脉冲n-1施加到所述输入晶体管期间，在第二自举电容器上的电压衰减持续，并且在对应于行n-1的输出脉冲的末尾，第二自举电容器两端的电压将已经衰减到所述阈值电压，从而阈值补偿对于该输入晶体管是有效的，并且全行电压被用于对第一自举电容器进行充电。
在n-1级期间，n-1级的输出被电容性地加到第二自举电容器上的电压上，以便导出驱动第一输入晶体管Tin1的栅极电压。
在n-1级期间，第一自举电容器C2也被充电，正如可以从对应于驱动晶体管栅极的曲线图中看出的那样。
在级n期间，钟控电源线电压Pn被加到第一自举电容器C2上的电压上，以便导出驱动晶体管Tdrive的栅极电压。
周期n的开头被用于通过由Rn控制的复位晶体管Tr(n)对第二自举电容器C3进行放电。
图4示出用于有源矩阵液晶显示器的传统像素结构。该显示器被排列为像素的行和列的阵列。每行像素共享一条公共行导线11，每列像素共享一条公共列导线12。每个像素包括串联排列在列导线12和公共电极18之间的薄膜晶体管14和液晶单元16。如上所述，晶体管14由提供在行导线11上的信号接通和关断。每个像素附加地包括存储电容器20，该存储电容器20的一端22连接到下一行电极、前一行电极或者单独的电容器电极。该电容器20存储驱动电压，从而在晶体管被关断之后仍然在液晶单元16的两端保持信号。
为了把液晶单元16驱动到所需电压从而获得所要求的灰度级，与行导线11上的行寻址脉冲同步地在列导线12上提供一个适当的信号。该行寻址脉冲接通薄膜晶体管14，从而允许列导线12把液晶单元16充电到所需电压，以及还把存储电容器20充电到该相同的电压。在所述行寻址脉冲的末尾，晶体管14被关断，并且当其他行正被寻址时存储电容器20在液晶单元16两端保持一个电压。存储电容器20减轻了液晶泄漏的影响，并且减小了由液晶单元电容的电压依赖性导致的像素电容的百分比变化。
各行被顺序地寻址，从而所有行在一个帧周期内被寻址，并且在后续的帧周期内被刷新。
如图5所示，由行驱动器电路30提供所述行寻址信号给显示像素的阵列34，并且由列寻址电路32提供像素驱动信号给该阵列34。本发明的电路适用于行驱动器电路，并且适于用非晶硅技术制造。于是，各电路元件可以被集成到有源矩阵显示器基底上。
本发明的电路导致在低温下的好得多的操作以及更宽的处理容限。于是其可以允许对于给定的应用使用更小的组件，从而导致更低的功率和更小的电路设计，尽管其中包含了额外的TFT(它们都很小)。
在上面的例子中，由下一级控制的复位晶体管Tr(n+1)连接在所述驱动晶体管的栅极和低功率线之间。其也可以被替换地连接在所述驱动晶体管的栅极和行输出端之间，即连接在第一自举电容器C2的两端。此外，该复位晶体管可以连接到不同的输出级的输出端，比如n+2级、n+3级等等(直到n+时钟相位的数量-1)。
所述输入部分的复位晶体管Tr(n)在所述例子中被显示为连接在第一输入晶体管Tin1的栅极和低功率线Voff之间。替换地，其可以被连接在第一输入晶体管Tin1的栅极和前一行输出端n-1之间，即连接在第二自举电容器C3的两端。该复位晶体管的栅极还可以连接到不同的输出级的输出端，比如n+1级、n+2级等等。在没有该复位晶体管的情况下所述电路也可以运行。
因此，可以理解，对于以上详细描述的特定电路可以有多种变型，并且本领域技术人员可以设想出许多其他修改。

Claims (15)

1、一种包括多级的移位寄存器电路，每一级包括：
连接到前一级的输出端的第一输入端(Rn-1)；
用于把第一钟控功率线电压(Pn)耦合到该级的输出端(Rn)的驱动晶体管(Tdrive)；
用于补偿该驱动晶体管的寄生电容的影响的补偿电容器(C1)；
连接在该驱动晶体管的栅极和该级的输出端(Rn)之间的第一自举电容器(C2)；以及
用于对第一自举电容器(C2)进行充电并且由第一输入端(Rn-1)控制的输入晶体管(Tin1)，
其中，每一级还包括耦合到该级的两级之前的那一级的输出端(Rn-2)的输入部分(10)，并且该输入部分包括连接在所述输入晶体管(Tin1)和第一输入端(Rn-1)之间的第二自举电容器(C3)。
2、如权利要求1所述的电路，其中，每一级还包括连接到下一级的输出端的第二输入端(Rn+1)。
3、如权利要求2所述的电路，其中，第二输入端(Rn+1)连接到复位晶体管(Tr(n+1))的栅极，该复位晶体管(Tr(n+1))连接在所述驱动晶体管的栅极和低功率线(Voff)之间。
4、如任一在前权利要求所述的电路，其中，每一级的所述补偿电容器(C1)连接在所述驱动晶体管的栅极和第二钟控功率线电压(invPn)之间，该第二钟控功率线电压(invPn)被与第一功率线电压(Pn)互补地钟控。
5、如任一在前权利要求所述的电路，其中，所述输入部分(10)包括用于在所述第二自举电容器(C3)上存储晶体管阈值电压的电路元件。
6、如任一在前权利要求所述的电路，其中，所述输入部分还包括
把该级的两级之前的那一级的输出提供到第一输入晶体管(Tin1)的栅极的第二输入晶体管(Tin2)；以及
与第二自举电容器并联的衰减晶体管(Tdecay)，其用于衰减第二自举电容器上的电压，直到达到该衰减晶体管的阈值电压。
7、如权利要求6所述的电路，其中，所述衰减晶体管(Tdecay)具有与第一输入晶体管(Tin1)基本上相同的尺寸。
8、如任一在前权利要求所述的电路，其中，所述输入部分还包括复位晶体管(Tr(n))，该复位晶体管(Tr(n))的栅极连接到该级的输出端，以用于对第二自举电容器(C3)进行放电。
9、如任一在前权利要求所述的电路，其是利用非晶硅技术实现的。
10、一种有源矩阵显示装置，包括：
有源矩阵显示像素的阵列；
包括如任一在前权利要求所述的移位寄存器电路的行驱动器电路。
11、如权利要求10所述的有源矩阵显示装置，其包括有源矩阵液晶显示装置。
12、一种产生多级移位寄存器电路输出的方法，该方法对于该移位寄存器电路的每一级包括：
使用该级的两级之前的那一级的输出(Rn-2)来对输入晶体管(Tin1)的栅极充电，并且在第二自举电容器(C3)上存储该栅极-源极电压；
对第二自举电容器(C3)进行放电，直到阈值电压被存储在第二自举电容器上；
使用该级的一级之前的那一级的输出通过该输入晶体管(Tin1)对驱动晶体管(Tdrive)的栅极进行充电，以及对存储该驱动晶体管的栅极-源极电压的第一自举电容器(C2)进行充电；以及
通过该驱动晶体管把第一钟控电源线电压(Pn)耦合到该级的输出端。
13、如权利要求12所述的方法，还包括通过补偿电容器(C1)把第二钟控电源线电压(invPn)耦合到所述驱动晶体管栅极，所述第一和第二钟控电源线电压被互补地钟控。
14、如权利要求12或13所述的方法，还包括使用下一级的输出(Rn+1)来复位第一自举电容器(C2)。
15、如权利要求12到14当中的任一条所述的方法，还包括使用该级的输出(Rn)来复位第二自举电容器(C3)。
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