摘 要：为了支持并利用有机发光二极管(OLED)显示技术，设计一种适用于96×64无源OLED(PM-OLED)的显示控制与驱动芯片。该芯片可以实现6．5万彩色显示和256级对比度调节，驱动方法采用了脉冲幅度调制(PAM)。芯片不但集成了数字和模拟电路。而且兼容高电压和低电压同时工作。测试结果表明：在低压电源为3V、高压电源为12V的情况下，当列驱动单元输出电流为100μA时，驱动电路和显示屏的整体模块功耗约为770mW，所设计的控制与驱动芯片能够正确显示彩色图像。
关键词：MOS集成电路；有机发光二极管；脉冲幅度调制；彩色显示；数模混合；高低压结合
随着显示技术的不断推进和发展，平板显示已经成为业界显示的主要方向，而平板显示则主要包括液晶(LCD)显示、等离子体(PDP)显示以及新生力量有机发光二极管(OLED)显示。虽然目前LCD占据着平板显示市场的巨大份额，但其存在诸多缺点且不易解决；相比LCD，OLED则具有许多优点，包括：视角宽，响应速度快，功耗低，重量轻，可折叠，色彩鲜艳等。于是OLED显示技术已经广泛引起业界的重视，有可能代替LCD成为下一代显示技术的主流。
类似于LCD显示器件，OLED也可以分为2种类型，即无源OLED(PM-OLED)和有源OLED(AM-OLED)。两者之间的主要区别是每个像素点是否存在薄膜晶体管(TFT)和用来存储信息的电容，因而无源OLED只能用于小屏幕的显示，例如手机和mp3的显示屏。为了能够充分支持和利用这一新生的显示技术，本文设计了能够实现6．5万彩色显示，具有256级对比度调节，采用PAM调制的适用于96×64 PM-OLED的显示控制与驱动芯片。芯片中既包括数字控制模块，也包括模拟调节电路；既包括低压逻辑，也包括高压驱动：所以整个芯片类似于一个SOC。同种类的OLED显示控制与驱动芯片在国内大陆地区尚未报道过。
1 PM-OLED的器件模型及相关特性
对于PM-OLED显示器件，每个像素点的结构和等效模型如图1所示。显示面板即是由这些像素排列而成，将面板上每列像素的ITO电极连接在一起形成数据线；同时，每行像素的金属电极也连接在一起形成扫描线。当对面板进行逐行扫描时，某列数据线上的信息将决定处在该行该列上的像素点是否发光。
由于OLED属于电流型器件，其发光强度是由流过器件的电流控制的。目前，主要有2种方式进行调制：一是脉冲宽度调制(PWM)，即通过控制流过器件电流的时间长短来调节；二是脉冲幅度调制(PAM)，即通过控制流过器件电流的幅度大小来调节。本文设计的芯片采用的是PAM调制方式。
由图1可看出，当某行显示刚开始，扫描线为低电平时，二极管中并没有电流经过，而是由列驱动电路经由数据线给寄生电容充电，当电容上的电压达到二极管的开启电压(约4v)时，二极管才会发光；因而考虑显示效果，必须注意寄生电容的快速充电问题。
2 芯片各部分模块的工作原理
图2是整个芯片的结构框图，主要包括数字控制部分，容量为96×16×64的静态随机存储器(SRAM)，振荡器，DC-DC，基准电流产生调节模块，64个行驱动和96×3(R／G／B)个列驱动。
2．1 数字控制部分与SRAM
数字控制部分是整个芯片电路的核心，主要负责接收片外单片机(MCU)的指令和数据，来协调芯片内部各模块之间的相互运作，确保电路能够正确实现预期功能。为了增强设计芯片的通用性，数字的MCU接口电路能够兼容8 080、6 800并行MCU以及串行MCU读写方式，而且还兼容8 bit和16bit读写操作。当接收到MCU的指令时，数字控制电路开始锁存指令，进行译码，然后转换成控制信号输送给各相关模块进行工作；当接收到MCU的图像数据时，数字控制电路就会把数据写入SRAM以备后续显示之用。为了能够判断写入SRAM数据的正确与否，数字控制电路还会从SRAM中读出数据进行对比纠正，确保显示图像的正确性。
SRAM负责存储缓冲图像数据，为了满足96×64矩阵、6．5万彩色显示，SRAM的容量至少为98 304 bit。每个像素的颜色显示是由16 bit数据决定的，其中红色5 bit、绿色6 bit、蓝色5 bit。SRAM是数字控制模块与列驱动模块之间的桥梁，当SRAM接收数字控制部分一帧完整的图像数据后，数字控制部分就可以发出控制信号进入显示模式，此时，SRAM中的数据就会在显示时钟的作用下，经过地址译码逐行将显示数据串行输出给列驱动模块。
2．2 基准电流产生调节模块
为了能够统一调节显示对比度和保证显示效果的一致性，芯片就需要有一个对电源电压和温度不敏感的电流基准，其基本电路结构如图3所示。
图中Ubg是来自于片上电压基准源的输出电压，因而具有很好的稳定性，通过运算放大器OPA的负反馈作用，可知节点P处的电压等于Ubg，从而得到的基准电流为
调节外接电阻R的大小，使Ibg为1 μA，则通过指令调节来控制图中的开关，就可以得到0～255 μA连续可调的基准电流Iref输出给列驱动R／G／B模块。
2．3 列驱动电路
由于所需要的列驱动单元为96×3个，为了减少SRAM和列驱动模块之间连线的复杂度和瞬间大电流，SRAM和列驱动之间采用了1 6 b串行方式传输数据。而每个列驱动单元中都具有2级寄存器：第1级寄存器用来串行移位，即经过96次串行移位传输后，SRAM中的一整行数据就可以锁存到第2级寄存器中，此时行驱动单元使该行电极处于低电平，该行就可以正常显示，如此下去，不断扫描就可以完成一帧图像的显示。
列驱动单元的电路结构框图如图4所示。可以看到，每个列驱动单元中还包括一个小型DAC，它的开关控制信号来源于SRAM中的数据，在基准电流Iref(R／G／B)一定的情况下，SRAM中数据的大小决定了最终R／G／B基色的发光亮度，实现了PAM调制以及65 k彩色显示。
图4中的预充电路是为了解决图1所示的寄生电容的快速充电问题，即用高电压或大电流对面板先进行预充，使寄生电容在很短的时间内就可以达到二极管的开启电压。因为我们无法知道PM-OLED器件的准确寄生电容大小，如果预充时间太短，那么二极管等待开启的时间就长，在每行显示时间固定的情况下，无疑会削弱显示效果；反之，如果预充时间过长，流过二极管的电流就会大于期望值，导致颜色显示失真，同时还增加了功耗，所以预充时间的长短必须可以由指令调节。
2．4 行驱动，振荡器，DC-DC模块
行驱动电路的作用就是在显示控制信号有效时，通过译码电路逐行选通行扫描线，使之为低电平。此时，如果某列数据线上有电流流过，则该行该列的像素点就会发光。考虑到屏的行扫描线引出顺序不同，芯片设计时通过数字部分指令控制，可以改变行扫描的顺序，如顺序扫描、奇偶扫描。
振荡器(OSC)所产生的时钟，区别于MCU提供的读写时钟，它是显示电路部分的时钟来源，直接关系到显示的帧频及稳定性。考虑兼容帧频75／150Hz时，可以得到振荡器的设计频率约为1 MHz。采用环形RC振荡器就可以满足要求，电阻R采用外接，可以方便调节工艺偏差带来的影响。
DC-DC模块负责将芯片的外接直流电源电压约3 V能够升高到12 V左右，并将输出的高电压提供给基准电流产生调节模块，行驱动模块以及列驱动模块。DC-DC采用的是脉宽频率调制(PFM)方法。
2．5 芯片低功耗设计
由于所设计的芯片是用于便携设备系统中，就必须考虑低功耗的问题。在系统层面上，如果长时间内图像内容没有变化，MCU对数字部分没有读写操作时，数字电路将会控制显示进入屏保模式，这样既保护了显示屏，也节省了功耗；在电路模块层面上，只要系统对某一模块没有工作要求时，该模块就会进入休眠待机状态。
在实际的功耗分析过程中，行列驱动模块所消耗的功耗最大。除去正常显示所必须的功耗外，列驱动模块中预充电路不断进行的充放电操作也消耗了大量功耗。一般情况下，为了消除串扰现象，在每行显示结束时，列驱动都会将图1中寄生电容上的残余电荷泄放掉，但这无疑浪费了能量。为此，从节省功耗角度出发，在每行显示完成时，只泄放掉面板寄生电容的部分电荷，使电容上保持一定的电压，且根据实际面板情况可以进行指令调节，做到既节省了功耗，也不会带来额外的串扰。
3 芯片测试结果
本文所设计的实现65 k彩色显示，具有256级对比度调节，采用PAM方法调制的适用于96×64无源OLED显示控制与驱动芯片经过仿真、版图设计，利用Chartered 0．35 μm 18 V HV(DDD)CMOS工艺加工流片，其版图结构如5所示，面积为17.4 mm×1.7mm。
经过测试，输入电源电压为3 V时，DC-DC的高压输出为12 V。为了验证列驱动单元中小型DAC的线性度，当工作频率为60 kHz时，测得的电流输出波形如图6所示。DAC的微分非线性DNL小于士0．2 LSB，积分非线性INL小于±0．38LSB，其中LSB为最小显著位数。芯片的列驱动输出电流在o～255μA之间，当输出电流为200 μA时，其电压波形如图7所示。为了验证芯片功能，在北京维信诺公司提供的彩色屏上进行试验，显示图像如图8所示。当每列驱动单元输出电流为100μA时，芯片功耗约为770 mW。
4 结 论
提出一种可以实现6．5万彩色显示，具有256级对比度调节，适用于96×64无源OLED显示控制与驱动芯片的设计。芯片利用片上电压基准和负反馈产生稳定的基准电流，确保显示的一致性；采用预充电路对面板寄生电容快速充放电，保证显示效果；同时芯片还考虑了低功耗设计，加入屏保，休眠待机功能。显示控制与驱动模块能在北京维信诺公司提供的彩色OLED显示屏上进行显示，说明所设计的芯片是正确的。该芯片可用在便携式移动设备的彩色PM-OLED显示模块中。
