一种适用于可穿戴设备的高稳定性微显示像素电路

2012年，美国谷歌公司发布了其第一款可穿戴设备——谷歌眼镜（Google Project Glass），是集AR/VR技术、微显示技术、信息技术与互联网技术等为一体的便捷式电子设备，具备拍照、通话、导航、收发邮件等传统电子通信设备的功能，轻巧便携，可以应用于高等教育、医疗、自然科学研究、语言学习等领域，引发了高度关注［1］。自2014年起，美国苹果公司陆续发布了数款智能手表Apple Watch系列产品，融合了移动支付、心率监测、休闲娱乐、信息收发等多种功能［2］。后来，国内华为、小米等公司也相继推出了类似的手环型可穿戴电子设备。2020年，全球虚拟现实市场规模约为137亿美元，预计到2024年市场份额有望达到365亿美元［3］。可穿戴设备作为AR/VR技术的重要显示载体，市场前景较为乐观。

目前市面上的可穿戴设备虽然结构、用途多样，但其信息显示部分本质上都是应用微显示技术实现的。微显示技术是将光电器件构成的显示矩阵和集成电路技术相结合的新型显示技术，其原理是使用显示芯片对显示矩阵面板中的每一个微显示电路进行开关控制，根据输入的数据电平供给对应的输出电压或电流从而使对应的光电器件发光。相对于传统的阴极射线管和液晶显示而言，微显示器件具有尺寸小、功耗低、对比度高、亮度高、集成度高、响应速度快等特点［4-5］，适合广泛应用于AR/VR、投影显示、可穿戴设备等对分辨率、显示质量和功耗要求都较高的新型显示技术应用领域［6］。目前比较成熟的微显示技术按照显示材料不同区分，主要有硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon， LCoS）、硅基OLED（OLED-on-Silicon）、micro LED等。例如，谷歌眼镜是抬头显示（Head Up Display， HUD）与AR技术的应用典型，常用LCoS作为显示屏［7］。而Apple Watch与日本任天堂公司生产的部分Switch掌上游戏机则使用了硅基OLED显示屏。

可穿戴设备市场持续向着高分辨率、微型化、低功耗方向发展，这对微显示器件的显示质量提出了更高的要求。微显示器件的显示驱动芯片起到信号产生与显示矩阵控制的作用，并不直接参与图像显示，所以微显示矩阵的显示稳定性直接决定着微显示器件的显示质量。而当微显示器件的面积缩小到25.4mm （1 in）及以下，若进一步提高器件分辨率，则需要进一步缩小显示面板中单个显示矩阵像素点的面积和间距。此时由于版图、工艺等物理因素限制，晶体管阈值电压漂移问题将不可忽视，使得在给定相等的输入数据即显示灰度下，微显示电路之间的工作电流不同，从而造成微显示器的发光电流稳定性降低［8-9］，影响显示质量；而出于低功耗考虑，可穿戴设备的工作电压相比大型显示设备来说要小得多，在低工作电压和器件微型化的限制下，阈值电压偏移导致发光电压或电流的减小效应会更加显著［10］。为了解决这一问题，本文提出了一种能够满足可穿戴设备高显示稳定性要求的电流型微显示电路及其驱动方法，以解决高分辨率下微显示电路驱动管阈值电压偏移引起的发光电流稳定性下降的问题，满足多种高分辨率电流型微显示对高发光电流稳定性的要求。

2 微显示像素电路设计及工作原理

图1是传统的源跟随型2晶体管1电容（2-Transistor-1-Capacitor， 2T1C）型微显示像素电路结构图。扫描信号Vscan是微显示矩阵的行扫描信号，当该信号有效时，开关管M1开启，数据信号Vdata被存储在存储电容CS中；Vdata应不小于驱动管M2的阈值电压Vth2，从而驱动管开启且工作在饱和区，该微显示电路的发光电流流经光电器件LED，微显示器件发光且发光电流表达式为：

Idr=12⋅  μ⋅  COX⋅  W/L⋅  (Vgs2−Vth2)2=12⋅  μ ⋅  COX⋅  W/L⋅  (Vdata−Vth2)2 ,

（1）

其中：μ表示驱动管M2的电子迁移率，COX为其栅电容的电容值，W为沟道宽度，L为沟道长度。基本的源跟随型2T1C微显示电路结构简单、控制简便，单个电路面积较小，只要数据电压成功存储于电容，即使行扫描信号撤除即本行扫描结束、下一行电路开始被扫描，本行微显示电路依旧可以发光，具备基本的微显示功能。但是式（1）中发光电流与晶体管的阈值电压直接相关，晶体管阈值电压漂移问题会直接导致发光电流衰减、波动、偏移等问题，因此2T1C型微显示电路并不满足可穿戴设备等对发光稳定性和显示质量要求较高的微显示器件。