一、驅(qū)動控制SSD1303實現(xiàn)96x64點陣PM-OLED

 

本例子使用Solomon公司的OLED顯示驅(qū)動電路SSD1303，結(jié)合AT89C51單片機(jī)實現(xiàn)驅(qū)動OLED顯示屏的方法。SSD1303是一款集控制器、行驅(qū)動器和列驅(qū)動器于一體的專用于OLED顯示控制驅(qū)動電路。

 

實驗中OLED結(jié)構(gòu)陽極材料，采用ITO（銦錫氧化物），陰極則使用Mg與其他穩(wěn)定金屬合金的辦法Mg:Ag做陰極，以提高器件量子效率和穩(wěn)定性，并可以在有機(jī)膜上形成穩(wěn)定堅固的金屬薄膜。

 

PM-OLED使用普通的矩陣交叉屏， OLED位于交叉排列的陽極和陰極中間，通過對陽極和陰極組合的選通，可以控制每一個OLED的點亮。

 

SSD1303芯片內(nèi)部電路框圖如下圖1所示：

 

 

SSD1303芯片主要由MCU接口、命令譯碼器、振蕩器、顯示時序發(fā)生器、電壓控制與電流控制、區(qū)顏色譯碼器、和圖形顯示數(shù)據(jù)存儲器（GDDRAM）、行驅(qū)動和列驅(qū)動組成。這種IC的專用OLED驅(qū)動方案使OLED顯示性能最佳，降低了功耗。該器件采用TCP/TAB封裝。具有驅(qū)動最大132×64點陣的圖形顯示、提供的邏輯電源為2.4～3.5V、供給OLED屏的電源為7.0～16V、列輸出的最大電流為 320μA、行輸入的最大電流為45mA、低電流睡眠模式小于5μA、256級對比度控制，可編程幀頻、具有幾個MCU接口，如68/80并行總線和串行的周邊接口、132×65bit顯示緩沖器、可以垂直滾動、支持部分顯示、工作溫度：-40 oC～ 85 oC。

 

整個系統(tǒng)由單片機(jī)、控制驅(qū)動電路SSD1303和OLED顯示屏三部分組成.SSD1303與單片機(jī)接口的引腳有：DO～D7為與單片機(jī)接口的數(shù)據(jù)總線，R/W（RW#）為讀寫選擇信號，D/C為數(shù)據(jù)/命令選擇信號，CS#為片選信號，低電平有效，E（RD#）為使能信號，RES#為復(fù)位信號。單片機(jī)采用ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗、高性能的AT89C51， AT89C51與SSD1303和顯示屏的硬件接線如圖2所示，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4分別與SSD1303的 R/W（RW#）、D/C、CS#、E（RD#）、RES#相連，P0口與SSD1303的數(shù)據(jù)總線相連。其它引腳的連線VCC接12V，VDD接 2.7V，VSS接地等。下面通過程序來控制這些引腳，從而使OLED顯示需要的漢字或圖形。主程序軟件流程圖如圖3所示。

 

圖2 單片機(jī)AT89C51與SSD1303和顯示屏的硬件接線

 

圖3 主程序軟件流程圖

 

二、臺灣普誠PT6807/PT6808無源矩陣驅(qū)動方式

 

本案例采用ISL97702便攜式產(chǎn)品的DC/DC直流升壓電源電路，輸入電壓2.3～5.5V，輸出電壓根據(jù)負(fù)載輕重在2～30V范圍內(nèi)可調(diào);OLED顯示驅(qū)動采用PT6807和PT6808構(gòu)建的無源矩陣驅(qū)動方式，適用于單色小尺寸OLED的顯示驅(qū)動。

 

只所以選擇ISL97702作為電源IC，需要考慮器件運行在最高效率的同時，盡可能的降低功耗并延長電池工作時間。ISL97702具有一種突發(fā)模式以及雙輸出電壓選擇功能，用以在輕載電流下保持轉(zhuǎn)換器的效率和電源的節(jié)約。并且ISL97702還具有浪涌電流限制、短路保護(hù)和關(guān)機(jī)期間負(fù)載隔離等功能。ISL97702的DC/DC直流升壓電源電路圖，如下圖所示：

 

基于ISL97702的DC/DC直流升壓電源電路圖

 

OLED顯示屏像素點，按行、列排成矩陣，顯示圖像時，按行掃描或按列掃描，無源矩陣的基本結(jié)構(gòu)框圖，如下所示：

 

無源矩陣基本結(jié)構(gòu)框圖

 

其中“行”是由公共驅(qū)動器PT6807依次選通，“列”則是由列選擇器PT6808根據(jù)圖形要求來開通。例如，圖中假如第一行只有第一個OLED導(dǎo)通就只有大約0.3mA，而假如第二行是所有OLLED都選通，而每一行一共有100個OLED，則其總電流大約為33mA。也就是說，其總電流是由每一行中的OLED數(shù)，就是其象素數(shù)決定。因為OLED的亮度是由其電流決定的，所以保持電流的穩(wěn)定是很重要的。列驅(qū)動通常采用P溝道器件作為電流源。為保證其工作于飽和區(qū)，至少需要有2伏電壓，這樣其輸出電流隨VDS的變化將會小于1%每伏。當(dāng)某一行有很多OLED導(dǎo)通時，它的總電流就比較大。這時在連接電極上就會有較大壓降，從而使VDS降低。而這種壓降又取決于顯示的圖形，而且是不可避免的。所以必須將電流受VDS的變化而變化的靈敏度降至最低。同時輸出電流的不均勻性也受到驅(qū)動器件的不一致性的影響，這種不均勻性可以靠提高VGS工作電壓和版圖匹配技術(shù)來減小。

 

128×128點陣模塊驅(qū)動接口，如下圖所示：

 

128×128點陣模塊驅(qū)動接口圖

 

1. 行驅(qū)動電路設(shè)計

 

PT6807是點陣OLED圖形顯示系統(tǒng)64路行驅(qū)動器，它利用CMOS技術(shù)，提供64個移位寄存器和64路輸出驅(qū)動，PT6807自己產(chǎn)生時鐘信號用來控制PT6808列驅(qū)動器。

 

PT6807可以設(shè)計為主，從兩種模式，為OLED驅(qū)動顯示提供方便;主/從模式選擇由控制腳MS來控制，在主模式下，選擇MS腳為高電平，輸入/輸出腳DIO1，DIO2，CL2只作為輸出腳來用;在從模式下，MS腳被置為低電平，輸入/輸出腳CL2作為輸入來用，而DIO1，DIO2的狀態(tài)由SHL腳來決定。

 

晶振電路：主模式下，可由R、C、CR端來決定時鐘頻率;在從模式下，晶振電路的R，C端為懸空狀態(tài)，CR端接高電平。

 

顯示占空比選擇：顯示占空比靠輸入腳DS1，DS2的狀態(tài)來決定;在主模式下根據(jù)DS1，DS2腳的設(shè)置來選擇占空比，有四種占空比1/48，1/64，1/96，1/128可供選擇;在從模式下，DS1，DS2腳與電源VDD相連。

 

移位時鐘和相位選擇：PCLK2用來選擇移位數(shù)據(jù)是在CL2時鐘信號的上升沿，還是下降沿移出;數(shù)據(jù)移位方向的選擇由MS，SHL腳來控制。

 

2. 列驅(qū)動電路設(shè)計

 

PT6808是點陣OLED圖形顯示系統(tǒng)64路列驅(qū)動器，它也利用CMOS技術(shù)，并提供顯示RAM、64位數(shù)據(jù)鎖存、64位驅(qū)動和解碼邏輯，內(nèi)部顯示RAM用來存儲由八位微處理器傳來的顯示數(shù)據(jù)，它根據(jù)存儲數(shù)據(jù)產(chǎn)生點陣OLED驅(qū)動信號，與PT6807（行驅(qū)動器）配合使用。

 

輸入緩存用來允許和禁止PT6808，當(dāng)輸入輸出數(shù)據(jù)和指令被執(zhí)行時，CS1B和CS3必須處于工作狀態(tài)，不論CS1B和CS3處于任何狀態(tài)，RSTB和ADC都可以正常操作，并且內(nèi)部狀態(tài)不會改變。

 

輸入寄存器用來與MPU接口，并臨時存儲要寫入顯示RAM的數(shù)據(jù)，當(dāng)CS1B和CS3處于工作狀態(tài)時，輸入寄存器通過R/W和RS來選定，數(shù)據(jù)通過MPU被寫入輸入寄存器，然后寫入顯示RAM中，數(shù)據(jù)在E信號的下降沿被鎖入，通過內(nèi)部操作自動寫入顯示RAM中。

 

輸出寄存器：當(dāng)CS1B和CS3處于工作狀態(tài)，并且R/W和RS為高電平時，輸出寄存器用來臨時存儲顯示數(shù)據(jù)RAM，也即顯示數(shù)據(jù)RAM中的存儲數(shù)據(jù)被鎖存到輸出寄存器。當(dāng)CS1B和CS3處于工作狀態(tài)，R/W為高，RS為低時，狀態(tài)數(shù)據(jù)（忙檢測）可以被讀出。

 

為了讀出顯示數(shù)據(jù)RAM中的內(nèi)容，需要訪問讀指令兩次，在第一次訪問中，顯示數(shù)據(jù)RAM中的數(shù)據(jù)被鎖存到輸出寄存器中，在第二次訪問中，MPU讀鎖存數(shù)據(jù)。這就是說，在讀顯示數(shù)據(jù)RAM時需要一次假讀，但是，在讀狀態(tài)數(shù)據(jù)時不需要假讀。

 

為了克服在工作過程中當(dāng)OLED亮度較高時的自動關(guān)屏問題，在寫入數(shù)據(jù)之前應(yīng)該查看該項，若關(guān)屏，則將其打開，以保證OLED屏的正常工作。其中判斷是否關(guān)屏，若關(guān)閉則將其自動打開子程序如下：

 

Rs=0; // rs為數(shù)據(jù)/指令選擇腳

 

r_w=1; // r_w為讀/寫輸入腳

 

e =1; // e為允許信號輸入腳

 

busy = P3; // P3接數(shù)據(jù)線端口

 

e = 0;

 

if（busy&0x20==0x00） // 若為真，表示已關(guān)屏

 

{com=0x3f; // com為形參

 

wr_command（com）;} // wr_command（）是寫命令子程序

 

三、TFT-OLED模擬像素單元驅(qū)動/控制電路

 

AM-OLED驅(qū)動實現(xiàn)方案包括模擬和數(shù)字兩種。在數(shù)字驅(qū)動方案中，每一像素與一開關(guān)相連，TFT僅作模擬開關(guān)使用，灰度級產(chǎn)生方法包括時間比率灰度和面積比率灰度，或者兩者的結(jié)合。目前，模擬像素電路仍占主流，但在灰度級實現(xiàn)上，模擬技術(shù)與時間比率灰度和面積比率灰度理論相結(jié)合將會是將來的一個發(fā)展趨勢。在模擬方案中，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)信號的類型不同，單元像素電路可分為電壓控制型和電流控制型。

 

電壓控制型像素電路

 

1.兩管TFT結(jié)構(gòu)

 

電壓控制型單元像素電路以數(shù)據(jù)電壓作為視頻信號。最簡單的電壓控制型兩管TFT單元像素電路如圖1所示。

 

圖1 兩管TFT驅(qū)動電路

 

其工作原理如下：當(dāng)掃描線被選中時，開關(guān)管T1開啟，數(shù)據(jù)電壓通過T1管對存儲電容CS充電，CS的電壓控制驅(qū)動管T2的漏極電流;當(dāng)掃描線未被選中時，T1截止，儲存在CS上的電荷繼續(xù)維持T2的柵極電壓，T2保持導(dǎo)通狀態(tài)，故在整個幀周期中，OLED處于恒流控制。

 

其中（a），（b）被分別稱為恒流源結(jié)構(gòu)與源極跟隨結(jié)構(gòu)，前者OLED處于驅(qū)動管T2的漏端，克服了OLED開啟電壓的變化對T2管電流的影響;后者在工藝上更容易實現(xiàn)。兩管電路結(jié)構(gòu)的不足之處在于驅(qū)動管T2閾值電壓的不一致將導(dǎo)致逐個顯示屏的亮度的不均勻，OLED的電流和數(shù)據(jù)電壓呈非線性關(guān)系，不利于灰度的調(diào)節(jié)。

 

2.三管TFT結(jié)構(gòu)

 

基于第二代電流傳輸器原理的電壓控制型像素單元電路如圖2所示，虛線左邊可視為外部驅(qū)動電路，右邊為單元像素電路。

 

圖2 基于第二代電流傳輸器原理的像素電路

 

在控制模式下，T2和T3開啟，T1和運算放大器構(gòu)成第二代電流傳輸器，由于運算放大器的放大倍數(shù)可以取得很大，T1管的閾值電壓對電流的影響變得不敏感，此時，流經(jīng)T1的電流：

 

IT1=Vin/Rin

 

并且T1管源極電壓應(yīng)低于OLED的開啟電壓，防止OLED開啟。在保持模式下，T2和T3關(guān)斷，存儲電容Cs維持T1管的柵極電壓，電流經(jīng)T1進(jìn)入OLED。其中放大器由COMS電路實現(xiàn)，所有同行像素可共用一個運算放大器。

 

仿真結(jié)果表明，盡管T3管存在電荷注入與時鐘饋漏效應(yīng)，使得OLED電流略小于控制電流;在OLED標(biāo)稱電流為1μA，閾值電壓漂移超過5V時，控制電流、OLED電流相對誤差分別為-0.18%、5.2%，成功補(bǔ)償了TFT的空間不均性和不穩(wěn)定性。

 

雖然電壓控制型電路具有響應(yīng)速度快的特點，但由于不能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)顯示的灰度，難以滿足顯示的需求，于是人們提出電流驅(qū)動方案。電流控制型單元像素電路是以數(shù)據(jù)電流作為視頻信號的。

 

3管電流控制型TFT像素電路

 

4-TFT電流控制電流鏡像素電路

 

目前，全球已經(jīng)有多家公司在從事OLED驅(qū)動IC的研究，到目前為止，還沒有完全商業(yè)化的AM-OLED的驅(qū)動IC。但NextSierra公司已推出了分別集成的TFT-OLED行列驅(qū)動NXS1008、NXS1009和控制芯片NXS1010，張志偉等人采用該系列芯片，通過MCS-51單片機(jī)的控制來驅(qū)動240×320×3點陣的TFT-OLED屏，實現(xiàn)了大信息量的動態(tài)圖形顯示。

 

由于液晶顯示器件的配套驅(qū)動芯片功能比較完善，且價格低廉，所以將此類芯片移用于有源矩陣顯示屏（AM-OLED）成為了國內(nèi)外當(dāng)前的研究焦點。顯示驅(qū)動IC是目前TFT-OLED的薄弱環(huán)節(jié)，開發(fā)通用或者專用的驅(qū)動IC，并集成控制電路，是提高OLED在平板及顯示領(lǐng)域競爭力的重要動力。

 

 

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