TWI754513B

TWI754513B - 顯示裝置的像素電路

Info

Publication number: TWI754513B
Application number: TW109147230A
Authority: TW
Inventors: 吳尚杰; 郭豫杰; 張哲嘉; 陳宜瑢; 謝馨儀; 陳一帆; 邱郁勛; 李玫憶; 洪毓瑄; 周禎英; 林禹佐; 林信安
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2022-02-01
Also published as: CN113808528B; CN113808528A; TW202228108A

Abstract

一種顯示裝置的像素電路包括彼此電性連接之發光二極體與脈衝寬度調變驅動電路。脈衝寬度調變驅動電路接收資料訊號且基於資料訊號來控制向發光二極體提供的驅動電流的脈衝寬度。脈衝寬度調變驅動電路接收掃頻訊號且基於掃頻訊號控制發光二極體進行發光或不發光。發光二極體進行發光的時間段對應至掃頻訊號的波形之中的一曲線段，所述曲線段對稱於通過所述曲線段的中點的法線。

Description

顯示裝置的像素電路

本發明是關於一種電路，且特別是關於一種顯示裝置的像素電路。

脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)驅動方式被廣泛應用於主動式發光二極體(light emitting diode，LED)顯示裝置，PWM驅動方式藉由調節提供給顯示裝置的LED的驅動電流之脈衝寬度，從而能夠呈現各種灰階。

通常，PWM驅動方式還會搭配掃頻(sweep)訊號來控制LED的發光與否，然而，習知的做法中，掃頻訊號的波形為不對稱且不連續的三角波，從而導致顯示裝置於顯示低灰階畫面時有亮度均勻性不足之缺陷，另外，也會因為位於不同列的像素所對應的電阻電容負載之間的差異而導致顯示裝置的顯示畫面有亮度不均勻(mura)之缺陷。

本發明之目的在於提出一種顯示裝置的像素電路，包括：發光二極體與脈衝寬度調變驅動電路，脈衝寬度調變驅動電路電性連接發光二極體。脈衝寬度調變驅動電路接收資料訊號且基於資料訊號來控制向發光二極體提供的驅動電流的脈衝寬度。脈衝寬度調變驅動電路接收掃頻訊號且基於掃頻訊號控制發光二極體進行發光或不發光。發光二極體進行發光的第一時間段對應至掃頻訊號的波形之中的第一曲線段，第一曲線段對稱於通過所述第一曲線段的中點的法線。

在一些實施例中，上述第一曲線段於中點的切線斜率為0。

在一些實施例中，上述第一曲線段的切線斜率為由負值連續地遞增至正值或由正值連續地遞減至負值。

在一些實施例中，上述第一曲線段所對應的函數為連續函數。

在一些實施例中，上述顯示裝置為常黑(normally black)型顯示裝置。

在一些實施例中，上述顯示裝置的像素電路更包括發光電晶體電性連接於發光二極體與脈衝寬度調變驅動電路之間，發光電晶體的閘極端接收控制訊號。上述控制訊號處於低電壓準位的第二時間段對應至掃頻訊號的波形之中的第二曲線段，上述第二曲線段包含第一曲線段。

在一些實施例中，上述第二曲線段所對應的函數為連續函數。

在一些實施例中，上述第二曲線段包含正半週與負半週，上述第一曲線段位於正半週與負半週之其中一者之中。

在一些實施例中，上述第二曲線段為對稱且連續的弦波。

在一些實施例中，上述顯示裝置的像素電路更包括脈衝振幅調變驅動電路，脈衝振幅調變驅動電路接收資料訊號且基於資料訊號來控制驅動電流的振幅。

在一些實施例中，上述發光二極體為微型發光二極體(micro-LED)。

在一些實施例中，上述顯示裝置為主動式顯示器(Active Display)。

在一些實施例中，上述像素電路藉由漸進式發光(progressive emission)方法來驅動顯示裝置。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

應當理解，儘管術語「第一」、「第二」、「第三」等在本文中可以用於描述各種元件、部件、區域、層及/或部分，但是這些元件、部件、區域、及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、層或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開。因此，下面討論的「第一元件」、「部件」、「區域」、「層」或「部分」可以被稱為第二元件、部件、區域、層或部分而不脫離本文的教導。

這裡使用的術語僅僅是為了描述特定實施例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，除非內容清楚地指示，否則單數形式「一」、「一個」和「該」旨在包括複數形式，包括「至少一個」。「或」表示「及/或」。如本文所使用的，術語「及/或」包括一個或多個相關所列項目的任何和所有組合。還應當理解，當在本說明書中使用時，術語「包括」及/或「包括」指定所述特徵、區域、整體、步驟、操作、元件的存在及/或部件，但不排除一個或多個其它特徵、區域整體、步驟、操作、元件、部件及/或其組合的存在或添加。

除非另有定義，本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。將進一步理解的是，諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的含義，並且將不被解釋為理想化的或過度正式的意義，除非本文中明確地這樣定義。

圖1係根據本發明的實施例之顯示裝置的像素電路100的示意圖。像素電路100包含發光二極體(light emitting diode，LED)110、發光電晶體120與脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)驅動電路130。LED 110的陽極端子電性連接至發光電晶體120的汲極端，LED 110的陰極端子電性連接至接地電壓VSS，發光電晶體120的源極端電性連接PWM驅動電路130。在本發明的實施例中，LED 110為微型發光二極體(micro-LED)。在本發明的實施例中，顯示裝置為主動式顯示器(Active Display)。具體而言，在本發明的實施例中，像素電路100為主動式微型發光二極體顯示器的像素電路。

如圖1所示，PWM驅動電路130包括資料寫入電晶體M1，資料寫入電晶體M1連接至顯示裝置的資料線以接收資料訊號data。PWM驅動電路130可以基於通過資料寫入電晶體M1輸入的資料訊號data來對LED 110進行PWM控制。換言之，PWM驅動電路130基於資料訊號data來控制其向LED 110提供的驅動電流的脈衝寬度，從而使得LED 110能夠呈現各種灰階。

資料寫入電晶體M1可以根據控制訊號sPWM而導通或截止。在資料寫入電晶體M1根據控制訊號sPWM而導通時，電晶體M2與電晶體M3的閘極端的電壓為資料訊號data的電壓。

PWM驅動電路130還包括電容C1、電容C2、電容C3、電晶體M2、電晶體M3。電容C1接收掃頻訊號sweep，使得電晶體M2與電晶體M3的閘極端的電壓可以隨著掃頻訊號sweep變化。

電晶體M2接收參考電壓ref_on，電容C2電性連接於電晶體M2之間以保持電壓準位。電晶體M3接收參考電壓ref_off，電容C3電性連接於電晶體M3之間以保持電壓準位。在本揭露的其他實施例中，視實際應用需求(例如，依據LED 110的發光間隔長短)，PWM驅動電路130可選擇性地僅包含電容C2，或者是，PWM驅動電路130可選擇性地僅包含電容C3，或者是，PWM驅動電路130可選擇性地既不包含電容C2也不包含電容C3。

電晶體M2與電晶體M3可以根據掃頻訊號sweep而導通或截止。在本發明的實施例中，參考電壓ref_on為低電壓準位，參考電壓ref_off為高電壓準位，據此，當掃頻訊號sweep的電壓準位降低至參考電壓ref_on的電壓減去電晶體M2的閥值電壓的數值時，電晶體M2導通；相對而言，當掃頻訊號sweep的電壓準位降低至參考電壓ref_off的電壓減去電晶體M3的閥值電壓的數值時，電晶體M3導通。

PWM驅動電路130還包括驅動電晶體M4，當電晶體M2導通時，驅動電晶體M4的閘極端接收參考電壓ref_on的低電壓準位而導通，使得發光電晶體120接收系統高電壓VDD。

發光電晶體120可以根據控制訊號emi而導通或截止。具體而言，當驅動電晶體M4導通時，發光電晶體120接收系統高電壓VDD，且當系統高電壓VDD高於控制訊號emi的電壓值時，發光電晶體120導通，且發光電晶體120向LED 110提供驅動電流，據此，LED 110進行發光。

圖2係根據本發明的實施例之對於像素電路100進行操作時之各種訊號變化的時序圖。如圖2所示，像素電路100的操作時間被劃分為掃描時段T1和發光時段T2。掃瞄時段T1是用以將資料訊號data施加至PWM驅動電路130的時期。舉例而言，在掃瞄時段T1中，資料寫入電晶體M1根據控制訊號sPWM而導通時，藉由資料寫入電晶體M1將資料訊號data施加於電晶體M2與電晶體M3的閘極端。

發光時段T2是指LED 110根據掃頻訊號sweep與控制訊號emi而發光的時期。如圖2所示，當發光時段T2開始時，藉由電容C1向電晶體M2與電晶體M3的閘極端施加掃頻訊號sweep，因此，電晶體M2的閘極端的電壓根據掃頻訊號sweep開始變化。當電晶體M2的閘極端的電壓隨著掃頻訊號sweep降低至參考電壓ref_on的電壓減去電晶體M2的閥值電壓的數值時(即圖2中的時間點t3)，電晶體M2導通並且藉由電晶體M2向驅動電晶體M4的閘極端施加參考電壓ref_on的低電壓準位而使驅動電晶體M4導通，發光電晶體120藉由驅動電晶體M4接收系統高電壓VDD，且由於此時控制訊號emi為低電壓準位，發光電晶體120導通且發光電晶體120向LED 110提供驅動電流使得LED 110進行發光。

接著，在時間點t3之後，當電晶體M2的閘極端的電壓隨著掃頻訊號sweep上升至參考電壓ref_on的電壓減去電晶體M2的閥值電壓的數值時(即圖2中的時間點t4)，電晶體M2截止。同時，電晶體M3導通並且藉由電晶體M3向驅動電晶體M4的閘極端施加參考電壓ref_off的高電壓準位而使驅動電晶體M4截止，發光電晶體120無法藉由驅動電晶體M4接收系統高電壓VDD，發光電晶體120無法向LED 110提供驅動電流使得LED 110停止發光。

具體而言，PWM驅動電路130基於掃頻訊號sweep控制LED 110進行發光或不發光。根據上述，LED 110從發光時段T2中的時間點t3開始發光直到發光時段T2中的時間點t4為止。因此，可理解地，LED 110並非於發光時段T2起始(控制訊號emi/掃頻訊號sweep起始)即發光，故本發明之顯示裝置為常黑(normally black)型顯示裝置。

圖3係根據本發明的實施例之顯示裝置的像素電路200的示意圖。像素電路200與像素電路100類似，差別在於，像素電路200還包含脈衝振幅調變(pulse amplitude modulation，PAM)驅動電路140電性連接PWM驅動電路130。

PAM驅動電路140包括資料寫入電晶體M5與驅動電晶體M6，資料寫入電晶體M5連接至顯示裝置的資料線以接收資料訊號data。PAM驅動電路140可以基於通過資料寫入電晶體M5輸入的資料訊號data來對LED 110進行PAM控制。換言之，PAM驅動電路140基於資料訊號data來控制其向LED 110提供的驅動電流的振幅，從而使得LED 110能夠呈現各種灰階。

資料寫入電晶體M5可以根據控制訊號sPAM而導通或截止。在資料寫入電晶體M5根據控制訊號sPAM而導通時，驅動電晶體M6的閘極端的電壓為資料訊號data的電壓，從而使得驅動電晶體M6根據資料訊號data來向LED 110提供相應振幅的驅動電流。

應注意的是，圖1與圖3中所示出的畫素電路的電路架構僅為例示，並非用以限制本發明。舉例而言，發光電晶體120的源極端也可以直接電性連接至系統高電壓VDD。舉例而言，掃頻訊號sweep也可以非由電容C1接收而由另一電晶體所接收。舉例而言，本發明的畫素電路還可包含額外的電晶體和/或電容來實現電壓重置和/或偏差補償。

圖4係根據本發明的實施例之對於像素電路200進行操作時之各種訊號變化的時序圖。如圖4所示，像素電路200的操作時間被劃分為掃描時段T1和發光時段T2。掃瞄時段T1是用以將資料訊號data分別施加至PWM驅動電路130與PAM驅動電路140的時期。舉例而言，在掃瞄時段T1中，資料寫入電晶體M1根據控制訊號sPWM而導通時，藉由資料寫入電晶體M1將資料訊號data施加於電晶體M2與電晶體M3的閘極端。舉例而言，在掃瞄時段T1中，資料寫入電晶體M5根據控制訊號sPAM而導通時，藉由資料寫入電晶體M5將資料訊號data施加於驅動電晶體M6的閘極端。

如圖4所示，在掃瞄時段T1中，資料寫入電晶體M1先根據控制訊號sPWM而導通，且之後資料寫入電晶體M5根據控制訊號sPAM而導通。然而，本發明不限於此，在本發明的其他實施例中，也可以是資料寫入電晶體M5先根據控制訊號sPAM而導通，且之後資料寫入電晶體M1根據控制訊號sPWM而導通。

在圖4之發光時段T2中像素電路200的操作與在圖2之發光時段T2中像素電路100的操作大致類似，故於此不再贅述。

在本發明的實施例中，如圖2與圖4所示，LED 110進行發光的第一時間段t3-t4對應至掃頻訊號sweep的波形之中的第一曲線段L1。此外，在本發明的實施例中，如圖2與圖4所示，在控制訊號emi處於低電壓準位的第二時間段t5-t6對應至掃頻訊號sweep的波形之中的第二曲線段L2，且第二曲線段L2包含第一曲線段L1。

如圖2與圖4所示，第二曲線段L2為正弦波，換言之，第二曲線段L2為對稱且連續的弦波，第二曲線段L2所對應的函數為連續函數，第二曲線段L2包含正半週與負半週，第一曲線段L1位於第二曲線段L2的負半週之中。

在如圖1與圖3的實施例中，電晶體M2、電晶體M3與驅動電晶體M4為P型(p type)電晶體，但本發明不限於此，在本發明的其他實施例中，視實際應用需求，電晶體M2、電晶體M3與驅動電晶體M4之至少一者可為N型(n type)電晶體。舉例而言，當電晶體M2、電晶體M3與驅動電晶體M4皆為N型電晶體時，第一曲線段L1將位於第二曲線段L2的正半週之中。

圖5係根據本發明的實施例之第一曲線段L1的放大圖。如圖5所示，第一曲線段L1為對稱且連續的波形。第一曲線段L1所對應的函數為連續函數。構成第一曲線段L1的多個點的中點為P1，第一曲線段L1於中點P1具有通過中點P1的切線S1以及通過中點P1且垂直於切線S1的法線N1。第一曲線段L1於中點P1的切線S1的切線斜率m1為0。第一曲線段L1對稱於法線N1。

如圖5所示，第一曲線段L1的切線斜率為由負值連續地遞增至正值。具體而言，如圖5所示，由於第一曲線段L1為對稱且連續的弧形波，因此第一曲線段L1的切線S2的斜率m2、第一曲線段L1的切線S3的斜率m3、第一曲線段L1的切線S1的斜率m1、第一曲線段L1的切線S4的斜率m4、第一曲線段L1的切線S5的斜率m5的關係為m2＜m3＜m1=0＜m4＜m5。並且，斜率m2的絕對值等於斜率m5的絕對值，斜率m3的絕對值等於斜率m4的絕對值，換言之，|m2|=|m5|＞|m3|=|m4|＞|m1|= 0。

在本發明的其他實施例中，當第一曲線段L1位於第二曲線段L2的正半週之中時，可理解地，第一曲線段L1為凹口朝下之對稱且連續的弧形波，因此第一曲線段L1的切線斜率為由正值連續地遞減至負值。

應注意的是，圖2與圖4中所示出的掃頻訊號sweep的波形僅為例示，並非用以限制本發明。圖6a至圖6d係根據本發明的實施例之掃頻訊號sweep的各種波形的示意圖。舉例而言，圖6a示出掃頻訊號sweep在控制訊號emi處於低電壓準位時的波形為包含兩個正半週與一個負半週之對稱且連續的弦波。舉例而言，圖6b示出掃頻訊號sweep在控制訊號emi處於低電壓準位時的波形為包含一個負半週之對稱且連續的弦波。舉例而言，圖6c示出掃頻訊號sweep在控制訊號emi處於低電壓準位時的波形為至少包含一個負半週之對稱且連續的弦波。舉例而言，圖6d示出掃頻訊號sweep在控制訊號emi處於低電壓準位時的波形為至少包含一個正半週與一個負半週之對稱且連續的弦波。

應注意的是，圖2、圖4與圖6a至圖6d中所示出的掃頻訊號sweep的波形僅為例示，並非用以限制本發明。對本發明而言，必要條件在於，掃頻訊號sweep在LED 110進行發光時的波形必須為對稱且連續的波形。

在習知之使用脈衝寬度調變驅動方式的顯示裝置中，掃頻訊號的波形通常為不對稱且不連續的三角波，且顯示方式為常白(normally white)型顯示，如此將會造成不同像素所對應之掃頻訊號距離輸出源不同時，會有不同的電阻電容負載，造成距離輸出源較遠的掃頻訊號有明顯的壓降而導致低灰階畫面均勻性不足。舉例而言，掃頻訊號距離輸出源有約10奈秒(ns)的延遲時，於低灰階畫面上即會有約2~3個灰階值的偏移。此外，當掃頻訊號的波形為不對稱且不連續的三角波時，也會因為位於不同列的像素所對應的電阻電容負載之間的差異而導致顯示裝置的顯示畫面有亮度不均勻(mura)之缺陷。

本發明之掃頻訊號sweep在LED 110進行發光時的波形為對稱且連續的波形，因此能夠更有效地抵抗電阻電容負載之間的差異。具體而言，掃頻訊號sweep的連續波特性可抵抗電阻電容負載之間的差異所造成的壓降，換言之，顯示畫面的亮度較不會因為電阻電容負載之間的差異而有明顯的影響，距離輸出源較遠的掃頻訊號不會有明顯的壓降，而僅是因為波形相位的偏移而將發光時間往後遞延。具體而言，掃頻訊號sweep的對稱波特性可抵抗電阻電容負載之間的差異所造成的波形改變，換言之，顯示畫面的亮度較不會因為電阻電容負載之間的差異而有明顯的影響，距離輸出源較遠的掃頻訊號不會有明顯的波形失真，而僅是因為波形相位的偏移而將發光時間往後遞延。

在本發明的實施例中，針對位於不同列的像素所對應的像素電路，可使得相鄰列的像素所對應的像素電路的掃頻訊號sweep的波形部分重疊，從而實現由漸進式發光(progressive emission)方法來驅動顯示裝置。在本發明的一些實施例中，上述之相鄰列的像素所對應的像素電路的掃頻訊號sweep的波形部分重疊可利用電路的方式來藉由閘極驅動電路基板(gate on array，GOA)架構來據以實施。在本發明的其他一些實施例中，上述之相鄰列的像素所對應的像素電路的掃頻訊號sweep的波形部分重疊可利用積體電路板(integrated circuit board)的方式來據以實施。

綜合上述，本發明提出一種顯示裝置的像素電路，其中，掃頻訊號在發光二極體進行發光時的波形為對稱且連續的波形，因此能夠有效地抵抗電阻電容負載之間的差異。本發明的顯示裝置能夠改善顯示低灰階畫面時有亮度均勻性不足之缺陷，本發明的顯示裝置也能夠改善亮度不均勻(mura)之缺陷。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本發明的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本發明當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本發明的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本發明精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

100、200:像素電路 110:發光二極體 120:發光電晶體 130:脈衝寬度調變驅動電路 140:脈衝振幅調變驅動電路 C1,C2,C3:電容 data:資料訊號 emi,sPAM,sPWM:控制訊號 L1:第一曲線段 L2:第二曲線段 M1,M5:資料寫入電晶體 M2,M3:電晶體 M4,M6:驅動電晶體 N1:法線 P1:中點 ref_on,ref_off:參考電壓 S1,S2,S3,S4,S5:切線 sweep:掃頻訊號 T1:掃描時段 T2:發光時段 t3,t4,t5,t6:時間點 VDD:系統高電壓 VSS:接地電壓

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本發明之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。圖1係根據本發明的實施例之顯示裝置的像素電路的示意圖。圖2係根據本發明的實施例之對於像素電路進行操作時之各種訊號變化的時序圖。圖3係根據本發明的實施例之顯示裝置的像素電路的示意圖。圖4係根據本發明的實施例之對於像素電路進行操作時之各種訊號變化的時序圖。圖5係根據本發明的實施例之第一曲線段的放大圖。圖6a至圖6d係根據本發明的實施例之掃頻訊號的各種波形的示意圖。

data:資料訊號

emi,sPWM:控制訊號

L1:第一曲線段

L2:第二曲線段

ref_on,ref_off:參考電壓

sweep:掃頻訊號

T1:掃描時段

T2:發光時段

t3,t4,t5,t6:時間點

VDD:系統高電壓

VSS:接地電壓

Claims

一種顯示裝置的像素電路，包括：一發光二極體；及一脈衝寬度調變驅動電路，電性連接該發光二極體；其中該脈衝寬度調變驅動電路接收一資料訊號且基於該資料訊號來控制向該發光二極體提供的一驅動電流的脈衝寬度；其中該脈衝寬度調變驅動電路接收一掃頻訊號且基於該掃頻訊號控制該發光二極體進行發光或不發光；其中該發光二極體進行發光的一第一時間段對應至該掃頻訊號的波形之中的一第一曲線段，其中該第一曲線段對稱於通過該第一曲線段的一中點的一法線；其中該掃頻訊號在該發光二極體進行發光時的波形為連續的波形。
如請求項1所述之顯示裝置的像素電路，其中該第一曲線段於該中點的切線斜率為0。
如請求項1所述之顯示裝置的像素電路，其中該第一曲線段的切線斜率為由負值連續地遞增至正值或由正值連續地遞減至負值。
如請求項1所述之顯示裝置的像素電路，其中該第一曲線段所對應的函數為連續函數。
如請求項1所述之顯示裝置的像素電路，其中該顯示裝置為常黑(normally black)型顯示裝置。
如請求項1所述之顯示裝置的像素電路，更包括：一發光電晶體電性連接於該發光二極體與該脈衝寬度調變驅動電路之間，其中該發光電晶體的閘極端接收一控制訊號；其中該控制訊號處於低電壓準位的一第二時間段對應至該掃頻訊號的波形之中的一第二曲線段，其中該第二曲線段包含該第一曲線段。
如請求項6所述之顯示裝置的像素電路，其中該第二曲線段所對應的函數為連續函數。
如請求項6所述之顯示裝置的像素電路，其中該第二曲線段包含一正半週與一負半週，其中該第一曲線段位於該正半週與該負半週之其中一者之中。
如請求項6所述之顯示裝置的像素電路，其中該第二曲線段為對稱且連續的弦波。
如請求項1所述之顯示裝置的像素電路，更包括：一脈衝振幅調變驅動電路，其中該脈衝振幅調變驅動電路接收該資料訊號且基於該資料訊號來控制該驅動電流的振幅。
如請求項1所述之顯示裝置的像素電路，其中該發光二極體為微型發光二極體(micro-LED)。
如請求項1所述之顯示裝置的像素電路，其中該顯示裝置為主動式顯示器(Active Display)。
如請求項1所述之顯示裝置的像素電路，其中該像素電路藉由漸進式發光(progressive emission)方法來驅動該顯示裝置。