一种基于NMOS管的PWM像素电路、驱动方法及显示装置与流程

一种基于nmos管的pwm像素电路、驱动方法及显示装置
技术领域
1.本发明涉及pwm显示，具体为一种基于n型场效应管的pwm像素电路、驱动方法及显示装置。


背景技术：

2.由于micro led有着发光波长随着通过二极管的电流大小漂移的特性，导致其在应用传统脉冲幅度（pam）调制驱动时会出现颜色不准的情况，为了避免这个现象，脉冲宽度调制（pwm）的概念应运而生。
3.对于pwm显示，如若频率较低，则会出现频闪现象，对人的视力有损害；由于个体差异的存在，有些个体对于200hz左右的pwm显示仍会出现不良的反应。现有的oled pwm显示的频率大多在200hz左右，无法实现在更高频率的应用场景下的使用。同时，现有的pwm驱动电路需要复杂的外围电路实现脉宽信号，外围电路提供脉宽信号时，其驱动能力较弱，驱动面积与分辨率受限制，亮度均匀性和对比度弱。因此如何提高工作频率，提高pwm显示的均匀性和稳定性成为了亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的在于提供一种基于mos2场效应管的高带宽、高频率的pwm像素电路；本发明的第二目的在于提供上述pwm像素电路的驱动运行方法；本发明的第三目的在于提供一种含有上述pwm像素电路的显示装置。
5.技术方案：本发明的一种基于nmos管的pwm像素电路，包括驱动电源，还包括用于输出恒定电压的比较器、用于调节电流恒定的电流镜、用于控制像素开关的选通晶体管、用于显示的发光单元以及用于为发光单元提供电流脉冲信号的驱动晶体管；所述选通晶体管的信号输出端与比较器信号输入端连接，所述比较器的信号输出端与驱动晶体管的信号输入端连接，所述驱动晶体管的信号输出端与发光单元信号输入端连接；所述比较器、电流镜和和驱动晶体管与驱动电源电性连接，所述电流镜与比较器信号连接。
6.进一步的，所述比较器包括差分输入级、电平转换级和放大级；所述差分输入级包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第三nmos管m3和第四nmos管m4；所述第一nmos管m1和第二nmos管m2的栅极与选通晶体管连接；所述第一nmos管m1和第二nmos管m2的漏极分别与第三nmos管m3和第四nmos管m4的源极连接；所述第三nmos管m3和第四nmos管m4的栅极与自身的漏极连接，第三nmos管m3和第四nmos管m4的漏极与驱动电源连接；所述电平转换级包括第五nmos管m5，所述第五nmos管m5的栅极与第四nmos管m4的源极连接；所述第五nmos管m5的漏极与驱动电源连接；所述放大级包括第六nmos管m6和第七nmos管m7，所述第七nmos管m7的栅极与第五nmos管m5的源极连接，所述第七nmos管m7的漏极分别与第六nmos管m6的源极和驱动晶体管连接；所述第六nmos管m6的栅极与自身的漏极连接，所述第六nmos管m6的漏极与驱动电源连接。
7.进一步的，电流镜包括电流源i
b
、第八nmos管m8、第九nmos管m9和第十nmos管m10；
所述第八nmos管m8的漏极与第一nmos管m1和第二nmos管的源级连接，所述第九nmos管m9的漏极与第五nmos管m5的源级连接，所述第十nmos管m10的漏极与电流源i
b
的一端连接，电流源i
b
的另一端与驱动电源连接；所述第九nmos管m9的栅极、第八nmos管m8的栅极分别与第十nmos管m10的栅极连接，第十nmos管m10的栅极与自身的漏极连接；所述第八nmos管m8、第九nmos管m9和第十nmos管m10的源极接地。
8.进一步的，第一nmos管m1、第二nmos管m2、第三nmos管m3、第四nmos管m4、第五nmos管m5、第六nmos管m6、第七nmos管m7、第八nmos管m8、第九nmos管m9和第十nmos管m10均采用二硫化钼薄膜晶体管；其中，第一nmos管m1、第二nmos管m2和第七nmos管m7的沟道长宽比相同，第三nmos管m3、第四nmos管m4、第五nmos管m5、第六nmos管m6的沟道长宽比相同。
9.进一步的，所述选通晶体管包括用于输入电平信号的第一开关nmos管m
sw1
和用于输入三角波信号的第二开关nmos管m
sw2
，所述驱动晶体管为驱动nmos管m
dr
；所述第一开关nmos管m
sw1
和第二开关nmos管m
sw2
的漏极分别与第一nmos管m1和第二nmos管m2的栅极连接，所述第一开关nmos管m
sw1
和第一开关nmos管m
sw2
的栅极外接信号发射器，所述第一开关nmos管m
sw
的源级和第二开关nmos管m
sw2
的源级外接信号发射器；所述驱动nmos管m
dr
的栅极与第六nmos管m6的源极连接，驱动nmos管m
dr
的源极与发光单元连接，驱动nmos管m
dr
的漏极与驱动电源连接。
10.进一步的，所述第一开关nmos管m
sw1
、第二开关nmos管m
sw2
和驱动nmos管m
dr
均采用沟道长宽比相同的二硫化钼薄膜晶体管。
11.进一步的，所述发光单元采用micro led，所述micro led的正极与驱动晶体管的源极连接，micro led的负极接地。
12.本发明还保护一种基于nmos管的pwm像素电路的驱动方法，包括以下步骤：步骤一、提供一种基于nmos管的pwm像素电路；步骤二、电流源i
b
分别通过第八nmos管m8、第九nmos管m9和第十nmos管m10为差分输入级、电平转换级和放大级提供恒定电流；步骤三、第一开关nmos管m
sw1
和第二开关nmos管m
sw2
的栅极设置高电平；步骤四、电平信号和三角波信号通过第一开关nmos管m
sw1
和第二开关nmos管m
sw2
的漏极传输至差分输入级，差分级对两个信号进行运算并输出至电平转换级；电平转换级对信号的直流电平进行转换，并匹配输出至放大级；放大级将电路电压进行增益放大，并将电压脉冲信号以方波形式输出；步骤五、驱动nmos管m
dr
接收电压脉冲信号控制micro led发光，通过不同占空比的电压输出作用对micro led亮度进行调控。
13.本发明还保护一种显示装置，包括所述的基于nmos管的pwm像素电路。
14.本发明的工作原理为：本发明通过脉冲宽度调制的方式实现对micro led的发光驱动，采用含有差分输入级、电平转换级和放大级的电压比较器，将输入的两个电压进行比较，若vp>vn，则vo输出数字信号1；若vp<vn，则vo输出数字信号0。在差分输入级两端分别输入直流和三角波信号，调节直流输入的幅度，就可以得到不同占空比的方波输出，实现对micro led亮度的调控。在具体设计过程中，输入级、电平转换级和放大级均采用nmos结构的二硫化钼（mos2）场效应管，mos2是一种过渡金属双卤化物（tmds），是一种二维层状材料，能够达到单层原子的厚度，能够实现超薄的薄膜晶体管，使得以mos2晶体管为基础实现的
集成电路有实现柔性、透明显示的驱动的潜质。mos2具有很高的载流子迁移率，即在加相同电场的情况下，载流子迁移率越高，电阻率越小，功耗越小，器件电流承载能力越大，晶体管开关转换速度越快，能够实现很高的工作频率，有利于pwm的显示。
15.有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：（1）本发明基于二硫化钼二维材料晶体管，在很低的外围电路成本下，采用全nmos设计，实现高带宽的micro led 主动寻址微驱动像素电路设计，工作频率大幅提高；（2）本发明的电路对于micro led的驱动能力强，驱动面积与分辨率不受限制，亮度均匀性强，采用在像素电路内实现信号处理的方案，信号损耗更少，解决了micro led光色漂移的问题。
附图说明
16.图1为本发明的pwm像素电路图；图2为电路仿真测试输出占空比为0%时的电路整体输入输出；图3为电路仿真测试输出占空比为25%时的电路整体输入输出；图4为电路仿真测试输出占空比为50%时的电路整体输入输出；图5为电路仿真测试输出占空比为75%时的电路整体输入输出；图6为电路仿真测试输出占空比为100%时的电路整体输入输出；图7为工作频率电路交流仿真结果。
具体实施方式
17.下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
18.参见图1所示的一种基于nmos管的pwm像素电路，包括驱动电源vdd、用于输出恒定电压的比较器，比较器包括差分输入级、电平转换级和放大级；用于调节电流恒定的电流镜；用于控制像素开关的选通晶体管；用于显示的发光单元以及用于为发光单元提供电流脉冲信号的驱动晶体管。
19.其中，差分输入级包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第三nmos管m3和第四nmos管m4；第一nmos管m1和第二nmos管m2的栅极与选通晶体管连接；第一nmos管m1和第二nmos管m2的漏极分别与第三nmos管m3和第四nmos管m4的源极连接；第三nmos管m3和第四nmos管m4的栅极与自身的漏极连接，第三nmos管m3和第四nmos管m4的漏极与驱动电源连接；电平转换级包括第五nmos管m5，第五nmos管m5的栅极与第四nmos管m4的源极连接；第五nmos管m5的漏极与驱动电源连接；放大级包括第六nmos管m6和第七nmos管m7，第七nmos管m7的栅极与第五nmos管m5的源极连接，第七nmos管m7的漏极分别与第六nmos管m6的源极和驱动晶体管连接；第六nmos管m6的栅极与自身的漏极连接，第六nmos管m6的漏极与驱动电源连接。具体设计过程中，第一nmos管m1、第二nmos管m2、第三nmos管m3、第四nmos管m4、第五nmos管m5、第六nmos管m6、第七nmos管m7采用二硫化钼薄膜晶体管；其中，第一nmos管m1、第二nmos管m2和第七nmos管m7的沟道长宽比相同，具体为50μm/1μm；第三nmos管m3、第四nmos管m4、第五nmos管m5、第六nmos管m6的沟道长宽比相同，具体为1μm/10μm。薄膜晶体管沟道的尺寸设计与差模增益、共模抑制比有关，主要用于控制差分驱动晶体管m1、m2和差分负载晶体管m3、m4的沟道宽长比之比。
20.电流镜包括电流源i
b
、第八nmos管m8、第九nmos管m9和第十nmos管m10；第八nmos
管m8的漏极与第一nmos管m1和第二nmos管的源级连接，第九nmos管m9的漏极与第五nmos管m5的源级连接，第十nmos管m10的漏极与电流源i
b
的一端连接，电流源i
b
的另一端与驱动电源连接；第九nmos管m9的栅极、第八nmos管m8的栅极分别与第十nmos管m10的栅极连接，第十nmos管m10的栅极与自身的漏极连接；第八nmos管m8、第九nmos管m9和第十nmos管m10的源极接地。电流源i
b
的输出电流为3.5μa，在驱动电源的作用下，电流源i
b
的输出电流先通过第十nmos管m10，此时第十nmos管m10、第八nmos管m8、第九nmos管m9均处于饱和状态，且三个nmos管的栅极相连，即v
gs10
=v
gs8
=v
gs9
，由晶体管饱和区电流公式i
ds
=0.5μ
n
c
ox
（w/l）(v
gs
‑
v
th
)2，其中μ
n
为载流子的迁移速率，c
ox
为单位面积栅氧化层电容，v
th
为阈值电压，可得通过控制各nmos管w/l大小的方式，可以为差分输入级、电平转换级提供稳定的电流输入。在具体设计过程中，第八nmos管m8、第九nmos管m9和第十nmos管m10均采用二硫化钼薄膜晶体管，其中，第八nmos管m8的沟道长宽具体为20μm/10μm，第九nmos管m9的沟道长宽具体为40μm/10μm，第十nmos管m10的沟道长宽具体为50μm/10μm。
21.选通晶体管包括用于输入电平信号的第一开关nmos管m
sw1
和用于输入三角波信号的第二开关nmos管m
sw2
，驱动晶体管为驱动nmos管m
dr
，发光单元采用micro led；第一开关nmos管m
sw1
和第二开关nmos管m
sw2
的漏极分别与第一nmos管m1和第二nmos管m2的栅极连接，第一开关nmos管m
sw1
和第一开关nmos管m
sw2
的栅极和源级外接信号发射器。驱动nmos管m
dr
的栅极与第六nmos管m6的源极连接，驱动nmos管m
dr
的源极与发光单元连接，驱动nmos管m
dr
的漏极与驱动电源连接；micro led的正极与驱动晶体管的源极连接，micro led的负极接地。具体设计中，第一开关nmos管m
sw1
、第二开关nmos管m
sw2
和驱动晶体管为驱动nmos管m
dr
采用二硫化钼薄膜晶体管，其沟道长宽比相同，具体为10μm/1μm。
22.本发明的基于nmos管的pwm像素电路的工作过程为：在初始阶段，将比较器、电流镜和驱动晶体管与驱动电源连接，将第一开关nmos管m
sw1
和第二开关nmos管m
sw2
的栅极设置高电平，电平信号和三角波信号通过第一开关nmos管m
sw1
和第二开关nmos管m
sw2
的漏极传输至差分输入级；此时，通过in1和vsw两个信号来进行像素点的选择，对于所有的像素，其in2端都接一个相同的三角波；电流镜为差分输入级和电平转换级提供恒定电流；在运行阶段，当in1的电平信号、in2的三角波信号传输到差分级后，此时由于差分对的两个反相器与同一个等效电流源相连，一端的输入信号扰动会影响分配到另一端的电流，从而控制另一端的工作情况，当in2增加时，右端反相器的工作电流增加，相对的，左端反相器分得的电流减小，体现为总体的输出电压out1变大，即差分级对于这两个信号做一个运算，即该级的输出，其中为第一级的电压放大增益；该级输出信号传入电平转换级；在第电平转换级中，信号的直流电平进行转换，此时构成一个共漏极放大器，即m5处于饱和区，m5栅极输入信号的变化会影响m5的输出电导，实现控制输出直流电平的目的，使其能与放大级的直流放大电平相匹配，该级的输出，其中为该级的放大增益，，该级输出信号传入放大级；放大级为电路提供主要增益，该级的结构为反相器，反相器输入输出曲线的斜率越大，该反相器的增益越大，该级的输出即为比较器的输出，其中为该级的电压增益；由于第一级的输入为大信号，信
号经电路放大后，必然很快达到饱和，故电路的总体输出为方波信号，即vin2>vin1时输出为高电平，否则为低电平vss。
23.在发光阶段，驱动nmos管m
dr
接收电压脉冲信号控制micro led发光，通过不同占空比的电压输出作用对micro led亮度进行调控。
24.参见图2
‑
6，为三角波频率为200hz，电路仿真测试得到的输出占空比分别为0%、25%、50%、75%、100%时的电路整体输入输出。同中上半部分为信号输入，包括了电平信号和三角波信号；下半部分为信号输出，具体为方波输出。通过不同占空比的电压输出作用于驱动晶体管，即可实现对micro led亮度的调控。
25.对该pwm像素电路进行电路交流仿真，具体为通过电路仿真软件进行电路交流仿真。参见图7，由图可知，其3db带宽为8.1mhz，远高于市场上的应用频率，说明了本实施例的电路可以实现高频场景下的应用，从而实现更高的驱动频率。
26.相对于现有的pwm像素电路，本实施例基于二维材料晶体管，在很低的外围电路成本下采用全nmos设计，实现高带宽的micro led 主动寻址微驱动像素电路设计；解决现有由外围电路提供脉宽信号的方案的劣势，采用在像素电路内实现信号处理的方案，驱动能力更强，信号损耗更少。本实施例的基于nmos管的pwm像素电路可以直接应用于现有的一些显示装置中，如超高色准显示器、无频闪pwm显示器等。