2024年5月25日发(作者：杞小瑜)
基于2T0C像素电路的AMOLED数字驱动技术研究
朱晖
【期刊名称】《电子世界》
【年(卷),期】2018(000)024
【总页数】4页(P110-113)
【作 者】朱晖
【作者单位】
【正文语种】中 文
为了改善由于薄膜晶体管（TFT）特性不同导致的有源矩阵有机发光显示
（AMOLED）亮度不均匀现象，研究了基于2T0C像素电路、DEMUX电路和
GIP驱动电路的数字驱动方法。该方法采用子场累积式发光方式实现256灰度级。
通过在2.8英寸240RGB×320的AMOLED显示屏上对该方法的实现和验证，结
果表明，数字驱动技术的均匀性最大可达88%，功耗较模拟驱动技术降低约11%。
数字驱动显示图像的均匀性显著优于模拟驱动，且采用2T0C像素电路即可实现，
大幅度降低了对像素电路和制备成本的要求。
1 前言
OLED显示技术具有轻薄、宽视角、低功耗、响应速度快等特点，是目前最有希望
实现柔性显示的一种技术。AMOLED的驱动方法可分为模拟驱动和数字驱动两种，
驱动IC和比较简单的外围电路一般集成在同一玻璃基板上。在AMOLED模拟驱
动方法中，通过控制TFT栅极电压来控制流过像素发光单元的电流，从而实现所
需的灰度级显示。由于不同像素间的TFTs特性参数很难完全一致，因此在相同的
数据信号电压下，每个发光单元的电流大小不同，这会导致同一灰度级在屏的不同
位置显示的亮度不均匀（谢强,李宏建,黄永辉,等.几种OLED有源驱动电路中像素
单元电路的分析[J].液晶与显示,2004,19(6):462-467;Xie Q,Li H J,et
al..“Analyses of several pixel driving circuits for
AMOLED”[J]..,2004,19(6):462-467(in
Chinese);,,,,etc.“Impact of the transient
response of organic light emitting diodes on the design of active matrix
OLED displays”[J].Electron Devices Meeting .,1998,54(14):875-
878;, Berkel,and .“Time and temperature
dependence of instability mechanisms in amorphous silicon thin-film
transistors”[J]..,1989,54(14):1323-
1325;,,,etc.A new pixel structure for AMOLED
panel with 6-bit gray scale[J].SID y
.,2002,54(14):613-616）。为了解决该问题，可在像素电路中增加额外
的TFT和电容组成补偿电路（,,,etc.A
panel with voltage programming pixel circuits and point scanning data
driver circuits[J].ops,2004,54(14):283-
286;,,,e-programming method with
transimpedancefeedback technique for threshold voltage and mobility
compensations in large-area high-resolution AMOLED
displays[J].y,2006,14(8):665-671;S.W.-
,da,,ed polysilicon TFT drivers for light
emitting polymer displays[J].ops,2000,7(1):243-
246;a,,,etc.A 13.0-inch am-oled display with top
emitting structure and adaptive current mode programmed pixel
circuit[J].SID .,2001,32(1):384-387）。此外，还可以通过
AMOLED显示器的外部电路对数据信号进行分离、存储、处理及补偿。然而，各
种补偿电路的存在增加了工艺的复杂度，降低了像素单元的透过率，增加了成本，
也限制了面板分辨率的提高。
AMOLED数字驱动方法不同于模拟驱动方法，数字驱动中的数据信号电压只需获
得最大电流和最小电流的两个电压值，在这两个电压下，不同像素点间的电流因阈
值电压漂移引起的差异很小，所以像素点间具有很高的一致性。因此，数字驱动方
法对像素电路的均匀性要求大大降低（,da,and
rent demultiplexer TFT circuits for AMOLED[J].IEICE
on.,2005,E88-C(11):2051-
2056;,,a,sation circuit for
AMOLED displays composed of two TFTs and one capacitor[J].IEEE
on Devices,2007,54(3):462-467）。
目前已知AMOLED最简单的像素电路由2个具有开关功能的薄膜晶体管和1个储
存电荷的电容组成，根据薄膜晶体管和电容的数量，可把像素电路简称为2T1C。
在AMOLED模拟驱动方法中，通过控制像素电路的驱动TFT的栅极电压来控制流
过像素发光单元的电流，从而实现所需不同亮度的显示。由于不同像素间驱动TFT
特性参数离散度较高，很难输出完全相同的OLED驱动电流，因此在相同的数据
信号电压下，每个发光单元的电流大小不同，这会导致同一灰度级在屏的不同位置
显示的亮度不均匀。为了解决该问题，可在像素电路中增加额外的电路结构组成补
偿电路。各种补偿电路的存在增加了工艺的复杂度，降低了像素单元的透过率，增
加了成本，也限制了面板分辨率的提高。AMOLED数字驱动方法不同于模拟驱动
方法，数字驱动中驱动TFT仅仅工作在开和关2种工作状态，VDD电压信号直接
左右与OLED器件的阳极，获得最大电流和最小电流的两个电压值，在这两个电
压下，不同OLED像素点间的电流差异很小，所以像素点间的亮度具有很高的一
致性。因此，数字驱动方法对像素电路的驱动TFT电性的均匀性要求大大降低。
本文在240×320分辨率的全彩2.8英寸数字驱动AMOLED显示屏上，研究并实
现了2T0C像素电路、DEUMUX电路和GIP电路等的数字驱动方法，并比较了数
字驱动和模拟驱动的图像显示效果和在不同灰度级下的不均匀性，结果表明数字驱
动的均匀性明显优于模拟驱动，可用于简单的2T0C像素电路。
2 AMOLED数字驱动方法
2.1 AMOLED数字驱动方法原理
数字驱动方法采用发光时间调制方式实现不同的灰度级，即：单位时间内发光时间
越长，占空比越大，人眼感知的亮度越高。通常的实现方式是：将一帧图像分为几
个子场，根据图像数据信号控制每个像素在每个子场是否发光，通过子场组合产生
不同的灰度等级。
数字驱动方法采用发光时间调制方式实现不同的灰度级，即：单位时间内发光时间
越长，占空比越大，人眼感知的亮度越高。通常的实现方式是：将一帧图像分为几
个子场，根据图像数据信号控制每个像素在每个子场是否发光，通过子场组合产生
不同的灰度等级。AMOLED可用的数字驱动方法主要有两种：PWM(Plulse
Width Modulation，PWM)方法和PDM(Pluse-Density Modulation，PDM)两
种。
为了表现图像的灰阶，通常将一个驱动周期(例如一帧)分为多个子场并分时驱动。
例如，以256个灰阶层次显示图像时，将一个驱动周期分为8个子场信号，8个
子场信号的间隔时间相同，而8个子场信号的持续时间则按照比率2依次增加，
即8个子场信号的持续时间的比率为2n(n=0，1，2，3，4，5，6，7)。图1为
本文数字驱动采用PWM方法驱动方案的时序图。根据占空比的不同将一个驱动
周期分成8个子场信号，分别为SF1至SF8，其中，SF1对应的灰阶为1，SF2对
应的灰阶为2，SF3对应的灰阶为4，SF4对应的灰阶为8，SF5对应的灰阶为16，
SF6对应的灰阶为32，SF7对应的显示灰阶为64，SF8对应的灰阶为128，在一
个驱动周期内SF1、SF2、SF3、SF4、SF5、SF6、SF7和SF8以相同的时间间隔
依次出现。
图1 像素驱动电路驱动方法示意图
图2 显示不同灰阶示意图
像素电路显示不同灰阶的示意图如图2所示，0表示数据线Dm提供的数据电压
Data为低电平，1表示数据线Dm提供的数据电压Data为高电平，当SF1至
SF8均为低电平时8个子场的灰阶之和为0，显示全黑，当SF1为高电平，SF2
至SF8均为低电平时8个子场的灰阶之和为1，当SF2为高电平，SF1、SF3至
SF8均为低电平时8个子场的灰阶之和为2，依次类推，当SF1至SF8均为高电
平时8个子场的灰阶之和为255，显示全白。
图3 OLED主动矩阵等效电路
如图3所示，传统的2T1C像素电路原理图。当所述扫描线Sn提供的信号为低电
平时，第一薄膜晶体管T1导通，数据线Dm提供的数据电压Data传输至所述第
二薄膜晶体管T2的栅极，当扫描线Sn提供的信号为高电平时，第一薄膜晶体管
T1截止，此时第二薄膜晶体管T2的栅极保持数据电压Data不变，直至下一周期
第一薄膜晶体管T1导通时，下一帧数据电压Data写入，从而刷新所述第二薄膜
晶体管T2的栅极电压。其中，第二薄膜晶体管T2的导通与截止是由数据线Dm
提供的数据电压Data决定的，而第二薄膜晶体管T2的导通时间和截止时间是由
所述扫描线Sn提供的脉宽调制信号控制的。2T1C像素电路实现数字驱动灰度显
示的方法和时序具体工作原理是：寻址信号Sn使T1导通，数据信号Dm加载到
T2的栅极，T2完全导通，与OLED二极管相比，可以等效为一个很小的电阻。电
源VDD直接施加在OLED器件的阳极，控制流过OLED的电流；由于电容CS的
存在，数据信号Dm将保持在T2的栅极直到下一次数据写入。对于数字驱动Dm
只取最大和最小两个值，分别使T2工作在转移特性曲线的截止区和饱和区，即工
作在状态‘0’和状态‘1’。基于2T1C像素电路的数字驱动AMOLED显示屏，
被点亮的像素会持续发光到再次被寻址时，因此，每一子场的发光长度取决于下一
次寻址到来的时间。
2.2 AMOLED数字驱动技术设计与实现
本文提出了一种新的数字驱动AMOLED显示器。该显示器采用简单的2T0C的像
素电路结构。与传统的2T1C的像素电路结构相比较，像素电路内部固有的存储电
容可以省略，可以极大的简化LTPS工艺的生产流程，降低成本，增加像素的开口
率，提高产品的良率。像素存储电容省略以后，数据电压写入像素内部的时间延迟
大大缩短，可以更好的适应数字驱动技术对于高刷新频率的要求。
与传统的模拟驱动技术比较，数字驱动技术的刷新频率提高了20倍。由于刷新频
率提高，对于存储电容的容值需求减小。由于数字驱动技术固有的特性，对于驱动
TFT栅极驱动电压的变化并不敏感。即使开关TFT的漏电流，造成像素存储电容
存储的电压发生变化，但是对于驱动TFT来说，仍然可以维持在开或者关的状态，
对于实际的显示效果并没有明显的影响。另一方面，随着LTPS工艺的发展，TFT
的漏电流可以降低到1pA以下，即使存储电容小到到可以忽略的程度，由于驱动
TFT的寄生电容，驱动TFT的栅极电压的变化量仍然可以维持在一个较小的程度。
由于数字驱动技术屏体的刷新频率极高，屏体的动态功耗将变的非常大。由于每个
像素内部存储电容减小到非常小，屏体的动态功耗将极大的降低。使得数字驱动技
术可以非常实用于便携式移动显示领域。
本文提出了一种新的高速低功耗的GIP电路结构。与传统的模拟驱动技术比较，
数字驱动屏体的GIP电路的最高工作频率增加20倍，达到500kHz的工作频率。
在工作频率增加20倍的情况下，GIP电路的功耗仍然保持和模拟驱动技术使用的
GIP电路功耗相同的水平，测试结果显示GIP电路总功耗是60mw。由于GIP电
路使用简单的电路结构，所以可以达到很高的工作频率。由于GIP电路使用的晶
体管的数量较少，所以电路所需的面积较小，可以达到窄边框的目的。由于GIP
电路在高频工作的情况下，功耗仍然保持在较低的水平，通过红外热像仪分析，可
以明显发现GIP电路区域的温度没有明显的高于像素区域的温度。所以对于某些
特殊的应用领域，如柔性显示，可以较好的解决屏体散热的问题。如下图所示，采
用新型像素电路和GIP电路的数字驱动AMOLED显示器，表现出良好的图像显示
效果，完全可以满足某些应用领域如智能手表的量产的需求。
针对所采用的数字驱动方法，本论文采用新型的2T0C型电路结构，如图(3.4)所示，
同样也满足AMOLED数字驱动电路的要求。图4中像素电路有2个薄膜晶体管，
没有任何电容。可见，所述像素电路的结构更加简单，而且像素电路的功耗更低。
同时，由于没有电容影响开口率，因此采用所述2T0C像素电路的像素具有更高的
开口率。由此，采用像素电路20的有源矩阵有机发光显示器比较容易获得高亮度
和高PPI(Pixels Per Inch)值，其中，PPI是图像分辨率的单位，图像的PPI值越
高，则分辨率越高。
图4 2T0C像素电路
图5 GIP驱动电路原理图
采用2T0C像素电路，一方面，电路省掉一个电容，像素尺寸减小，对于高PPI屏
体具有更大的优势；另一方面，2T0C像素电路在制造过程中不需要利用金属层制
作电容，因此制造工艺更加简单。而制造工艺的简化，不但能够降低制造成本，还
能进一步提高良率。
本文提出了一种GIP驱动电路原理图如图5所示。该GIP驱动电路包括：TFT管
M1、M2、M3、M4、M5，电容C1，启始信号线IN，时序时钟线CLK1、CLK2，
电源高电平VGH和电源低电平VGL。
图6 GIP驱动电路波形图
图示6是驱动电路图5的时序波形图。其工作原理如下：当第m(m为大于1的整
数，最大为屏体的行数)行的数据开始输出时，输入端IN信号从高电平变为低电平，
同时CLK1变为低电平，CLK2为高电平，此时M1、M4导通，此时N1节点电
压大约是VGL+Vth(Vth为PTFT的绝对值阈值电压)，TFT M4的栅极为VGL，漏
极连接VGL，因此TFT M4的源极亦为VGL+Vth(Vth为PTFT的绝对值阈值电
压)，由于M5的源极是VGH，则M5导通，OUT端保持高电平VGH。当IN变
为高电平、CLK1变为高电平、CLK2变为低电平的过程中，M1处于截止状态，
由于CLK2从高电平变为低电平，M2栅极是低电平，所以M2的漏端跟随CLK2
从高电平变为低电平，即是OUT从高电平变为低电平，实现了输出目的。但是由
于电容C1和M2寄生电容的耦合作用，M2的栅极电压跟随M2的漏端电压同步
降低，即N1端电压下降至2VGL+Vth(Vth为PTFT的绝对值阈值电压，VGL为
负压)。当下个时序到来时，IN依然保持高电平VGH，CLK1为低电平，CLK2为
高电平，TFT M1导通，M2的栅极N1端从负压升高至VGH，TFT M2从导通转
为截止状态，同时TFT M4导通，M5栅极电压为VGL+Vth，M5导通，使得输
出从低电平VGL转为高电平VGH，OUT端保持高电平。
DEMUX电路工作频率可以直接和2T1C像素电路配合工作，工作频率约为
2.1MHz，为模拟驱动技术的20倍以上。
图7 Demux驱动电路原理图
图8 Demux驱动电路工作波形图
图7是传统的多路数据信号选择器原理图。信号源IN（初级信号源总线）经过三
个开关M1、M2、M3后产生三个输出信号OUTA（次级信号源总线）、OUTB
（次级信号源总线）、OUTC（次级信号源总线），此数据信号作为像素内部数据
信号的输入。SELA，SELB，SELC控制多路数据选择器开关，当SELA为低电平
时，开关M1打开，信号源IN的数据经过开关管M1产生输出信号OUTA（次级
信号源总线），当SELB为低电平时，开关M2打开，产生输出信号OUTB，同理
SELC为低电平时，开关M3打开，产生输出信号OUTC。相应的三个开关由导通
变为关断时，每一个数据信号已经存储到与之对应的像素电路中。由于在每个开关
信号上升沿到来时次级信号源总线已经完成相关数据信号采集，其它数据信号必须
在相应的时间段保持。因此SELA，SELB，SELC信号的低电平信号是错开的。
Demux驱动电路工作波形图如图8所示。采用多路数据信号选择器电路使得数字
驱动data信号线的数目减少2/3，source驱动芯片的成本和AMOLED模组工艺
的难度得以大幅降低。
3 结果与讨论
本文在2.8英寸AMOLED显示屏上实现了数字驱动显示技术，如图9所示。图
10是模拟驱动和数字驱动的显示结果对比，从图中可以看出，模拟图片显示的灰
度出现了明显的不均匀性。由于数字驱动的每个子场相当于只用到了最高灰度级和
最低灰度级对应的图像数据电压，显示效果较为均匀一致。实验结果可以表明，数
字驱动对像素电路的要求显著降低，显示均匀性也有明显改善。
图9 数字驱动AMOLED显示效果
图10 模拟驱动与数字驱动显示均匀性比较
表1 不同灰度级的数字和模拟驱动不均匀性比较测试环境 温度：25±3℃，湿度：
55±15%RH，环境照度：＜0.1lux测试仪器 CS-2000测试项目 规格 测试结果
1# 2# 3#色坐标(CIE1931)Wx 0.313 0.310 0.319 0.315 Wy 0.329 0.319 0.328
0.323 Rx 0.67 0.668 0.662 0.669 Ry 0.33 0.321 0.341 0.342 Gx 0.19 0.185
0.188 0.198 Gy 0.73 0.729 0.73 0.741 Bx 0.14 0.138 0.144 0.152 By 0.06
0.056 0.059 0.068最大亮度 Center 320nit 395nit 380nit 382nit亮度均匀度
9Pts 80% 81% 82% 88%对比度 CR 100000 ＞100000 ＞100000 ＞100000色
饱和度 NTSC 100% 118% 114% 116%
为研究数字驱动AMOLED技术的显示均匀性等光学特性，根据国家标准《有机发
光二极管显示器第6-1部分：光学和光电参数测试方法》的规定，用CS-2000彩
色分析仪测量并计算数字驱动技术的色坐标、亮度、对比度、9点均匀性、色饱和
度等光学数据，结果如表1所示。从表1中可以看出，数字驱动显示均匀性最高
可达88%以上，而模拟驱动的均匀性低于80%。因此数字驱动对显示均匀性的改
善效果非常显著。
此外，我们还比较了数字和模拟驱动的功耗，分别测量5块2.8英寸数字驱动
AMOLED显示屏和5块模拟驱动AMOLED显示屏在全屏显示320nit的功耗，结
果如表2所示。
表2 数字和模拟驱动功耗比较屏体编号 数字驱动 模拟驱动1 0.375W 0.495W 2
0.361W 0.481W 3 0.360W 0.472W 4 0.358W 0.484W 5 0.367W 0.490W
数字驱动的实际功耗低于模拟驱动，主要原因是AMOLED显示屏的功耗主要由
TFT和OLED器件的功耗构成。数字驱动采用了2T0C像素驱动电路，模拟驱动时，
TFT消耗的功耗约占比40%。模拟驱动的2T1C像素电路在工作时需要不断给存
储电容C充放电，增加了额外的动态功耗。而在数字驱动时，TFT消耗的功耗占
比小于10%。同时数字驱动的同一像素在不同子场之间点亮或熄灭状态，由于采
用了2T0C像素电路，不会使储存电容不断的充放电，不会产生额外的动态功耗。
4 结论
本文在2.8英寸分辨率为240RGB×320 AMOLED模组上，研究并实验了2T0C
像素电路、DEMUX电路和GIP驱动电路等。实验结果表明，数字驱动方法在
320nit亮度下的均匀性最大为88%，而模拟驱动的均匀性小于80%。数字驱动显
示图像的均匀性显著优于模拟驱动。由于采用2T0C的像素电路，数字驱动技术的
功耗较模拟驱动技术降低约11%。采用2T0C像素电路可大幅度降低了对像素电
路和制备成本的要求。
文章创新点：
本文在240×320分辨率的全彩2.8英寸数字驱动AMOLED显示屏上，研究并实
现了2T0C像素电路、DEMUX电路和GIP驱动电路等。通过采用2T0C的像素电
路，所述像素电路的结构更加简单，大幅度降低了对像素电路和制备成本的要求。
由于没有电容影响开口率，因此有源矩阵有机发光显示器更容易获得高亮度和高
PPI(Pixels Per Inch)值（分辨率）。因为没有电容的不断充放电，所以本文研究
的数字驱动技术所需功耗更低，较模拟驱动技术降低约11%。采用多路数据信号
选择器电路使得数字驱动data信号线的数目减少2/3，source驱动芯片的成本和
AMOLED模组工艺的难度得以大幅降低。由于GIP电路使用的晶体管的数量较少，
因此电路所需的面积较小，可以达到窄边框的目的。最后，数字驱动方法在
320nit亮度下的均匀性最大为88%，而模拟驱动的均匀性小于80%，可见数字驱
动显示图像的均匀性显著优于模拟驱动。
2024年5月25日发(作者：杞小瑜)
基于2T0C像素电路的AMOLED数字驱动技术研究
朱晖
【期刊名称】《电子世界》
【年(卷),期】2018(000)024
【总页数】4页(P110-113)
【作 者】朱晖
【作者单位】
【正文语种】中 文
为了改善由于薄膜晶体管（TFT）特性不同导致的有源矩阵有机发光显示
（AMOLED）亮度不均匀现象，研究了基于2T0C像素电路、DEMUX电路和
GIP驱动电路的数字驱动方法。该方法采用子场累积式发光方式实现256灰度级。
通过在2.8英寸240RGB×320的AMOLED显示屏上对该方法的实现和验证，结
果表明，数字驱动技术的均匀性最大可达88%，功耗较模拟驱动技术降低约11%。
数字驱动显示图像的均匀性显著优于模拟驱动，且采用2T0C像素电路即可实现，
大幅度降低了对像素电路和制备成本的要求。
1 前言
OLED显示技术具有轻薄、宽视角、低功耗、响应速度快等特点，是目前最有希望
实现柔性显示的一种技术。AMOLED的驱动方法可分为模拟驱动和数字驱动两种，
驱动IC和比较简单的外围电路一般集成在同一玻璃基板上。在AMOLED模拟驱
动方法中，通过控制TFT栅极电压来控制流过像素发光单元的电流，从而实现所
需的灰度级显示。由于不同像素间的TFTs特性参数很难完全一致，因此在相同的
数据信号电压下，每个发光单元的电流大小不同，这会导致同一灰度级在屏的不同
位置显示的亮度不均匀（谢强,李宏建,黄永辉,等.几种OLED有源驱动电路中像素
单元电路的分析[J].液晶与显示,2004,19(6):462-467;Xie Q,Li H J,et
al..“Analyses of several pixel driving circuits for
AMOLED”[J]..,2004,19(6):462-467(in
Chinese);,,,,etc.“Impact of the transient
response of organic light emitting diodes on the design of active matrix
OLED displays”[J].Electron Devices Meeting .,1998,54(14):875-
878;, Berkel,and .“Time and temperature
dependence of instability mechanisms in amorphous silicon thin-film
transistors”[J]..,1989,54(14):1323-
1325;,,,etc.A new pixel structure for AMOLED
panel with 6-bit gray scale[J].SID y
.,2002,54(14):613-616）。为了解决该问题，可在像素电路中增加额外
的TFT和电容组成补偿电路（,,,etc.A
panel with voltage programming pixel circuits and point scanning data
driver circuits[J].ops,2004,54(14):283-
286;,,,e-programming method with
transimpedancefeedback technique for threshold voltage and mobility
compensations in large-area high-resolution AMOLED
displays[J].y,2006,14(8):665-671;S.W.-
,da,,ed polysilicon TFT drivers for light
emitting polymer displays[J].ops,2000,7(1):243-
246;a,,,etc.A 13.0-inch am-oled display with top
emitting structure and adaptive current mode programmed pixel
circuit[J].SID .,2001,32(1):384-387）。此外，还可以通过
AMOLED显示器的外部电路对数据信号进行分离、存储、处理及补偿。然而，各
种补偿电路的存在增加了工艺的复杂度，降低了像素单元的透过率，增加了成本，
也限制了面板分辨率的提高。
AMOLED数字驱动方法不同于模拟驱动方法，数字驱动中的数据信号电压只需获
得最大电流和最小电流的两个电压值，在这两个电压下，不同像素点间的电流因阈
值电压漂移引起的差异很小，所以像素点间具有很高的一致性。因此，数字驱动方
法对像素电路的均匀性要求大大降低（,da,and
rent demultiplexer TFT circuits for AMOLED[J].IEICE
on.,2005,E88-C(11):2051-
2056;,,a,sation circuit for
AMOLED displays composed of two TFTs and one capacitor[J].IEEE
on Devices,2007,54(3):462-467）。
目前已知AMOLED最简单的像素电路由2个具有开关功能的薄膜晶体管和1个储
存电荷的电容组成，根据薄膜晶体管和电容的数量，可把像素电路简称为2T1C。
在AMOLED模拟驱动方法中，通过控制像素电路的驱动TFT的栅极电压来控制流
过像素发光单元的电流，从而实现所需不同亮度的显示。由于不同像素间驱动TFT
特性参数离散度较高，很难输出完全相同的OLED驱动电流，因此在相同的数据
信号电压下，每个发光单元的电流大小不同，这会导致同一灰度级在屏的不同位置
显示的亮度不均匀。为了解决该问题，可在像素电路中增加额外的电路结构组成补
偿电路。各种补偿电路的存在增加了工艺的复杂度，降低了像素单元的透过率，增
加了成本，也限制了面板分辨率的提高。AMOLED数字驱动方法不同于模拟驱动
方法，数字驱动中驱动TFT仅仅工作在开和关2种工作状态，VDD电压信号直接
左右与OLED器件的阳极，获得最大电流和最小电流的两个电压值，在这两个电
压下，不同OLED像素点间的电流差异很小，所以像素点间的亮度具有很高的一
致性。因此，数字驱动方法对像素电路的驱动TFT电性的均匀性要求大大降低。
本文在240×320分辨率的全彩2.8英寸数字驱动AMOLED显示屏上，研究并实
现了2T0C像素电路、DEUMUX电路和GIP电路等的数字驱动方法，并比较了数
字驱动和模拟驱动的图像显示效果和在不同灰度级下的不均匀性，结果表明数字驱
动的均匀性明显优于模拟驱动，可用于简单的2T0C像素电路。
2 AMOLED数字驱动方法
2.1 AMOLED数字驱动方法原理
数字驱动方法采用发光时间调制方式实现不同的灰度级，即：单位时间内发光时间
越长，占空比越大，人眼感知的亮度越高。通常的实现方式是：将一帧图像分为几
个子场，根据图像数据信号控制每个像素在每个子场是否发光，通过子场组合产生
不同的灰度等级。
数字驱动方法采用发光时间调制方式实现不同的灰度级，即：单位时间内发光时间
越长，占空比越大，人眼感知的亮度越高。通常的实现方式是：将一帧图像分为几
个子场，根据图像数据信号控制每个像素在每个子场是否发光，通过子场组合产生
不同的灰度等级。AMOLED可用的数字驱动方法主要有两种：PWM(Plulse
Width Modulation，PWM)方法和PDM(Pluse-Density Modulation，PDM)两
种。
为了表现图像的灰阶，通常将一个驱动周期(例如一帧)分为多个子场并分时驱动。
例如，以256个灰阶层次显示图像时，将一个驱动周期分为8个子场信号，8个
子场信号的间隔时间相同，而8个子场信号的持续时间则按照比率2依次增加，
即8个子场信号的持续时间的比率为2n(n=0，1，2，3，4，5，6，7)。图1为
本文数字驱动采用PWM方法驱动方案的时序图。根据占空比的不同将一个驱动
周期分成8个子场信号，分别为SF1至SF8，其中，SF1对应的灰阶为1，SF2对
应的灰阶为2，SF3对应的灰阶为4，SF4对应的灰阶为8，SF5对应的灰阶为16，
SF6对应的灰阶为32，SF7对应的显示灰阶为64，SF8对应的灰阶为128，在一
个驱动周期内SF1、SF2、SF3、SF4、SF5、SF6、SF7和SF8以相同的时间间隔
依次出现。
图1 像素驱动电路驱动方法示意图
图2 显示不同灰阶示意图
像素电路显示不同灰阶的示意图如图2所示，0表示数据线Dm提供的数据电压
Data为低电平，1表示数据线Dm提供的数据电压Data为高电平，当SF1至
SF8均为低电平时8个子场的灰阶之和为0，显示全黑，当SF1为高电平，SF2
至SF8均为低电平时8个子场的灰阶之和为1，当SF2为高电平，SF1、SF3至
SF8均为低电平时8个子场的灰阶之和为2，依次类推，当SF1至SF8均为高电
平时8个子场的灰阶之和为255，显示全白。
图3 OLED主动矩阵等效电路
如图3所示，传统的2T1C像素电路原理图。当所述扫描线Sn提供的信号为低电
平时，第一薄膜晶体管T1导通，数据线Dm提供的数据电压Data传输至所述第
二薄膜晶体管T2的栅极，当扫描线Sn提供的信号为高电平时，第一薄膜晶体管
T1截止，此时第二薄膜晶体管T2的栅极保持数据电压Data不变，直至下一周期
第一薄膜晶体管T1导通时，下一帧数据电压Data写入，从而刷新所述第二薄膜
晶体管T2的栅极电压。其中，第二薄膜晶体管T2的导通与截止是由数据线Dm
提供的数据电压Data决定的，而第二薄膜晶体管T2的导通时间和截止时间是由
所述扫描线Sn提供的脉宽调制信号控制的。2T1C像素电路实现数字驱动灰度显
示的方法和时序具体工作原理是：寻址信号Sn使T1导通，数据信号Dm加载到
T2的栅极，T2完全导通，与OLED二极管相比，可以等效为一个很小的电阻。电
源VDD直接施加在OLED器件的阳极，控制流过OLED的电流；由于电容CS的
存在，数据信号Dm将保持在T2的栅极直到下一次数据写入。对于数字驱动Dm
只取最大和最小两个值，分别使T2工作在转移特性曲线的截止区和饱和区，即工
作在状态‘0’和状态‘1’。基于2T1C像素电路的数字驱动AMOLED显示屏，
被点亮的像素会持续发光到再次被寻址时，因此，每一子场的发光长度取决于下一
次寻址到来的时间。
2.2 AMOLED数字驱动技术设计与实现
本文提出了一种新的数字驱动AMOLED显示器。该显示器采用简单的2T0C的像
素电路结构。与传统的2T1C的像素电路结构相比较，像素电路内部固有的存储电
容可以省略，可以极大的简化LTPS工艺的生产流程，降低成本，增加像素的开口
率，提高产品的良率。像素存储电容省略以后，数据电压写入像素内部的时间延迟
大大缩短，可以更好的适应数字驱动技术对于高刷新频率的要求。
与传统的模拟驱动技术比较，数字驱动技术的刷新频率提高了20倍。由于刷新频
率提高，对于存储电容的容值需求减小。由于数字驱动技术固有的特性，对于驱动
TFT栅极驱动电压的变化并不敏感。即使开关TFT的漏电流，造成像素存储电容
存储的电压发生变化，但是对于驱动TFT来说，仍然可以维持在开或者关的状态，
对于实际的显示效果并没有明显的影响。另一方面，随着LTPS工艺的发展，TFT
的漏电流可以降低到1pA以下，即使存储电容小到到可以忽略的程度，由于驱动
TFT的寄生电容，驱动TFT的栅极电压的变化量仍然可以维持在一个较小的程度。
由于数字驱动技术屏体的刷新频率极高，屏体的动态功耗将变的非常大。由于每个
像素内部存储电容减小到非常小，屏体的动态功耗将极大的降低。使得数字驱动技
术可以非常实用于便携式移动显示领域。
本文提出了一种新的高速低功耗的GIP电路结构。与传统的模拟驱动技术比较，
数字驱动屏体的GIP电路的最高工作频率增加20倍，达到500kHz的工作频率。
在工作频率增加20倍的情况下，GIP电路的功耗仍然保持和模拟驱动技术使用的
GIP电路功耗相同的水平，测试结果显示GIP电路总功耗是60mw。由于GIP电
路使用简单的电路结构，所以可以达到很高的工作频率。由于GIP电路使用的晶
体管的数量较少，所以电路所需的面积较小，可以达到窄边框的目的。由于GIP
电路在高频工作的情况下，功耗仍然保持在较低的水平，通过红外热像仪分析，可
以明显发现GIP电路区域的温度没有明显的高于像素区域的温度。所以对于某些
特殊的应用领域，如柔性显示，可以较好的解决屏体散热的问题。如下图所示，采
用新型像素电路和GIP电路的数字驱动AMOLED显示器，表现出良好的图像显示
效果，完全可以满足某些应用领域如智能手表的量产的需求。
针对所采用的数字驱动方法，本论文采用新型的2T0C型电路结构，如图(3.4)所示，
同样也满足AMOLED数字驱动电路的要求。图4中像素电路有2个薄膜晶体管，
没有任何电容。可见，所述像素电路的结构更加简单，而且像素电路的功耗更低。
同时，由于没有电容影响开口率，因此采用所述2T0C像素电路的像素具有更高的
开口率。由此，采用像素电路20的有源矩阵有机发光显示器比较容易获得高亮度
和高PPI(Pixels Per Inch)值，其中，PPI是图像分辨率的单位，图像的PPI值越
高，则分辨率越高。
图4 2T0C像素电路
图5 GIP驱动电路原理图
采用2T0C像素电路，一方面，电路省掉一个电容，像素尺寸减小，对于高PPI屏
体具有更大的优势；另一方面，2T0C像素电路在制造过程中不需要利用金属层制
作电容，因此制造工艺更加简单。而制造工艺的简化，不但能够降低制造成本，还
能进一步提高良率。
本文提出了一种GIP驱动电路原理图如图5所示。该GIP驱动电路包括：TFT管
M1、M2、M3、M4、M5，电容C1，启始信号线IN，时序时钟线CLK1、CLK2，
电源高电平VGH和电源低电平VGL。
图6 GIP驱动电路波形图
图示6是驱动电路图5的时序波形图。其工作原理如下：当第m(m为大于1的整
数，最大为屏体的行数)行的数据开始输出时，输入端IN信号从高电平变为低电平，
同时CLK1变为低电平，CLK2为高电平，此时M1、M4导通，此时N1节点电
压大约是VGL+Vth(Vth为PTFT的绝对值阈值电压)，TFT M4的栅极为VGL，漏
极连接VGL，因此TFT M4的源极亦为VGL+Vth(Vth为PTFT的绝对值阈值电
压)，由于M5的源极是VGH，则M5导通，OUT端保持高电平VGH。当IN变
为高电平、CLK1变为高电平、CLK2变为低电平的过程中，M1处于截止状态，
由于CLK2从高电平变为低电平，M2栅极是低电平，所以M2的漏端跟随CLK2
从高电平变为低电平，即是OUT从高电平变为低电平，实现了输出目的。但是由
于电容C1和M2寄生电容的耦合作用，M2的栅极电压跟随M2的漏端电压同步
降低，即N1端电压下降至2VGL+Vth(Vth为PTFT的绝对值阈值电压，VGL为
负压)。当下个时序到来时，IN依然保持高电平VGH，CLK1为低电平，CLK2为
高电平，TFT M1导通，M2的栅极N1端从负压升高至VGH，TFT M2从导通转
为截止状态，同时TFT M4导通，M5栅极电压为VGL+Vth，M5导通，使得输
出从低电平VGL转为高电平VGH，OUT端保持高电平。
DEMUX电路工作频率可以直接和2T1C像素电路配合工作，工作频率约为
2.1MHz，为模拟驱动技术的20倍以上。
图7 Demux驱动电路原理图
图8 Demux驱动电路工作波形图
图7是传统的多路数据信号选择器原理图。信号源IN（初级信号源总线）经过三
个开关M1、M2、M3后产生三个输出信号OUTA（次级信号源总线）、OUTB
（次级信号源总线）、OUTC（次级信号源总线），此数据信号作为像素内部数据
信号的输入。SELA，SELB，SELC控制多路数据选择器开关，当SELA为低电平
时，开关M1打开，信号源IN的数据经过开关管M1产生输出信号OUTA（次级
信号源总线），当SELB为低电平时，开关M2打开，产生输出信号OUTB，同理
SELC为低电平时，开关M3打开，产生输出信号OUTC。相应的三个开关由导通
变为关断时，每一个数据信号已经存储到与之对应的像素电路中。由于在每个开关
信号上升沿到来时次级信号源总线已经完成相关数据信号采集，其它数据信号必须
在相应的时间段保持。因此SELA，SELB，SELC信号的低电平信号是错开的。
Demux驱动电路工作波形图如图8所示。采用多路数据信号选择器电路使得数字
驱动data信号线的数目减少2/3，source驱动芯片的成本和AMOLED模组工艺
的难度得以大幅降低。
3 结果与讨论
本文在2.8英寸AMOLED显示屏上实现了数字驱动显示技术，如图9所示。图
10是模拟驱动和数字驱动的显示结果对比，从图中可以看出，模拟图片显示的灰
度出现了明显的不均匀性。由于数字驱动的每个子场相当于只用到了最高灰度级和
最低灰度级对应的图像数据电压，显示效果较为均匀一致。实验结果可以表明，数
字驱动对像素电路的要求显著降低，显示均匀性也有明显改善。
图9 数字驱动AMOLED显示效果
图10 模拟驱动与数字驱动显示均匀性比较
表1 不同灰度级的数字和模拟驱动不均匀性比较测试环境 温度：25±3℃，湿度：
55±15%RH，环境照度：＜0.1lux测试仪器 CS-2000测试项目 规格 测试结果
1# 2# 3#色坐标(CIE1931)Wx 0.313 0.310 0.319 0.315 Wy 0.329 0.319 0.328
0.323 Rx 0.67 0.668 0.662 0.669 Ry 0.33 0.321 0.341 0.342 Gx 0.19 0.185
0.188 0.198 Gy 0.73 0.729 0.73 0.741 Bx 0.14 0.138 0.144 0.152 By 0.06
0.056 0.059 0.068最大亮度 Center 320nit 395nit 380nit 382nit亮度均匀度
9Pts 80% 81% 82% 88%对比度 CR 100000 ＞100000 ＞100000 ＞100000色
饱和度 NTSC 100% 118% 114% 116%
为研究数字驱动AMOLED技术的显示均匀性等光学特性，根据国家标准《有机发
光二极管显示器第6-1部分：光学和光电参数测试方法》的规定，用CS-2000彩
色分析仪测量并计算数字驱动技术的色坐标、亮度、对比度、9点均匀性、色饱和
度等光学数据，结果如表1所示。从表1中可以看出，数字驱动显示均匀性最高
可达88%以上，而模拟驱动的均匀性低于80%。因此数字驱动对显示均匀性的改
善效果非常显著。
此外，我们还比较了数字和模拟驱动的功耗，分别测量5块2.8英寸数字驱动
AMOLED显示屏和5块模拟驱动AMOLED显示屏在全屏显示320nit的功耗，结
果如表2所示。
表2 数字和模拟驱动功耗比较屏体编号 数字驱动 模拟驱动1 0.375W 0.495W 2
0.361W 0.481W 3 0.360W 0.472W 4 0.358W 0.484W 5 0.367W 0.490W
数字驱动的实际功耗低于模拟驱动，主要原因是AMOLED显示屏的功耗主要由
TFT和OLED器件的功耗构成。数字驱动采用了2T0C像素驱动电路，模拟驱动时，
TFT消耗的功耗约占比40%。模拟驱动的2T1C像素电路在工作时需要不断给存
储电容C充放电，增加了额外的动态功耗。而在数字驱动时，TFT消耗的功耗占
比小于10%。同时数字驱动的同一像素在不同子场之间点亮或熄灭状态，由于采
用了2T0C像素电路，不会使储存电容不断的充放电，不会产生额外的动态功耗。
4 结论
本文在2.8英寸分辨率为240RGB×320 AMOLED模组上，研究并实验了2T0C
像素电路、DEMUX电路和GIP驱动电路等。实验结果表明，数字驱动方法在
320nit亮度下的均匀性最大为88%，而模拟驱动的均匀性小于80%。数字驱动显
示图像的均匀性显著优于模拟驱动。由于采用2T0C的像素电路，数字驱动技术的
功耗较模拟驱动技术降低约11%。采用2T0C像素电路可大幅度降低了对像素电
路和制备成本的要求。
文章创新点：
本文在240×320分辨率的全彩2.8英寸数字驱动AMOLED显示屏上，研究并实
现了2T0C像素电路、DEMUX电路和GIP驱动电路等。通过采用2T0C的像素电
路，所述像素电路的结构更加简单，大幅度降低了对像素电路和制备成本的要求。
由于没有电容影响开口率，因此有源矩阵有机发光显示器更容易获得高亮度和高
PPI(Pixels Per Inch)值（分辨率）。因为没有电容的不断充放电，所以本文研究
的数字驱动技术所需功耗更低，较模拟驱动技术降低约11%。采用多路数据信号
选择器电路使得数字驱动data信号线的数目减少2/3，source驱动芯片的成本和
AMOLED模组工艺的难度得以大幅降低。由于GIP电路使用的晶体管的数量较少，
因此电路所需的面积较小，可以达到窄边框的目的。最后，数字驱动方法在
320nit亮度下的均匀性最大为88%，而模拟驱动的均匀性小于80%，可见数字驱
动显示图像的均匀性显著优于模拟驱动。