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基于labVIEW的AM-OLED显示屏测试系统

2014-11-09马雪雪王春阜吴为敬彭俊彪

液晶与显示 2014年5期
关键词:显示屏亮度芯片

马雪雪,王春阜,吴为敬,彭俊彪

(1.华南理工大学 电子与信息学院,广东 广州 510640;2.华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室,广东 广州 510641)

1 引 言

有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED)被誉为替代液晶的下一代显示技术,具有自主发光、响应速度快、宽视角、可制作透明和柔性面板等诸多优点,是世界各国显示技术研究的热点。

基于氧化物薄膜晶体管(MOTFT)的有源矩阵有机发光二极管(AM-OLED)显示技术近年来得到了迅速的发展,但整体尚未成熟,尤其是国内的AM-OLED技术,还处在起步阶段。AMOLED显示屏还处于自主研发阶段,因此我们需要对其各项性能进行测试表征[1-4]。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台)是采用高性能模块化硬件技术,通过高效灵活的软件编程对模块化硬件进行控制,从而实现AM-OLED显示屏各项参数自动化测试。因此,虚拟仪器技术实现了软件和硬件的有机结合[5]。

本文首先构建了基于FPGA的AM-OLED显示屏驱动电路,然后基于虚拟仪器技术lab-VIEW开发环境搭建了AM-OLED显示屏性能测试平台,实现了快速、高效、准确的数据自动采集功能。

2 AM-OLED显示屏的驱动电路

依据氧化物 MOTFT AM-OLED显示屏特性,设计了一套外围驱动电路系统[6],系统的整体图如图1所示。

整个系统包括信号源、DVI解码、时序控制、行列芯片应用电路、电源电压电路5个模块。其中信号源模块为AM-OLED显示屏提供显示影像,本文中可以通过FPGA生成简单测试图像,但较复杂、信息丰富的图像需PC机或播放器提供;DVI解码模块将PC机传输过来的TMDS信号进行解码,得到4个控制信号——数据时钟、数据使能、行同步、场同步及18位RBG数据信号,将其输入到时序控制器;利用FPGA产生适宜芯片工作的时序控制信号,以供行列驱动芯片工作,从而驱动AM-OLED显示屏正常显示。本文中所选用的行列驱动芯片分别为联咏的NT39211、NT39411D两款芯片。

图1 外围驱动电路系统整体框图Fig.1 Whole block diagram of peripheral driving circuit

此驱动电路为后续的AM-OLED显示屏V-I-L曲线测试提供了电路基础。

3 AM-OLED显示屏的V-I-L曲线测试原理

AM-OLED显示屏V-I-L曲线测试系统主要用于测试显示屏的数据电压(Vdata)-电流(I)-亮度(L)曲线,在固定Vdd的情况下,数据电压Vdata与流过显示屏OLED的电流以及显示屏亮度之间的关系[7]。

如图2所示,我们使用程控电源Keithley2400为显示屏提供电源电压VDD以及Gamma校正[8]基准电压V1。由源驱动芯片输出数据电压与Gamma校正基准电压的关系可知,在最高灰阶下数据驱动芯片输出数据电压Vdata等于V1。在测试过程中,信号源(PC机)分别为AM-OLED显示屏提供R、G、B最高灰阶图片,V1从0V以等步长递增,输出电压Vdata始终跟随V1变化。理论上Vdata的值等于V1,但Gamma校正板到显示屏存在一定的压降,为更准确测得Vdata的大小,我们直接在AM-OLED显示屏的数据输出pad处连接keithley2000测试Vdata的大小。keithley2400作为Vdd输入电压源,可以测试出流过节点Vdd的电流,即OLED的发光电流,分光辐射亮度计CS2000监测AM-OLED显示屏的亮度L。由此,得到Vdata与流过OLED的电流IOLED及AM-OLED显示亮度L的关系。

图2 AMOLED显示屏V-I-L测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of V-I-Ltest system for AMOLED display

labVIEW通过GPIB卡控制keithley2000测量Vdata电压,同时控制Keithley2400输出等步长递增电压Vdd,并采集对应的电流IOLED。通串行协议(RS-232)控制分光辐射亮度计CS2000实时采集显示屏亮度、色坐标以及光谱数据。

4 AM-OLED显示屏V-I-L曲线测试系统构建

AM-OLED显示屏V-I-L曲线测试系统软件架构[9]是基于NI公司的LabVIEW平台开发的,程序的框架如图3所示。

图3 系统软件架构框图Fig.3 Software architecture diagram of the system

由图3可知,整个软件主要由系统初始化、系统配置、控制输出、采集数据、数据结果图形显示、数据保存以及系统关闭等几个模块组成。整个软件首先完成系统初始化,然后再对系统进行配置,采集数据,同时将采集的数据保存并将结果用图形显示,最后关闭系统完成整个系统测试。

图4是AM-OLED显示屏V-I-L曲线测试系统的软件界面,整个操作界面简单明了,由LabVIEW自带的控制组成,在此界面可实现输入电压的调节,能实时显示电流、电压以及亮度,波形图控件显示整个电流、亮度的变化趋势。

图4 V-I-L曲线测试系统界面Fig.4 Interface of the V-I-Lcurve test system

软件程序框图界面,主要分为3个功能模块:系统初始化以及配置模块、系统控制输出与数据采集模块、数据保存模块。由图3可知,每个模块并非完全独立,而是相互之间有联系的,上一个模块是下一个模块的基础,模块和模块之间存在交叉关系。

5 AM-OLED显示屏V-I-L曲线实际测试结果分析

5.1 AM-OLED显示屏V-I-L曲线测试系统验证

将华南理工大学与广州新视界光电科技有限公司联合研发的基于 MOTFT技术的12.2cm(4.8in)AM-OLED 显示 屏连接 到该测 试系统中。验证了该系统能够满足12.2cm AM-OLED显示屏的测试需求,很好地完成了AM-OLED显示屏的V-I-L曲线测试。AM-OLED显示屏的技术参数如表1所示。

表112.2cm AMOLED显示屏技术参数Tab.1 Technical parameters of 12.2cm AMOLED display screen

图5为AM-OLED显示屏在Vdd=10V时,红绿蓝子像素亮度随Vdata变化的曲线,从图中可以看出AM-OLED显示屏的红绿蓝三色的OLED启亮电压不同,红色OLED在Vdata=2.5 V时最先启亮,而绿色和蓝色OLED分别在Vdata=3.2V和2.7V时启亮。由此可知,绿色OLED最大亮度为250cd/m2,红色OLED最大亮度为200cd/m2,蓝色OLED最大亮度为120 cd/m2。

图5 AM-OLED显示屏的Vdata-L曲线Fig.5 Vdata-Lcurve of AM-OLED display screen

在数据电压Vdata变化时,红绿蓝3种OLED器件的亮度变化不完全一致,这就导致Vdata变化过程中,显示屏的色坐标发生漂移,如图6所示,AM-OLED显示屏的色坐标启亮时为(0.344,0.357),最大亮度时为(0.328,0.402),在中间某一数据电压Vdata时色坐标为(0.506,0.356)。明显可以看到AM-OLED显示屏的显示颜色有变化。

图7为AM-OLED显示屏Vdd=10时,流过显示屏的总电流随Vdata变化的曲线,当Vdata=2V时,AM-OLED显示屏的亮度很低,一般我们认为OLED还没有开始启亮,但是金属氧化物TFT的沟道中n型载流子(即电子)非常丰富,不加偏压条件下TFT器件就是导通的,所以当Vdata=2V时,依然有从Vdd流过T2管和OLED的电流;另一方面,TFT背板制作过程中,因为工艺缺陷会导致TFT驱动阵列中存在短路,经过测试整屏(320RGB×480)的电流大小为10mA。

图6 AM-OLED显示屏的色坐标漂移曲线Fig.6 Color coordinates of the drift curve of AMOLED display screen

显示屏在Vdata=9.2V时达到亮度最大值450cd/m2,对应AMOLED显示屏的电流为95 mA,此时显示屏的 Wpanel=IOLED×Vdd=0.95W。

综上所述,运用上述测试系统可以很方便的测试出AMOLED显示屏的V-I-L曲线,本文对AMOLED显示屏(320RGB×480)进行测试,分别测得显示屏Vdata-L曲线、色坐标漂移曲线[10]以及Vdata-I曲线。从而可以算出显示屏的功耗等参数,验证该系统的可靠性。

5.2 AM-OLED显示屏V-I-L曲线测试系统结果应用

利用上述结果,可以分析白平衡[11]时,显示屏所需要的Vdata,为专用数据驱动芯片的设计提供参考。

根据国家标准(GB 936-2008-T 彩色显示器白平衡点色坐标及其宽容度)规定,在显示器中,白平衡点的标准色温为6500K,其色坐标为WCIE(0.313,0.329)。AM -OLED显示屏中RGB发光材料的色坐标分别为RCIE(xr,yr)、GCIE(xg,yg)和 BCIE(xb,yb),由色度学坐标系统和颜色的加成性[12],可以得到式(1)和(2)。

白平衡时色坐标的x分量:

另外,根据RGB像素排布,可以得到白平衡时显示屏的亮度与3个子像素的亮度关系为:

由公式(1)、(2)和(3)可以得到以下矩阵关系:

解矩阵方程(4)得到红绿蓝OLED器件的亮度要求,即式(5):

设AM-OLED显示屏的设计最大亮度为Yw,色坐标为 WCIE(x,y)。红绿蓝OLED器件的色坐标分别为 RCIE(xr,yr)、GCIE(xg,yg)和BCIE(xb,yb),将以上数据带入式(5)可以得出红绿蓝子像素所需的最大发光亮度分别为Yr,Yg,Yb,结合AM-OLED显示屏的开口率AP,可以得出红绿蓝OLED器件所需的最大发光亮度YOLED_r,Y OLED_g,Y OLED_b。结合 RGB OLED器件的L-V 曲线如图5所示,可以得到AM-OLED显示屏达到设计亮度时的OLED阳极电压理论值分别为,VOLED_r、VOLED_g和VOLED_b。

由2T1C像素电路的工作原理可得[11]:

其中:IOLED_i为流过 OLED 的电流;μ 为迁移率;W为沟道宽度;L为沟道长度;Vgs为栅极-源级电压;Vdata为 OLED 的数据电压,VOLED_i为 OLED 阳极电压理论值

由式(6)可得:

利用式(7)可以方便地求出AM-OLED显示屏达到设计亮度时各像素所需的数据电压,为MOTFT-AMOLED显示屏专用数据驱动芯片的设计提供了可靠数据。

同时由上述实际测试结果分析可知:红绿蓝OLED器件的Vdata-L特性曲线不一致给白平衡调试造成一定困难,要使AM-OLED显示器在全白画面下亮度由最小变到最大时,显示不偏色,色坐标不漂移,在相同灰阶下RGB子像素对应的数据电压应该不同。所以AM-OLED显示屏数据驱动芯片需要RGB三色Gamma电压单独可调。

6 结 论

依托AM-OLED显示屏外围驱动显示系统,搭建了基于LabVIEW平台的AM-OLED显示屏V-I-L曲线测试系统,并通过测试12.2cm AM-OLED显示屏的相关参数验证了该测试系统的可靠性,从而实现了对显示屏性能参数的自动化测试,对显示屏性能做出了评估。同时通过对实际测试结果的运用求解,为氧化物TFTAM-OLED显示屏专用IC gamma曲线设计提供了可靠数据,对显示屏的优化设计以及AMOLED专用驱动芯片的开发具有重要意义。

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