Current Programming Circuits for High-Image-Quality AMOLED Displays

Abstract

m CMOS process. The maximum error of the programming current in a pixel is less than 0.22 LSB using the proposed current driving method and the lowest gray-level current, 6.7 nA, can be successfully programmed within 19  s. This performance is good enough to apply to a 12-inch WXGA (1280 768) resolution format AMOLED display with 8-bit gray scale.; 일반적으로 능동형 유기발광(AMOLED) 디스플레이의 구동회로는 기입 방식에 따라 전압 기입 구동회로와 전류 기입 구동회로로 구분된다. 전압 기입 구동회로는 데이터 전압의 고속 구동이 가능하나 AMOLED 디스플레이의 화소를 구성하는 박막 트랜지스터(TFT)의 불균일한 특성에 의해 발광전류의 편차가 발생하여 화질저하를 발생시킨다. 반면, 전류 기입 구동회로는 AMOLED 디스플레이에 직접 전류를 공급하여 TFT의 전기적 특성 편차로 인한 화질저하를 감소시킬 수 있지만, 전류 DAC의 큰 면적, 출력전류간 편차, 그리고 패널의 기생부하로 인한 RC딜레이가 발생하여 전류기입시간이 길다는 단점을 갖는다. 전류 기입 구동회로를 구성하는 전류 디지털-아날로그 변환기(DAC)의 경우 계조가 1-bit 증가함에 따라 DAC의 면적이 약 2배수로 증가하기 때문에 전류 DAC는 전류 기입 구동회로에서 가장 큰 면적을 차지한다. 특히, 전류 DAC를 사용하는 구동회로의 경우 CMOS제조공정의 불균일한 소자특성으로 인한 전류원간 편차로 균일한 계조전류의 출력이 어려워진다. 본 논문에서는 제조공정의 불균일한 소자편차와 면적증가를 최소화 할 수 있고 감마 보정이 가능한 새로운 전류 DAC를 제안하였다. 제안한 전류형 DAC는 고속구동이 가능한 전류 샘플-홀드 출력단을 갖는 구조와 개선된 2진 가중치(binary-weighted) 전류 구조이다. 또한 대화면, 고해상도로 갈수록 증가하는 데이터 라인 부하로 인한 RC 딜레이를 극복하기 위해 고속 전류 기입 구동방식을 제안하였다. 제안한 전류 DAC를 적용한 소면적과 중,대면적 전류 기입 데이터 구동회로 및 고속 전류 기입 구동방식에 대해 설명한다. 데이터 구동회로의 면적과 채널수의 제한으로 대면적 고해상도 AMOLED 디스플레이는 2개 이상의 데이터 구동회로가 필요하며, 데이터 구동회로간 바이어스 전류의 편차가 발생하여 화질저하를 초래하게 된다. 따라서, 데이터 구동회로간 바이어스 전류의 편차를 최소화하기 위하여 마스터-슬레이브 바이어스 방식을 제안하였다. 전류 DAC의 면적증가는 전류원간 채널간 전류의 편차를 증가시킨다. 따라서 고속구동이 가능한 전류 샘플-홀드 출력단을 갖는 전류 DAC를 제안하였다. 제안된 마스터-슬레이브 바이어스와 독립 바이어스 모드를 적용한 구동방식은 각각 0.7LSB와 3.5LSB의 출력전류편차 특성을 보였다. 제안한 전류 샘플-홀드 출력단을 갖는 전류 DAC와 마스터-슬레이브 바이어스 모드를 이용한 10-bit 전류 기입 데이터 구동회로는 0.65 m BiCMOS공정으로 제작하였다. 채널간 칩간 출력전류의 최대 편차는  2.01LSB와  0.62LSB의 편차를 보이며 대면적 고해상도 AMOLED 디스플레이를 구동하기에 적합함을 확인하였다. 소면적 AMOLED 디스플레이에 적용하기 위해 제안된 전류 DAC를 이용한 8-bit 전류 기입 데이터 구동회로를 2.1인치 qVGA AMOLED 디스플레이에 실장하여 데모하였다. 제안된 전류 DAC는 2진 가중치 전류 DAC 면적대비 54%의 면적감소와 전류 분할방식 DAC 면적대비 30%의 감소된 면적으로 구현하였다. 3가지 종류의 8-bit 전류 기입 데이터 구동회로는 0.18μm CMOS 공정으로 제작되었다. 그리고 2진 가중치 전류 DAC의 단점인 glitch noise로 인한 문제를 해결하기 위해 스위칭 잡음 제거 방식 (switching noise cancellation method)를 제안하였고, impulse current를 12.8 A로 감소시켰다. 제작된 전류 데이터 구동회로는  0.21LSB의 채널간 출력전류 편차를 보이며 2.1인치 qVGA AMOLED 디스플레이를 성공적으로 구동하였다. AMOLED 디스플레이의 크기와 해상도가 증가하게 되면, 데이터 라인 부하가 증가하고, 데이터라인을 구동하기 위한 시간이 감소하여 데이터 라인의 RC딜레이에 의한 화질저하를 초래한다. 따라서 AMOLED 디스플레이를 고속 구동 가능한 단일이득전류증폭기(current unity-gain amplifier)를 사용한 전류 구동방식을 제안하였다. 제안한 단일이득전류증폭기를 적용한 8-bit 전류구동방식은 0.18μm CMOS공정으로 제작되었고 12인치 WXGA AMOLED 디스플레이 데이터 라인 부하를 실장하여 그 특성을 검증하였다. 최하위 계조 전류 6.7nA의 경우에도 19 sec 이내에 데이터 라인 부하를 충,방전이 가능함을 확인할 수 있었다. INL은 0.2LSB로 12인치 WXGA (1280 RGB 768) AMOLED 디스플레이를 성공적으로 구동할 수 있다  In general, there are currently two main approaches to the driving method for AMOLED displays: one is voltage mode source driver integrated chips (IC) and the other is current mode source driver IC. Although, the voltage mode source driver ICs can drive high speed programming for AMOLED displays, the electrical characteristic variations of a thin film transistor (TFT) in the AMOLED pixel circuits lead to a degradation of image quality due to the deviation of the emission current. The current mode source driver IC can compensate for the deviation of the electrical characteristics of TFT because that supplies the data current to the AMOLED pixel circuits. However, it still has some design issues, such as the area consumption of the current digital-to-analog converter (DAC), the deviation among output currents and the charging problem caused by the RC delay of the parasitic capacitance and resistance in the data line. The area consumed by the current DAC takes possession of the largest portion of the current mode source driver IC because the area for the current DAC roughly doubles as its resolution increases by 1-bit. In particular, it is difficult to implement the current mode source driver IC with uniform output currents because random variation in the complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) process leads to a current deviation among current sources in the current DAC. In this dissertation, current DACs with gamma correction are proposed to solve the aforementioned problems. The proposed current DACs are the segment type current DAC with a fast current sample and hold output stage for middle and large-size AMOLED displays and the improved binary-weighted type current DAC for small-size AMOLED displays. Moreover, the parasitic loads of the data lines grow larger as the size of the AMOLED displays is enlarged, and the row line time to drive the data line becomes shorter as the resolution of the AMOLED displays increases. So, the charging problem caused by the RC delay of the data line can cause the displayed image quality to deteriorate. Therefore, we propose the fast current programming method to solve the charging problem. This dissertation describes the current mode source driver IC with the proposed current DACs for small, middle and large-size AMOLED displays and the fast current programming method. Large-size and high-resolution AMOLED displays require more than two source driver ICs due to the restricted chip size and the number of output channels. Therefore, we propose a master-slave bias method to minimize the deviation of bias current among the chips caused by the independent bias method and fast current sample and hold type DAC to minimize the deviation of output current among the channels caused by the large circuit area of the current DAC. The 10-bit current mode source driver IC with the proposed current DAC is verified by a HSPICE circuit simulation for the proposed master-slave bias mode and the independent master-master bias mode, respectively. The evaluation results of output current deviation among the chips for the proposed master-slave bias mode and the independent master-master bias mode are 0.7 least significant bit (LSB) and 3.5 LSB, respectively. The 15.5-inch wide extended graphics array (WXGA) 10-bit current mode source driver IC was fabricated in the 0.65 μm BiCMOS process. The measured results of the output current deviation among the channels and chips are ±2.01 LSB and ±0.62 LSB, respectively. An 8-bit current mode source driver IC with the proposed current DAC is demonstrated in a 2.1inch qVGA AMOLED display. To verify the proposed current mode source driver IC, we design a current mode source driver IC with a binary-weighted type current DAC and with a segmented type current DAC, respectively. The area of the proposed current DAC is reduced by 54 % compared to the binary-weighted DAC. The area of the proposed current DAC is also smaller than the area of the segmented type current DAC by as much as 30 %. Three current mode source driver ICs were fabricated in a 0.18  m CMOS process. The binary-weighted current DAC can never be free from the glitch noise caused by the switching operation. Therefore, a switching noise cancellation method is proposed and the glitch noise of the current DAC with the switching noise cancellation method is reduced by 12.8  A. The fabricated 8-bit current mode source driver IC has an output current deviation of  0.21 LSB among the channels and it has been demonstrated in a 2.1-inch quarter video graphics array (qVGA) AMOLED display. As the size and the resolution format of an AMOLED display increase, the charging issue of current programming methods becomes more severe because the parasitic load of the data line increases and the row line time decreases, and these issues lead to a degradation of image quality. To overcome these issues, the fast current programming method using the current unity-gain amplifier is proposed. The proposed current programming method with the current amplifier is fabricated in a 0.18&#61549