无源驱动OLED模组电路设计综述Word文档下载推荐.docx
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2005年韩国SUMSING推出了一款40英寸的OLED屏幕，可支持1280×
800的超高分辨率，同时具有600流明的亮度，对比度达到5000：
1，且厚度只有3CM。
2005年以后，OLED走向成熟化。
国际上OLED研发的单位较多，但核心技术主要掌握在欧美手中，尤其是高分子/聚合物OLED和柔性OLED方面的核心技术。
在OLED产业化应用方面，三星和LG走在前列。
全球OLED生产线达到24条以上，其中日本6条，韩国5条，中国大陆2条，台湾地区11条[15]。
我国到目前为止，已经有30多家高校和研究所在从事OLED的研发工作。
从2000年起，国内已有北京、上海、长春、深圳、东莞等地的多家公司开始介入OLED产业，主要有维信诺、四川虹视、信利、广东中显、吉林环宇、彩虹平板显示公司等[16]。
1.3OLED介绍
1.3.1OLED结构
有机发光二极管又称为有机电激光显示（OrganicLight-EmittingDiode，OLED），由美籍华裔教授邓青云在实验室中发现，由此展开了对OLED的研究[17]。
OLED显示技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且OLED显示屏幕可视角度大，并且能够节省电能[18-20]。
OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物（ITO），与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。
整个结构层中包括了：
空穴传输层（HTL）、发光层（EL）与电子传输层（ETL）。
具体部分如下：
1）基层--基层用来支撑整个OLED.
2）阳极--阳极在电流流过设备时消除电子。
3）有机层--有机层由有机物分子或有机聚合物构成。
4）导电层--该层由有机塑料分子构成，这些分子传输由阳极而来的“空穴”。
可采用聚苯胺作为OLED的导电聚合物。
5）发射层--该层由有机塑料分子构成，这些分子传输从阴极而来的电子;
发光过程在这一层进行。
可采用聚芴作为发射层聚合物。
6）阴极--当设备内有电流流通时，阴极会将电子注入电路。
1.3.2OLED显示原理
当元件受到直流电所衍生的顺向偏压时，外加之电压能量将驱动电子与空穴分别由阴极与阳极注入元件，当两者在传导中相遇、结合，即形成所谓的电子-空穴复合。
而当化学分子受到外来能量激发後，若电子自旋和基态电子成对，则为单重态（Singlet），其所释放的光为所谓的荧光反之，若激发态电子和基态电子自旋不成对且平行，则称为三重态其所释放的光为所谓的磷光[21]。
当电子的状态位置由激态高能阶回到稳态低能阶时，其能量将分别以光子（或热能（Heat的方式放出，其中光子的部分可被利用当做显示功能，依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色，构成基本色彩。
OLED的特性是自己发光，不像TFTLCD需要背光，因此可视度和亮度均高[22-24]。
1.3.3OLED发光过程
OLED的发光过程通常由以下5个阶段完成[25-26]。
1）在外加电场的作用下载流子的注入：
电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜注入。
2）载流子的迁移：
注入的电子和空穴分别从电子输送层和空穴输送层向发光层迁移。
3）载流子的复合：
电子和空穴复合产生激子。
4）激子的迁移：
激子在电场的作用下迁移，能量传递给发光分子，并激发电子从基态跃迁到激发态。
5）电致发光：
激发态能量通过辐射跃迁，产生光子，释放出能量。
1.3.4OLED的应用
OLED可以应用在照明和显示技术两个方面。
与其它照明光源相比，以平面发光为特点的OLED具有更容易实现白光、超薄光源和任意形状光源的优点，同时具有高效、环保、安全等优势[27]。
因此，白光OLED作为一种新型的固态光源，在照明和平板显示背光源等方面展示了良好的应用前景。
市场调研公司NanoMarkets预测，使用OLED的照明市场的产值规模在2014年将扩大至10亿美元。
目前，高效率、长寿命的白光器件的研究是OLED在照明领域发展的重点。
磷光材料由于具有高效特征，因此在白光照明领域被广泛看好[28]。
白光OLED的发展目标，是成为真正的低成本、高效率、长寿命的平板白光光源。
在过去十多年的研究工作中，白光OLED在效率和寿命方面都取得了长足的进步，但距实用化和商品化还有一定的距离。
白光OLED面临的挑战是提高器件在高电流工作状态下的效率和寿命。
新材料和新结构的开发和使用有望解决这两方面的困难。
近年来，欧美各国在OLED照明领域投入相对大的资金。
GE、UDC、Osram公司获得了美国政府的项目支持，开发OLED照明技术。
美国能源部在OLED照明光源技术发展规划中指出：
2007年，用于照明的白光OLED效率将达到50lm/W、寿命超过5000小时；
2012年，其效率将达到150lm/W、寿命超过1万小时、制作成本也会大幅下降[29]。
对于显示领域来说，现阶段OLED屏幕已被应用到电视机、监视器、笔记本电脑、GPS导航、移动电话、MP3等许多设备上。
尤其在MP3屏幕的应用领域属于新崛起的种类，被誉为“梦幻显示屏”。
它无需背光灯，而是“主动发光”。
以BenQJoybee180的OLED液晶屏为例，它摒弃了传统LCD的缺点，每个像素都可自行发光，不管在什么角度什么光线下都可以比传统LCD显示更加清晰的画面，而且环境越黑屏幕越亮，犹如夜间的莹彩精灵。
除了带来全新的视觉感受之外，OLED还有很多LCD面板无法比拟的优点。
比如可以使MP3做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著节省电能[30]。
1.4OLED的特点
1.4.1OLED的优缺点
OLED有以下优点：
1）厚度可以小于1毫米，仅为LCD屏幕的1/3，并且重量也更轻；
2）固态机构，没有液体物质，因此抗震性能更好，不怕摔；
3）几乎没有可视角度的问题，即使在很大的视角下观看，画面仍然不失真；
4）响应时间是LCD的千分之一，显示运动画面绝对不会有拖影的现象；
5）低温特性好，在零下40度时仍能正常显示，而LCD则无法做到；
6）制造工艺简单，成本更低；
7）发光效率更高，能耗比LCD要低；
8）能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器[31]。
我们看到OLED相比目前主流的LCD有一些无法比拟的优势，当然目前的OLED还存在一些缺点需要技术上的解决，当这些问题解决后将会是OLED大面积走入市场主流的之：
1）OLED寿命通常只有5000小时，要低于LCD至少1万小时的寿命；
2）不能实现大尺寸屏幕的量产，因此目前只适用于便携类的数码类产品；
3）存在色彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩。
4）OLED的知识产权基本被美国垄达和日本的几家公司垄断，目前仅垄达即垄断有近百项专利，并且目前还在以每年几十项的速度增长，而且它们目前也不愿轻易出卖授权，这对于一些开发，是一个较难跨越的门槛[32]。
1.4.2OLED与TFT-LCD的比较
表1-1OLED与TFT-LCD的比较[33]
参数
OLED
TFT-LCD
发光方式
自发光
需要背光源模组
响应时间
几个微秒
40毫秒
视角
>
170度
120度
发光效率
15lm/W
4~8lm/W
能耗
可至1mw，比背光源LCD低
使用背光源，能耗大
厚度
0.5～1.5mm
含背光源有5mm
操作温度
－40°
C～85°
C0～50°
C
抗震性能
器件为全固态，胜任汽车、飞机等各种震动工作环境。
液晶材料抗震性能差
环保性能
材料满足绿色环保要求
使用含有水银等有害物质的背光源
制造成本
大规模量产后，制造成本要比LCD低40％左右
更复杂的工艺和更多材料使制造成本相对要高
制造工艺
结构远比LCD简单
需要背光源等更多组件
柔性设计
可采用能弯曲的塑胶基板
不能实现柔性显示
重量
手机应用中少于1g
手机应用大约9g
彩色方式
RGB三色有机发光材料或彩色滤光片等多种方式
彩色滤光片
显示尺寸
具有达到500英寸
28英寸已经商品化
1.5本课题的研究目的和意义
虽然OLED有诸多的优点，国际上众多公司都在研究、设计和生产OLED产品，但OLED并没有实现像TFT-LCD如今的普及，说明OLED在细节方面还有一些不足，这也说明了OLED具有很大的发展空间。
目前国际上对于OLED的研究和产品比较多，但这些专利和核心技术都被国外占有，这样我国的OLED产业发展就相当困难。
因此，对于OLED驱动电路的研究设计有非常重要的意义。
1.6本课题研究内容
本课题研究内容为无源驱动OLED模组电路设计，即设计128×
64像素的无源OLED驱动电路，并且编写驱动程序，点亮OLED屏幕。
具体需要从以下几个方面开展工作：
1）查找并熟悉OLED屏幕资料；
2）选择合适的驱动IC并熟悉该IC的试用说明书。
本次设计使用的驱动IC是SSD1306，因此需要熟悉SSD1306的资料。
3）设计驱动IC（SSD1306）与OLED屏幕的接口电路、驱动IC（SSD1306）与80C51单片机的接口电路，包括51单片机最小系统电路。
4）用Protues画出接口电路的原理图，用Protel画出COF封装的版图，用Autocad画出COG封装的版图。
5）用Keil软件编写程序，可参考驱动IC（SSD1306）资料中的初始化、显示程序。
6）利用烧录软件将程序导入单片机，连接单片机与屏幕的电路并按照程序设定点亮OLED屏幕。
2OLED驱动方式及芯片介绍
2.1OLED屏幕的驱动方式
2.1.1PMOLED
按驱动方式的不同，可将OLED分为被动式驱动（PMOLED/无源驱动）和主动式驱动（AMOLED/有源驱动）。
PMOLED单纯地以阴极、阳极构成矩阵状，以扫描方式点亮阵列中的像素，每个像素都是操作在短脉冲模式下，为瞬间高亮度发光。
优点是结构简单，可以有效降低成本，然而驱动电压高，使PMOLED不适合应用在大尺寸与高分辨率面板上，与现在的发展有所出入[34-35]。
图2-1无源OLED像素等效结构
2.1.2AMOLED
有源驱动的每个像素配备具有开关功能的低温多晶硅薄膜晶体管而且每个像素配备一个电荷存储电容，外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一玻璃基板上。
与LCD相同的TFT结构，无法用于OLED。
这是因为LCD采用电压驱动，而OLED却依赖电流驱动，其亮度与电流量成正比，因此除了进行ON/OFF切换动作的选址TFT之外，还需要能让足够电流通过的导通阻抗较低的小型驱动TFT。
优点是驱动电压低，发光组件寿命长。
不过高成本及制作工艺更为复杂，在成本上更难以控制。
图2-2有源OLED像素等效结构
2.2驱动芯片SSD1306
2.2.1SSD1306特点
SSD1306是一个控制OLED或PLED显示系统的驱动器，它有128个SEG接口和64个COM接口。
该IC是为共阴OLED面板所设计。
SSD1306嵌入了对比控制、显示RAM和减少外部组件以及电力消耗的振荡器，它有256阶亮度控制。
D/C可以用普通单片机通过硬件选择6800/8000系列并行接口，也可选择IIC接口或串行外围接口。
该驱动器适用于许多紧凑型的便携式应用程序，如手机、MP3播放器、计算器等。
主要功能如下：
1）分辨率：
128×
64点阵面板
2）VDD=1.65V-3.3V
3）VCC=7V-15V
4）OLED驱动输出电压最大15V
5）SEG端最大拉电流：
100uA
6）COM端最大灌电流：
15mA
7）256阶对比亮度电流控制
8）嵌入式的128×
64位SRAM显示缓冲区
9）在水平和垂直方向的连续滚动屏幕保护功能
10）RAM写同步信号
11）可编程的帧速率和多路复用比率
12）可布局为COF或COG
13）广泛的工作温度：
-40℃至85℃
SSD1306芯片内部模块如下：
图2-3SSD1306内部模块
2.2.2SSD1306的引脚及驱动方式
SSD1306共有281个引脚，除去128个SEG引脚、64个COM引脚和若干预留引脚，剩下的功能引脚简单介绍如下：
表2-1SSD1306引脚
引脚名称
描述
VDD
为核心逻辑操作供电
VCC
为面板驱动供电
VSS
接地
VLSS
一个模拟接地，应该被连接到外部VSS
VCOMH
消除COM信号电压水平
VBAT
预留引脚，接VDD
BS[2:
0]
为MCU提供总线接口选择。
详见表2-2。
IREF
SEG输出电流参考引脚。
详见图3-8。
RES#
复位信号输入。
低电平有效。
CS#
片选引脚
D/C#
D/C控制引脚。
当为高电平时，D[7：
0]口的数据被视为数据；
当为低电平时，D[7：
0]的数据被转移到数据寄存器。
E（RD#）
当连接6800MCU时，此引脚作为启用信号。
为高电平时芯片被选中并且发起W/R操作。
当连接到8080MCU时，接收读取信号。
此引脚拉低且芯片选择时启动读取操作。
当选择了串行接口时，该引脚必须连接到vss。
R/W#（WR#）
这是读/写控制输入的引脚连接到单片机接口。
D[7:
这些都是8位双向数据总线连接到MCU的数据总线。
详见表2-3.
SSD1306的接口模式有5种，分别为8080模式、6800模式、IIC模式以及3线SPI和4线SPI模式。
可通过BS[2:
0]三个引脚进行总线接口选择。
本次设计选用的总线接口模式为4线SPI，即将BS[2:
0]串联1K阻值的电阻再接到VSS。
具体选择方式如下：
表2-2SSD1306总线接口模式
PinName
8080
6800
IIC
3线SPI
4线SPI
BS0
1
BS1
BS2
注：
0即连接到VSS；
1即连接到VDD。
SSD1306的数据接口D[7:
0]在不同的总线接口模式下也有不同的接法。
对于4线SPI接口模式，需要将D0引脚作为时钟信号输入，D1作为数据输入，D2不连，D[7:
3]接地，引脚E和R/W#接地，其他不变。
具体方式如下：
表2-3不同总线模式下的MCU接口
总线接口
D/C接口
控制信号
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
E
R/W#
RD#
WR#
不连
SDIN
SDLK
SDAOUT
SDAIN
SCL
2.38051单片机
2.3.18051单片机特点
8051是一种8位元的单芯片微控制器，集成CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片上。
因其简单实用，且应用范围广，所以8051单片机有很好的市场和研究人群。
其主要特性有：
1）一个8位的微处理器（CPU）。
2）片内数据存储器RAM（128B/256B），用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89系列单片机最多提供1K的RAM。
3）片内程序存储器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。
但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31等。
目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。
SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器，可供用户根据需要选用。
4）四个8位并行I/O接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。
5）两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。
为方便设计串行通信，目前的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。
6）五个中断源的中断控制系统。
7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。
8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率为12MHz。
SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度[36]。
2.3.28051单片机引脚
51系列单片机共有40个引脚，主要引脚功能如下：
表2-4单片机主要引脚功能
引脚
功能
电源
RST/VPD
复位/备用电源线。
详见图
XTAL1
晶体1反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入
P1[7:
P1口是带内部上拉的双向I/O口。
向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。
ALE
地址锁存使能
PSEN
程序存储使能
EA/Vpp
外部寻址使能/编程
XTAL2
晶体2反相振荡放大器输出
PLCC封装的8051引脚如下图：
图2-4PLCC-8051引脚图
3OLED模块驱动控制电路设计
3.1OLED模块电路设计综述
本次设计的大体框架是用驱动ICSSD1
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