專利名稱：在寬動態(tài)范圍中產(chǎn)生精確電流的方法與裝置的制作方法
在寬動態(tài)范圍中產(chǎn)生精確電流的方法與裝置有關(guān)申請的交叉參照本申請根據(jù)35U. S.C. § 119(e)要求2007年12月12日提交的美國臨時申請 60/971738的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及響應(yīng)于局部位置處經(jīng)編程的電流而在遠處位置產(chǎn)生精確且準確的電 流值的方法和裝置。準確且精確的電流值在許多應(yīng)用中都是令人期望的，這包括數(shù)模轉(zhuǎn)換、圖像顯示 驅(qū)動等應(yīng)用。例如，在有機發(fā)光二極管(0LED)顯示器中，多個像素排列成多個行和列，其中每個 像素包括兩個薄膜晶體管(TFT)、存儲電容器和0LED器件，一個TFT是尋址(或開關(guān))晶體 管，而另一個TFT則是驅(qū)動(或電源)晶體管。為了激活0LED陣列的給定像素，選中一根掃 描線(行線)，使視頻信號加載到數(shù)據(jù)線(列線)上并且輸入到驅(qū)動晶體管(通過尋址晶體 管)以控制通過0LED器件的電流。視頻信號存儲在存儲電容器上達一個幀的持續(xù)時間。0LED器件以正比于通過該器件的電流的強度進行發(fā)光。因此，電流驅(qū)動是較佳的 0LED驅(qū)動模式。然而，至少有兩個問題困擾著0LED顯示驅(qū)動器行業(yè)。0LED像素中的寬動 態(tài)范圍要求0LED亮度的較低一端處的電流要非常小。將小且精確的電流分配到0LED陣列 中的遠處像素位置這一過程可能受到系統(tǒng)偏置誤差和漏電流的不利影響，從而導(dǎo)致非均勻 的顯示亮度。另外，小電流不提供足夠的驅(qū)動以使具有較大的分布電容的列線上的電壓迅 速地穩(wěn)定。由此，在給定的視頻幀可用的時間內(nèi)為整個陣列建立像素照明的能力可能受到 影響。當(dāng)顯示分辨率增大時，上述問題會更嚴重。實際上，陣列像素可用的穩(wěn)定時間隨分辨 率增大而減小。常規(guī)顯示驅(qū)動器技術(shù)使用薄膜晶體管電路在給定的像素位置對電流進行編程或 對電壓進行編程。在電流編程過程中，通過該位置處的電流鏡，將電流發(fā)送到0LED像素。在 電壓編程過程中，通過該像素位置處的像素驅(qū)動晶體管，將電壓轉(zhuǎn)換成像素驅(qū)動電流。這些 技術(shù)證明了合理的穩(wěn)定性，但是仍然具有上述強度非均勻性的問題和穩(wěn)定時間緩慢的問題 (特別是在低電流處)。盡管與電流編程相比電壓編程技術(shù)可能使像素位置更快地穩(wěn)定，但 是這些技術(shù)具有系統(tǒng)性晶體管失配的問題并且0LED驅(qū)動電流隨0LED老化而發(fā)生偏移。照明非均勻性和穩(wěn)定時間較差等問題已使用于驅(qū)動0LED陣列的常規(guī)電流技術(shù)不 能令人滿意。結(jié)果，商用顯示器行業(yè)放緩了采用0LED技術(shù)的趨勢。由此，本領(lǐng)域需要用于將精確的電流提供給多個0LED像素位置的方法和裝置，這 些精確的電流在寬動態(tài)范圍中是準確的，呈現(xiàn)出很快的穩(wěn)定時間，并且在0LED器件老化時 還保持準確度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明一個或多個實施方式的方法和裝置提供用于產(chǎn)生驅(qū)動負載的遠處電流，包括產(chǎn)生局部電流Iref ；用數(shù)值K來放大局部電流Iref，以產(chǎn)生局部電流1( Iref ； 在另一個位置作局部電流K Iref的鏡像；響應(yīng)于局部電流K Iref的鏡像，產(chǎn)生遠處電 流K Iref ；以及使遠處電流K Iref除以匹配值K，以產(chǎn)生用于驅(qū)動所述負載的遠處電流 Iref。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個方面，一種電流驅(qū)動器電路包括局部參考電流電路，用 于產(chǎn)生局部電流Iref并且用數(shù)值K來放大Iref以產(chǎn)生局部電流1( Iref ；電流鏡電路，用 于在第一輸入處接收來自局部參考電流電路的局部電流K Iref或者將局部電流1( Iref 提供(source)給局部參考電流電路并且在第二輸入處對該電流作鏡像；以及遠處電流驅(qū) 動電路，用于響應(yīng)于局部電流1( Iref在電流鏡電路的第二輸入處產(chǎn)生遠處電流K Iref 并且使遠處電流K Iref除以匹配值K以產(chǎn)生用于驅(qū)動一負載的遠處電流Iref。局部參考電流電路可以包括上-比例電流發(fā)生器，用于使Iref放大K倍以產(chǎn)生局 部電流K-Iref.遠處電流驅(qū)動電路可以包括下-比例電流發(fā)生器，用于使遠處電流K-Iref 除以匹配值K以產(chǎn)生遠處電流Iref?？梢杂脝纹虮∧ぞw管制造技術(shù)中的比例-度量設(shè) 計來實現(xiàn)上_比例電流發(fā)生器和下_比例電流發(fā)生器。在一個或多個實施方式中，上-比例電流發(fā)生器和下-比例電流發(fā)生器可用于改 變作為Iref的大小的函數(shù)的數(shù)值K。例如，上-比例電流發(fā)生器和下_比例電流發(fā)生器可 用于隨Iref的大小減小而增大數(shù)值K，反之亦然。數(shù)值K可以是在大約100到5000之間， 比如大約是1000。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，根據(jù)本文的描述以及附圖，本發(fā)明的其它方面、特征和 優(yōu)點都將變得顯然。


為了示出，圖中有各種較佳呈現(xiàn)形式，然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于所示的精 確排列方式和手段。圖1是多個像素的顯示陣列的示意圖，每一個像素都具有根據(jù)本發(fā)明一個或多個 方面的電流驅(qū)動器；圖2是圖1的顯示陣列的列線的等效電路的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個方面的電流驅(qū)動器的框圖；圖4是適于實現(xiàn)圖3的電流驅(qū)動器的示例性電路的示意圖；以及圖5是通過測量本發(fā)明的電流驅(qū)動器的精確度而獲得的實驗結(jié)果的曲線圖。
具體實施例方式參照附圖，其中相同的標(biāo)號指示相同的元件，圖1示出了顯示陣列100 (比如0LED 陣列)的示意圖，該顯示陣列100具有排列成多行和多列的多個像素、局部電流參考電路 102和附加電路106(比如行驅(qū)動器電路)等，這對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是明顯的。 每一列112的每個像素110(比如像素(或單元)110i)包括許多電路組件，這些電路組件 用于對像素110進行尋址、存儲用于該像素的照明值以及驅(qū)動通過相關(guān)0LED器件的電流。為了激活0LED陣列100的給定像素110，選中掃描(行)線114(比如線114i)， 將照明電平(它是從期望的視頻信息幀中推出的)加到特定的列線(比如與像素110i相關(guān)的列線112i)上。行線114i的選擇激活了像素110i的尋址電路，使得照明電平存儲在 像素110i中(通常通過一個或多個電容器)并且用于設(shè)置一電流電平以便施加給該0LED 器件。像素110的0LED器件以正比于通過該器件的電流的強度進行發(fā)光。針對每一幀，為陣列100的每個像素110重復(fù)上述過程，其速率通常是每秒30幀 (每幀33毫秒)。由此，除了期望將精確的電流驅(qū)動到0LED器件中以外，必需使列線112 從初始值漸變到最終的編程電平的速率也是很重要的。參照圖2，每個列線112的等效電路 是分布式R-C電路。由此，通過線112的電流的瞬時變化和/或線112上的電壓電勢的變 化不是可能的。然而，根據(jù)本發(fā)明的一個或多個方面，列線112上的編程電流的精確度和變 化速率_以及0LED可用的電流和/或流過0LED的電流-是以本領(lǐng)域至今未被想到的方式 來處理的。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個方面的電流驅(qū)動器電路120的框圖。電流驅(qū)動器 電路120包括上述局部電流參考電路102以及遠處電流驅(qū)動器電路122。應(yīng)該理解，每一個 列線112可以包括專用的局部電流參考電路102，或者不止一個列線112可以共享單個局 部電流參考電路102。在后一種情況下，可以用多路復(fù)用電路(未示出)將給定的列線112 耦合到局部電流參考電路102達特定的時間間隔，在該特定的時間間隔內(nèi)將列線112驅(qū)動 至期望的電流和電壓電平。之后，多路復(fù)用器將下一個列線112耦合到局部電流參考電路 102達另一個間隔，如此等等。也應(yīng)該理解，陣列100的每個像素110包括專用的遠處電流 驅(qū)動器電路122。局部電流參考電路102包括精確電流參考124、上-比例電流發(fā)生器電路126和電 流鏡電路128。精確電流參考124提供(source)或接收(sink)電流Iref，該電流表示給 定像素110i的期望照明電平。使用本領(lǐng)域已知的圖形處理技術(shù)來計算Iref的特定電平， 并且通過編程線124'控制具體的數(shù)值。假定精確電流參考124接收電流，上-比例電流發(fā) 生器電路126提供電流Iref并且產(chǎn)生Iref的放大版本，以具體地產(chǎn)生局部電流K Iref。 上_比例電流發(fā)生器電路126將局部電流K 'Iref提供給電流鏡電路128的一個輸入。由 此，電流鏡電路128將通過列線112i來接收相等的電流K *lref并將該電流接收至其另一 個輸入中。在備選的實施方式中，精確電流參考124可以提供電流，上-比例電流發(fā)生器電 路126可以接收電流Iref和K Iref，并且電流鏡電路128可以提供電流K Iref。遠處電流驅(qū)動器電路122包括下-比例電流發(fā)生器電路130和負載器件132(比 如0LED器件)。下-比例電流發(fā)生器電路130通過列線112i接收“遠處”電流K Iref, 該電流是由電流鏡電路128產(chǎn)生的(假定電流鏡電路128用作電流阱)。下-比例電流發(fā) 生器電路130用于使遠處電流K Iref除以匹配值K以產(chǎn)生遠處電流Iref以便于驅(qū)動上 述負載132。設(shè)計上-比例電流發(fā)生器電路126以將比例K/1應(yīng)用于局部電流Iref，而設(shè)計 下-比例電流發(fā)生器電路130以將比例1/K應(yīng)用于遠處電流1( Iref。為了在將遠處電流 Iref編程到負載132中的過程中實現(xiàn)超高精確度，用比例-度量設(shè)計來實現(xiàn)上-比例電流 發(fā)生器電路126和下-比例電流發(fā)生器電路130的晶體管電路，可以用單片或薄膜晶體管 制造技術(shù)在共同的半導(dǎo)體芯片上實現(xiàn)該比例-度量設(shè)計。這可能導(dǎo)致乘積項K/1 1/K = 1. 000(在0. 準確度之內(nèi))。在顯示器通常所使用的薄膜晶體管技術(shù)中，該乘積項的精 確度得到提高，因為在薄膜晶體管技術(shù)的隔離的臺面結(jié)構(gòu)中并不存在電流鏡誤差的主要來源，即基板漏電流。正是該乘積項的準確度改善了通過(0LED)負載132的編程的遠處電 流Iref的精確度并且解決了現(xiàn)有技術(shù)中顯著的非均勻照明的問題。另外，使用上_比例和 下-比例電流發(fā)生器電路126、130的比例_度量設(shè)計，可確保在非常寬的動態(tài)范圍上(從 大約6nA到大約6uA)的精確度。有利的是，列線上的穩(wěn)定時間比現(xiàn)有技術(shù)中的情況要快很多，特別是在較低的電 流編程電平處。實際上，通過使用介于約100和5000之間的K值(比如額定值1000)，提 供(或接收)列線112i上的遠處電流K Iref的電流的大小顯著高于(即高出K倍)若 不使用上_比例電流發(fā)生器電路126的情況(現(xiàn)有技術(shù)中正是這種情況)。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式，上-比例電流發(fā)生器電路126和下_比例電 流發(fā)生器電路130可用于改變作為Iref的大小的函數(shù)的數(shù)值K。當(dāng)局部電流Iref的編程 的電平是相對較低時，比如在lOnA的量級上，期望具有相對較高的K。在使用高K的情況 下，漏電流(和其它電路非理想狀況)的影響在與電流!( Iref的大小相比時變得不太重 要，并且由此實現(xiàn)了編程的遠處電流Iref的精確度。同時，相對較高的K確保減小了列線 112的穩(wěn)定時間，同樣是因為更高的K Iref的大小能對抗列線112的固定的分布電容。另一方面，當(dāng)編程的局部電流Iref的大小是相對較高時，比如幾百個nA，非常高 的K可能導(dǎo)致過大的功率耗散和/或用于過激勵該電路的多個部分的電勢。由此，上_比例 電流發(fā)生器電路126和下-比例電流發(fā)生器電路130可用于分別通過線126'和130'上 的控制信號在Iref的大小減小時使數(shù)值K增大并且在Iref的大小增大時使數(shù)值K減小。 不需要控制線來調(diào)整作為局部電流Iref的函數(shù)的K。實際上，因M0SFET的本征傳導(dǎo)性質(zhì)， K是該電流大小的反函數(shù)。圖4是適于實現(xiàn)圖3的電流驅(qū)動器電路120的示例性電路的示意圖。使用以地為 參考的可編程電流源來實現(xiàn)精確電流參考124。使用PM0S晶體管TR1、TR2、TR3和TR4來 實現(xiàn)上_比例電流發(fā)生器電路126，其配置與增益可使得TR3與TR4傳輸K倍的電流Iref。 如參考上-比例電流發(fā)生器電路126的TR1、TR2、TR3和TR4那樣，在比例-度量設(shè)計中，使 用匹配的PM0S晶體管TR1'、TR2'、TR3'和TR4'來實現(xiàn)下-比例電流發(fā)生器電路130。 由此，乘積項K/l -1/K非常接近于1。使用NM0S晶體管TR6、TR7、TR8和TR9來實現(xiàn)電流鏡 電路128，其配置和增益可使得在列線112i上流動的局部電流K *Iref和遠處電流K-Iref 是密切匹配的。晶體管TR3'和TR4'的寄生電容(柵極電容)存儲了一個電壓，該電壓表示期望 的遠處電流Iref以便于傳遞到負載132。因此，精確的遠處電流Iref流入圖中被顯示成 0LED的負載器件132中。PM0S晶體管上所存儲的柵極電壓越低，電流Iref就越高，對于給 定的像素110而言來自0LED的光發(fā)射就越大。圖5是通過測量本發(fā)明的電流驅(qū)動器電路120的精確度而獲得的實驗結(jié)果的曲 線圖。該曲線圖的Y軸是在遠處電流Iref和局部電流Iref之間的百分比偏移，而X軸是 Iref的大小。按數(shù)學(xué)形式，該曲線圖示出了| [局部 Iref-遠處 Iref]/局部 Iref |。因為百分比偏移是一個絕對值，所以該曲線圖自身有疊影。如圖所示，在局部Iref 值介于0和160nA之間時，％誤差接近于零，然后，開始增大。在電流Iref的大小的約三 個量級上，遠處電流Iref的值準確到局部電流Iref的值的約之內(nèi)。
上文已證明本發(fā)明的各個方面具有在0LED陣列中的應(yīng)用，然而，本發(fā)明的一個或 多個方面也具有在其它技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，實際上，可應(yīng)用于在寬動態(tài)范圍中需要精確電 流的任何應(yīng)用。例如，在數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)中使用微功率電流電平的那些應(yīng)用。實際上，通 過在DAC中使用本發(fā)明的電流驅(qū)動器(如本領(lǐng)域技術(shù)人員從本學(xué)說可容易地明了的那樣)， 10位電流DAC將產(chǎn)生在三個量級的大小的范圍中均是準確的電流輸出?？梢杂帽景l(fā)明的 諸多方面使DAC核中因系統(tǒng)性偏置和漏電流所引入的不準確達到最小。本發(fā)明的另一個應(yīng) 用是在用于模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)的大量并行連接的電路中。設(shè)計這些電路使之在寬動態(tài)范圍 中分配小數(shù)值的精確電流。本領(lǐng)域的技術(shù)人員從本學(xué)說可很容易地適配本發(fā)明的電流驅(qū)動 器，以在這些并行連接上提供納安級的電流，其分辨率是千分之幾。盡管已參照特定的實施方式描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，這些實施方式僅僅示 出了本發(fā)明的原理和應(yīng)用。因此，應(yīng)該理解，可以對這些示出的實施方式作出大量的修改， 在不背離權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以設(shè)想出其它排列方式。
權(quán)利要求
一種電流驅(qū)動器電路，包括局部參考電流電路，用于產(chǎn)生局部電流Iref并且用數(shù)值K來放大Iref以產(chǎn)生局部電流K·Iref；電流鏡電路，用于在第一輸入處接收來自局部參考電流電路的局部電流K·Iref或者將局部電流K·Iref提供給局部參考電流電路并且在第二輸入處形成該電流的鏡像；以及遠處電流驅(qū)動電路，用于響應(yīng)于局部電流K·Iref在電流鏡電路的第二輸入處產(chǎn)生遠處電流K·Iref，并且使遠處電流K·Iref除以匹配值K以產(chǎn)生用于驅(qū)動一負載的遠處電流Iref。
2.如權(quán)利要求1所述的電流驅(qū)動器電路，其特征在于，局部參考電流電路包括上-比例電流發(fā)生器，用于使Iref放大K倍以產(chǎn)生局部電流 K · Iref ；遠處電流驅(qū)動電路包括下_比例電流發(fā)生器，用于使遠處電流K · Iref除以匹配值K 以產(chǎn)生遠處電流Iref ；以及使用比例-度量設(shè)計在共同的半導(dǎo)體芯片上實現(xiàn)上-比例電流發(fā)生器和下-比例電流 發(fā)生器。
3.如權(quán)利要求2所述的電流驅(qū)動器電路，其特征在于，上_比例電流發(fā)生器和下_比例電流發(fā)生器用于根據(jù)Iref的大小來改變數(shù)值K。
4.如權(quán)利要求3所述的電流驅(qū)動器電路，其特征在于，上_比例電流發(fā)生器和下_比例電流發(fā)生器用于隨Iref的大小減小而增大數(shù)值K，反 之亦然。
5.如權(quán)利要求1所述的電流驅(qū)動器電路，其特征在于，數(shù)值K是下列之一在大約100到大約5000之間；以及大約1000。
6.如權(quán)利要求1所述的電流驅(qū)動器電路，其特征在于，在電流Iref的大小的約三個量級上，遠處電流Iref的值準確到局部電流Iref的值的 約之內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的電流驅(qū)動器電路，其特征在于，遠處電流Iref的值準確到低至約6nA的局部電流Iref的值的約之內(nèi)。
8.一種用于有機發(fā)光二極管(OLED)陣列的電流驅(qū)動器電路，包括局部參考電流電路，用于產(chǎn)生局部電流Iref，并且用數(shù)值K來放大Iref以產(chǎn)生局部電 流 K · Iref ；電流鏡電路，用于在第一輸入處接收來自局部參考電流電路的局部電流K · Iref或者 將局部電流K · Iref提供給局部參考電流電路，并且在第二輸入處形成該電流的鏡像；以及遠處電流驅(qū)動電路，用于在OLED陣列的列線上產(chǎn)生遠處電流K*Iref以便響應(yīng)于局部 電流K · Iref而將電流提供給電流鏡電路的第二輸入或者接收來自電流鏡電路的第二輸入 的電流，還用于使遠處電流K · Iref除以匹配值K以產(chǎn)生遠處電流Iref以便驅(qū)動OLED陣 列的給定像素處的0LED。
9.一種產(chǎn)生用于驅(qū)動一負載的遠處電流的方法，包括產(chǎn)生局部電流Iref;用數(shù)值K來放大局部電流Iref，以產(chǎn)生局部電流K · Iref ；在另一個位置形成局部電流K Iref的鏡像；響應(yīng)于局部電流1( Iref的鏡像，產(chǎn)生遠處電流1( Iref ；以及使遠處電流K Iref除以匹配值K，以產(chǎn)生用于驅(qū)動所述負載的遠處電流Iref。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括 根據(jù)Iref 的大小，改變數(shù)值K。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括隨Iref的大小減小而增大數(shù)值K，反之亦然。
全文摘要
提供用于產(chǎn)生驅(qū)動一負載的遠處電流的方法和裝置，包括產(chǎn)生局部電流Iref；用數(shù)值K來放大局部電流Iref，以產(chǎn)生局部電流K·Iref；在另一個位置形成局部電流K·Iref的鏡像；響應(yīng)于局部電流K·Iref的鏡像，產(chǎn)生遠處電流K·Iref；以及使遠處電流K·Iref除以匹配值K，以產(chǎn)生用于驅(qū)動所述負載的遠處電流Iref。
文檔編號G09G3/32GK101878498SQ200880111841
公開日2010年11月3日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月12日
發(fā)明者C·A·威廉姆斯, C·J·納薩爾, R·J·鮑曼 申請人:康寧股份有限公司;羅徹斯特理工學(xué)院