256 级灰度显示 - 基于FPGA的OLED真彩色显示设计

摘要利用FPGA 控制模块，设计了OLED 真彩色动态图像驱动控制电路。介绍采用FPGA 实现OLED 外围控制电路和256 级灰度的方法，并分析电路中模块的作用及整个电路的工作过程。电路系统采用基于Altera 公司的FPGA技术进行设计，以Verilog HDL 为描述语言，Modelsim 仿真结果表明，该方案能够实现预定目标，实现480 × RGB ×640 彩色OLED 屏256 级灰度显示。

作为第3 代显示器，有机电致发光器件（ OrganicLight Emitting Diode，OLED） 由于其主动发光、响应快、高亮度、全视角、直流低压驱动、全固态以及不易受环境影响等优异特性，具有LCD 无法比拟的优点，在手机、个人电子助理（ PDA） 、数码相机、车载显示、笔记本电脑、壁挂电视以及军事领域都具有广阔的应用前景，因而得到了业界广泛的关注。OLED 发展至今，已经由最初的单色发展到现在的全彩，与此同时对驱动电路也提出了更高的要求，由最初的无灰阶单色静态驱动，到彩色动态驱动。

目前，OLED 的研究重点是研制高稳定性的器件以达到实用化的要求，但同时研究实现高质量动态显示的驱动技术也很重要，因为只有结合良好的驱动技术，提高反应速度和分辨率，才能表现出OLED 的优异特点。然而，单色OLED 显示就要求驱动电压具有较高的控制精度，彩色OLED 显示如要同时精确地控制RGB 三基色的灰度，实现起来难度更大。为实现真彩色，R、G、B 三基色要各自实现256 级灰阶。文中所述电路属于全彩色动态驱动电路，将对其256 级灰度显示以及外围驱动进行研究与设计，为今后大尺寸OLED 显示器提供一个可行的技术方案。

1 驱动控制系统设计

显示器性能的好坏，一方面取决于显示器的制作材料，另一方面取决于显示器的驱动电路系统。驱动电路系统是保证显示器正常工作必不可少的部分，对显示性能起着举足轻重的作用，驱动电路系统的不同会导致显示器显示色彩、亮度以及显示的灰度、响应时间、功耗等显示器参数。而OLED 显示屏需要专用的控制驱动芯片，只有OLED 屏与驱动控制芯片的成功结合，才能推动OLED 的发展从而取代LCD.然而，目前国内外对OLED 研究的热点主要在器件与材料上，关于驱动电路和灰度控制方面的研究相对较少，现有的OLED 驱动电路集成度低，针对OLED 特性的扫描效率优化度也不高。因此，设计高性能的OLED 驱动电路，成为显示领域一个亟待解决的问题。文中在现有的研究基础上，自行设计了分辨率为480 × 640 彩色OLED 屏外围驱动电路，并对256 级灰度实现方法进行了优化，使其与OLED 完美结合，从而进一步推动OLED 向前发展。

1. 1 OLED 像素单元电路

对于OLED 驱动控制系统的实现，关键技术在于数据的写入和扫描控制，图1 是单个像素的双管驱动电路。一个TFT 用来寻址，另一个是电流调制晶体管，用来为OLED 提供电流。为防止OLED 开启电压的变化导致电流变化，使用的是P 沟器件，这样，OLED处于驱动TFT 的漏端，源电压与有机层上的电压无关。

　　图1 OLED 双管驱动电路

Data Line 与寻址TFT 的源级相连，Scan Line 使地址TFT 选通，数据线上的内容通过漏电流写入到存储电容CS上，并以电荷的形式暂存。

当Power Line 为高电平时，驱动TFT 的源级为高电平，同时CS上的电荷，将选通驱动TFT，其漏电流流过OLED 显示器件，驱动其发光。数据线电平的高低决定了像素的亮暗。
1. 2 256 级灰度显示

所谓图像的灰度等级就是指图像亮度深浅的层次，将基色的发光亮度按强度大小划分，就是灰度级。

显示屏能产生的灰度级越高，显示的颜色和图像层次就越多。而且人的视觉系统对亮度强弱的感受不仅与亮度本身的强弱相关，还与发光时间和点亮面积有关，在一定时间范围内，点亮时问越长、面积越大，人眼感觉的发光强度就越强。因而利用人眼对快速的亮暗闪烁并不敏感的“暂留”效应，变换发光体的点亮时间和面积来区分亮度，就会形成一种不同灰度级画面的视觉，一般灰度级越高，所显示的颜色和图像层次就越多，图像越柔和，图像层次越逼真。高灰度级以及有效的灰度调制方式对高清晰度显示的发展极其重要，目前OLED 显示驱动一个亟需解决的是灰度的精确性问题。

OLED 显示屏是可以用传统的模拟电压控制法来实现灰度，问题在于： 亮度和数据电压之间呈非线性关系，缺少一个渐变的易于控制的线性区间，因此，采用模拟电压法调节发光强度，难以精确、有效地实现OLED 的灰度级显示，现在总的趋势是使用数字驱动电路。

　　图2 分时显示示意图。

数字驱动电路的困难在于工作频率比模拟驱动电路高得多，现阶段较为实用的灰度调制