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TWI872765B - 具有屏內感測功能的顯示裝置 - Google Patents

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TWI872765B
TWI872765B TW112141645A TW112141645A TWI872765B TW I872765 B TWI872765 B TW I872765B TW 112141645 A TW112141645 A TW 112141645A TW 112141645 A TW112141645 A TW 112141645A TW I872765 B TWI872765 B TW I872765B
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TW
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transistor
voltage
node
turned
sensing
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TW112141645A
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TW202420281A (zh
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印秉宏
王佳祥
呂家賢
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大陸商廣州印芯半導體技術有限公司
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Abstract

本發明提出一種顯示裝置，包括：複數個子像素區域，各包括一像素電路，每個像素電路包括：一二極體，在該像素電路的一顯示階段中被設置為一順向偏壓狀態，以用於發光，以及在該像素電路的一感測階段中被設置為一逆向偏壓狀態，以用於產生一感測電壓；一第一電路，藉由施加閘極控制訊號至每個像素電路，以使每個像素電路分別在該顯示階段以及該感測階段之間切換；以及一第二電路，包括複數個讀出電路，每個讀出電路包括：一運算放大器，用於在該感測階段中將該感測電壓讀出。

Description

具有屏內感測功能的顯示裝置
本發明係關於一種顯示裝置，特別是一種能夠在同一個像素電路中同時實現顯示與感測兩種功能以具有屏內感測功能的顯示裝置。
一般來說，顯示裝置僅具備顯示功能。有些顯示裝置同時具有顯示和觸控功能。然而，當需要進行感測時，例如，當需要使用光學指紋感測器（Optical Fingerprint Sensor, OFPS）進行感測時，光學指紋感測器會需要以另一個獨立的裝置實施。此外，當在顯示裝置下方貼合光學式感測模組時，會產生額外的成本、額外的厚度、以及貼合時的額外良率風險。
此外，由於感測的面積取決於感測器的面積，因此，感測的面積會遠小於整個面板的面積。另外，由於光學式感測模組係貼合於顯示裝置的下方，被感測物件與感測器之間的元件會導致光被遮擋。
因此，需要提供一種能將感測功能以及顯示功能整合在同一個像素電路的顯示裝置，以克服上述問題。
為達到有效解決上述問題之目的，本發明提出一種顯示裝置，包括：複數個子像素區域，各包括一像素電路，每個像素電路包括：一二極體，在該像素電路的一顯示階段中被設置為一順向偏壓狀態，以用於發光，以及在該像素電路的一感測階段中被設置為一逆向偏壓狀態，以用於產生一感測電壓；一驅動電晶體，用於在該顯示階段中驅動該二極體；第一至第五電晶體，該第一至第五電晶體的閘極分別被施加第一至第五閘極控制訊號，以使該像素電路在該顯示階段以及該感測階段之間切換；以及一儲存電容，用於在該顯示階段中儲存要寫入該二極體的一資料電壓；一第一電路，藉由施加該等五個閘極控制訊號至每個像素電路，以使每個像素電路分別在該顯示階段以及該感測階段之間切換；以及一第二電路，用於施加該資料電壓、一驅動電壓以及一共用電壓，且該第二電路包括複數個讀出電路，每個讀出電路包括：一運算放大器，用於在該感測階段中將該感測電壓讀出。
較佳地，其中，每個讀出電路對應並且連接至同一行的複數個像素電路，以將該行的該等像素電路中的該感測電壓放大以及讀出。
較佳地，在每個像素電路中，該第一電晶體的一第一電極連接至該驅動電壓，該第一電晶體的一第二電極連接至一第一節點，該第二電晶體的一第一電極連接至該第一節點，該第二電晶體的一第二電極連接至一第二節點，該第三電晶體的一第一電極被施加該資料電壓，該第三電晶體的一第二電極連接至一第三節點，該第四電晶體的一第一電極連接至該第三節點，該第四電晶體的一第二電極連接至一第四節點，該第五電晶體的一第一電極連接至該第四節點，該第五電晶體的一第二電極連接至該讀出電路的一第五節點，該驅動電晶體的一閘極連接至該第二節點，該驅動電晶體的一第一電極連接至該第一節點，該驅動電晶體的一第二電極連接至該第四節點，該二極體的一第一電極連接至該第四節點，該二極體的一第二電極被施加該共用電壓，以及該儲存電容的兩端分別連接至該第二節點以及該第三節點。
較佳地，每個讀出電路進一步包括：一讀出電晶體，其一第一電極連接至該第五節點，一第二電極施加有一第一讀出電壓，一閘極施加有一第六閘極控制訊號；一第一電容，兩端分別連接至該第五節點以及一第六節點；一第二電容，兩端分別連接至該第六節點以及該運算放大器的一輸出端；一第三電容，一端連接至該第六節點以及另一端施加有一第二讀出電壓；以及一放大器開關，一端連接至該運算放大器的該輸出端，一端連接至該第六節點，其中，該運算放大器的一正端連接至一參考電壓、一負端連接至該第六節點，以用於在感測階段中根據該感測電壓、該第一電容以及該第二電容在該輸出端輸出一放大電壓。
較佳地，該感測階段包括：一第一感測階段，用於初始化該二極體，以使該二極體處於該逆向偏壓狀態；一第二感測階段，使該二極體累積電荷於該第四節點；以及一第三感測階段，將該感測電壓儲存至該第一電容，且使用該運算放大器將該感測電壓讀出。
較佳地，在該第一感測階段中：該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第二電晶體、該第三電晶體、該第五電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第一電晶體以及該第四電晶體為關斷；以及該放大器開關維持開啟、該第一讀出電壓為一負電壓、該資料電壓為該負電壓、該第二讀出電壓為與該共用電壓相同的一接地位準。在該第二感測階段中：該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第四電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體以及該第五電晶體為關斷；以及該放大器開關維持開啟、該第一讀出電壓為該負電壓、該資料電壓為該接地位準、該第二讀出電壓為該接地位準。在該第三感測階段中：該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第一電晶體在一第一時間點之後的一第二時間點從關斷轉為導通、使該第二電晶體為關斷、使該第三電晶體為導通、使該第四電晶體為關斷、使該第五電晶體為導通、使該讀出電晶體為關斷；以及該放大器開關在該第一時間點從開啟變為關閉、該第一讀出電壓為該負電壓、該資料電壓為該接地位準、以及該第二讀出電壓在該第二時間點從該接地位準變為該負電壓。
較佳地，該顯示階段包括：一第1-1顯示階段，用於將該像素電路預充電；一第1-2顯示階段，用於寫入該資料電壓；一第1-3顯示階段，用於預備使該二極體發光；以及一第二感測階段，用於使該二極體根據該資料電壓發光。
較佳地，在該第1-1顯示階段中，該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、該第五電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第四電晶體為關斷。在該第1-2顯示階段中，該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第二電晶體、該第三電晶體、該第五電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第一電晶體與該第四電晶體為關斷。在該第1-3顯示階段中，該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該讀出電晶體為導通，該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、該第四電晶體、以及該第五電晶體為關斷。在該第二顯示階段中，該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第一電晶體、該第四電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第二電晶體、該第三電晶體以及該第五電晶體為關斷。在該顯示階段中，該放大器開關維持開啟、該第一讀出電壓為一接地位準、以及該第二讀出電壓為與該共用電壓相同的一接地位準。
較佳地，該二極體包括微發光二極體、次毫米發光二極體、以及有機發光二極體其中之一。
較佳地，該等電晶體包括P型金氧半場效電晶體、N型金氧半場效電晶體、薄膜電晶體、低溫多晶矽薄膜電晶體、低溫多晶氧化物薄膜電晶體其中之一或其組合。
爲使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳加說明如下。
現在將參考其中示出本發明概念的示例性實施例的附圖在下文中更充分地闡述本發明概念。以下藉由參考附圖更詳細地闡述的示例性實施例，本發明概念的優點及特徵以及其達成方法將顯而易見。然而，應注意，本發明概念並非僅限於以下示例性實施例，而是可實施為各種形式。因此，提供示例性實施例僅是為了揭露本發明概念並使熟習此項技術者瞭解本發明概念的類別。在圖式中，本發明概念的示例性實施例並非僅限於本文所提供的特定實例且為清晰起見而進行誇大。
本文所用術語僅用於闡述特定實施例，而並非旨在限制本發明。除非上下文中清楚地另外指明，否則本文所用的單數形式的用語「一」及「該」旨在亦包括複數形式。本文所用的用語「及/或」包括相關所列項其中一或多者的任意及所有組合。應理解，當稱元件「連接」或「耦合」至另一元件時，所述元件可直接連接或耦合至所述另一元件或可存在中間元件。
相似地，應理解，當稱一個元件(例如層、區或基板)位於另一元件「上」時，所述元件可直接位於所述另一元件上，或可存在中間元件。相比之下，用語「直接」意指不存在中間元件。更應理解，當在本文中使用用語「包括」、「包含」時，是表明所陳述的特徵、整數、步驟、操作、元件、及/或組件的存在，但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件、及/或其群組的存在或添加。
此外，將藉由作為本發明概念的理想化示例性圖的剖視圖來闡述詳細說明中的示例性實施例。相應地，可根據製造技術及/或可容許的誤差來修改示例性圖的形狀。因此，本發明概念的示例性實施例並非僅限於示例性圖中所示出的特定形狀，而是可包括可根據製造製程而產生的其他形狀。圖式中所例示的區域具有一般特性，且用於說明元件的特定形狀。因此，此不應被視為僅限於本發明概念的範圍。
亦應理解，儘管本文中可能使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來闡述各種元件，然而該些元件不應受限於該些用語。該些用語僅用於區分各個元件。因此，某些實施例中的第一元件可在其他實施例中被稱為第二元件，而此並不背離本發明的教示內容。本文中所闡釋及說明的本發明概念的態樣的示例性實施例包括其互補對應物。本說明書通篇中，相同的元件編號或相同的指示物表示相同的元件。
此外，本文中參考剖視圖及/或平面圖來闡述示例性實施例，其中所述剖視圖及/或平面圖是理想化示例性說明圖。因此，預期存在由例如製造技術及/或容差所造成的相對於圖示形狀的偏離。因此，示例性實施例不應被視作僅限於本文中所示區的形狀，而是欲包括由例如製造所導致的形狀偏差。因此，圖中所示的區為示意性的，且其形狀並非旨在說明裝置的區的實際形狀、亦並非旨在限制示例性實施例的範圍。
需要說明的是，本發明的像素電路可實施在紅色子像素、藍色子像素、綠色子像素、白色子像素等任意子像素中，但本發明不限於此。
請參考圖1A，圖1A為僅具顯示功能的顯示裝置的操作時序圖。如圖1A所示，僅具顯示功能的顯示裝置係以逐列的方式顯示，從左上角至右下角，最後組成一個圖框。一個圖框時間Tf包括：第一顯示階段D1，用於初始化電路以及寫入資料；第二顯示階段D2，用於發光以顯示資料。由於顯示裝置僅有顯示功能，因此，一個圖框時間Tf等於第一顯示階段D1至第二顯示階段D2的總和。
應理解的是，在電路實際運作時，各階段之間會有切換的時間，而為了便於理解，在本說明書中，各階段的時長包括實際執行對應的動作以及切換至下一個階段的時間，例如，第一顯示階段D1包括初始化電路、寫入資料以及切換至第二顯示階段D2的時間。
接下來，請參考圖1B，圖1B為本發明的顯示裝置的操作時序圖。由於本發明將感測功能以及顯示功能整合至顯示裝置中的同一個像素電路中，因此，本發明的圖框時間Tf進一步包括用於感測資料的感測階段S。因此，藉由電路的設計以及閘極控制訊號的控制，本發明的顯示裝置的操作時序被調整為包括感測階段S以及包括第一顯示階段D1至第二顯示階段D2的顯示階段。
可理解的是，根據使用者的設定，在同一時間點，顯示裝置中的像素電路可處於不同的階段，例如，不同列的像素電路處於不同的階段。此外，由於本發明的感測階段S以及顯示階段係藉由閘極控制訊號GCS的控制以調整操作時序而達成，因此，根據使用者的設定以及需求，可隨時開啟或關閉顯示裝置的感測階段S。
請參考圖2，圖2為依據本發明的實施例的顯示裝置1的結構圖。
參考圖2，本發明的顯示裝置1包括：複數個子像素區域SP，各包括像素電路10；第一電路20，藉由施加閘極控制訊號GCS至每個像素電路10，以使每個像素電路10分別在顯示階段以及感測階段S之間切換，例如，第一電路20可為列電路(row circuit)；以及第二電路30，用於施加資料電壓Vdata且包括複數個讀出電路40，每個讀出電路40連接至同一行的複數個像素電路10，以用於在感測階段S中將像素電路10中的二極體LED所感測的光讀出，例如，第二電路30可為行電路(column circuit)。
應理解的是，第一電路20可例如為列電路或行電路其中之一。第二電路30可例如為行電路或列電路其中之一。但不以此為限。
應理解的是，本發明的讀出電路40分別連接至同一行的複數個像素電路10。即，一個讀出電路40對應至一行的複數個像素電路10，以將該行的像素電路10中的二極體LED所感測的光讀出。
需要說明的是，本發明的顯示裝置的像素電路10係藉由閘極控制訊號GCS的施加分為感測階段S以及顯示階段。在感測階段S中，二極體LED係處於逆向偏壓，以作為光電二極體感測光，接著，二極體LED以積分模式累積電荷，最後，將累積的電荷放大讀出。在顯示階段中，二極體LED係處於順向偏壓，以作為發光二極體發光，以根據資料電壓Vdata顯示資料。可理解的是，本發明的二極體LED包括但不限於包括微發光二極體(micro-LED)、次毫米發光二極體(mini-LED)、以及有機發光二極體(OLED)。
請參考圖3，圖3為依據本發明的實施例的像素電路10以及讀出電路40的電路圖。
參考圖3，本發明的像素電路10包括：第一電晶體至第五電晶體T1至T5；驅動電晶體T6；二極體LED；以及儲存電容Cst。閘極控制訊號GCS包括第一閘極控制訊號Vems、第二閘極控制訊號Vscan、第三閘極控制訊號Vscan-2、第四閘極控制訊號Vems-2以及第五閘極控制訊號Vsens_en。第一電晶體T1係由第一閘極控制訊號Vems所控制、第二電晶體T2係由第二閘極控制訊號Vscan所控制、第三電晶體T3係由第三閘極控制訊號Vscan-2所控制、第四電晶體T4係由第四閘極控制訊號Vems-2所控制以及第五電晶體T5係由第五閘極控制訊號Vsens_en所控制。此外，資料電壓Vdata、驅動電壓VDD、以及共用電壓VSS被施加至像素電路10。
參考圖3，在像素電路10中，第一電晶體T1的第一電極連接至驅動電壓VDD，第一電晶體T1的第二電極連接至第一節點N1，第二電晶體T2的第一電極連接至第一節點N1，第二電晶體T2的第二電極連接至第二節點N2，第三電晶體T3的第一電極被施加資料電壓Vdata，第三電晶體T3的第二電極連接至第三節點N3，第四電晶體T4的第一電極連接至第三節點N3，第四電晶體T4的第二電極連接至第四節點N4，第五電晶體T5的第一電極連接至第四節點N4，第五電晶體T5的第二電極連接至讀出電路40，驅動電晶體T6的閘極連接至第二節點N2，驅動電晶體T6的第一電極連接至第一節點N1，驅動電晶體T6的第二電極連接至第四節點N4，二極體LED的第一電極連接至第四節點N4，二極體LED的第二電極被施加共用電壓VSS，儲存電容Cst的兩端分別連接至第二節點N2以及第三節點N3。
參考圖3，本發明的讀出電路40包括：讀出電晶體Tsw1，其第一電極連接至第五節點N5，第二電極施加有第一讀出電壓Vneg，閘極施加有第六閘極控制訊號Vsw1；運算放大器op_amp，其正端連接至參考電壓Vref，負端連接至第六節點N6，且用於輸出放大電壓op_out；放大器開關op_rst，一端連接至運算放大器op_amp的輸出端，一端連接至第六節點N6；第一電容Csh，兩端分別連接至第五節點N5以及第六節點N6；第二電容Cf，兩端分別連接至第六節點N6以及運算放大器op_amp的輸出端；第三電容Cblc，一端連接至第六節點N6以及另一端施加有第二讀出電壓Vcomp。
在此，將參考圖3、4說明本發明的像素電路10以及讀出電路40在感測階段S中的電路運作。圖4為說明依據本發明的實施例的像素電路10以及讀出電路40的感測階段S的時序操作圖。本發明的感測階段S包括：第一感測階段S1，用於初始化二極體LED，以使二極體LED處於逆向偏壓，以作為光電二極體感測光；第二感測階段S2，二極體LED開始作為光電二極體累積電荷（在此，將二極體LED作為光電二極體感測光，以累積於第四節點N4的電荷定義為感測電壓Vsig）；以及第三感測階段S3，將感測電壓Vsig儲存至第一電容Csh，之後，使用運算放大器op_amp將感測電壓Vsig放大。
具體地，參考圖3、4，在第一感測階段S1中，根據第一閘極控制訊號Vems、第二閘極控制訊號Vscan、第三閘極控制訊號Vscan-2、第四閘極控制訊號Vems-2、第五閘極控制訊號Vsens-en、以及第六閘極控制訊號Vsw1的控制，第二電晶體T2、第三電晶體T3、第五電晶體T5、以及讀出電晶體Tsw1為導通，第一電晶體T1以及第四電晶體T4為關斷。由於第五電晶體T5以及讀出電晶體Tsw1為導通，因此，第一讀出電壓Vneg被施加至第四節點N4。此時，第一讀出電壓Vneg為一負電壓，例如，-3V。因此，第四節點N4等於第一讀出電壓Vneg，即，-3V。此外，由於第二電晶體T2為導通，因此，第二節點N2上的電荷藉由驅動電晶體T6放電至第四節點N4，直到第二節點N2等於驅動電晶體T6的閥值電壓Vth加上第四節點N4的電壓，即，閥值電壓Vth+(-3)。此外，由於第三電晶體T3為導通，第三節點N3等於資料電壓Vdata。此時，將資料電壓Vdata設定為等於為第一讀出電壓Vneg，即，-3V。因此，最後，橫跨儲存電容Cst的電壓為第二節點N2減去第三節點N3。即，(Vth+(-3))-(-3)=閥值電壓Vth。即，橫跨儲存電容Cst的電壓為驅動電晶體T6的閥值電壓Vth。此時，放大器開關op_rst為開啟（即，短路），且第二讀出電壓Vcomp為0V（在此，將0V定義為共用電壓VSS的接地位準，但不限於此）。
具體地，參考圖3、4，在第二感測階段S2中，根據第一閘極控制訊號Vems、第二閘極控制訊號Vscan、第三閘極控制訊號Vscan-2、第四閘極控制訊號Vems-2、第五閘極控制訊號Vsens-en、以及第六閘極控制訊號Vsw1的控制，第四電晶體T4以及讀出電晶體Tsw1為導通，第一電晶體T1、第二電晶體T2、第三電晶體T3以及第五電晶體T5為關斷。由於第三電晶體T3以及第五電晶體T5為關斷，因此，來自第五節點N5以及資料電壓Vdata的電荷被阻斷。此外，由於第四電晶體T4為導通，所以第三節點N3的電壓等於第四節點N4的電壓。且由於第四節點N4的電壓為(-3V+Vsig)且第四節點N4的電壓等於第三節點N3的電壓，因此，第二節點N2的電壓等於(Vth+(-3V)+Vsig)，且橫跨儲存電容Cst的電壓仍為驅動電晶體T6的閥值電壓Vth。此時，放大器開關op_rst維持開啟、第一讀出電壓Vneg維持-3V、資料電壓Vdata從-3V變為0V、以及第二讀出電壓Vcomp維持0V。因此，在第二感測階段S2中，二極體LED開始感測，以產生感測電壓Vsig，並且，感測電壓Vsig藉由儲存電容Cst將感測電壓Vsig耦合至第二節點N2，且橫跨儲存電容Cst的電壓仍為驅動電晶體T6的閥值電壓Vth。
具體地，參考圖3、4，在第三感測階段S3中，根據第一閘極控制訊號Vems、第二閘極控制訊號Vscan、第三閘極控制訊號Vscan-2、第四閘極控制訊號Vems-2、第五閘極控制訊號Vsens-en、以及第六閘極控制訊號Vsw1的控制，第一電晶體T1在第二時間點t2從關斷轉為導通、第二電晶體T2為關斷、第三電晶體T3為導通、第四電晶體T4為關斷、第五電晶體T5為導通、讀出電晶體Tsw1為關斷。此外，放大器開關op_rst在第一時間點t1從開啟變為關閉（即，開路）、第一讀出電壓Vneg維持-3V、資料電壓Vdata維持0V、以及第二讀出電壓Vcomp在第二時間點t2從0V變為-3V。
在此，詳細說明上述第三感測階段S3的電路運作。在第三感測階段S3一開始，由於第三電晶體T3為導通、第四電晶體T4為關斷、且資料電壓Vdata為0V，因此，第三節點N3從(-3V+Vsig)變為0V。且由於儲存電容Cst的跨壓，第二節點N2變為驅動電晶體T6的閥值電壓Vth。且由於第五電晶體T5為導通、讀出電晶體Tsw1為關斷、且第四節點N4的電壓為(-3V+Vsig)，(-3V+Vsig)被儲存至第一電容Csh。接著，放大器開關op_rst在第一時間點t1從開啟變為關閉（即，開路）。接著，在第二時間點t2，第一電晶體T1從關斷轉為導通，第二讀出電壓Vcomp從0V變為-3V。因此，驅動電壓VDD連接至驅動電晶體T6的第一電極，以使一電流流至第四節點N4直到第四節點N4的電壓變為0V。接著，由於此時驅動電晶體T6的Vgs等於Vth，因此，驅動電晶體T6變為關斷。接著，由於第四節點N4從(-3V+Vsig)變為0V，且由於第一電容Csh的跨壓，因此，第六節點N6變為0-(-3V+Vsig)，即3V-Vsig。此時，由於第二讀出電壓Vcomp從0V變為-3V且同樣地耦接至運算放大器op_amp的負端，因此，橫跨第一電容Csh的電壓變為Vref+(3V-Vsig)+(-3V)=Vref-Vsig。最後，根據運算放大器op_amp的放大，得到的放大電壓op_out等於Vsig*Csh/Cf。即，可從第一電容Csh與第二電容Cf的比例以及得到的放大電壓op_out，計算出感測電壓Vsig。
以下，將參考圖3、5說明本發明的像素電路10以及讀出電路40在顯示階段中的電路運作。圖5為說明依據本發明的實施例的像素電路10以及讀出電路40的顯示階段的時序操作圖。本發明的顯示階段包括：第一顯示階段D1，用於初始化電路以及寫入資料；第二顯示階段D2，用於發光以顯示資料。其中，第一顯示階段D1分為第1-1顯示階段D11、第1-2顯示階段D12、以及第1-3顯示階段D13。
具體地，參考圖3、5，在第1-1顯示階段D11中，根據第一閘極控制訊號Vems、第二閘極控制訊號Vscan、第三閘極控制訊號Vscan-2、第四閘極控制訊號Vems-2、第五閘極控制訊號Vsens-en、以及第六閘極控制訊號Vsw1的控制，第一電晶體T1、第二電晶體T2、第三電晶體T3、第五電晶體T5以及讀出電晶體Tsw1為導通，且第四電晶體T4為關斷。此外，放大器開關op_rst維持開啟（即，短路）、第一讀出電壓Vneg維持0V、以及第二讀出電壓Vcomp維持0V。在此，假設所施加的資料電壓Vdata為例如-3V。因此，由於第一電晶體T1以及第二電晶體T2為導通，第二節點N2為驅動電壓VDD的位準。由於第三電晶體T3為導通，第三節點N3為資料電壓Vdata（例如，-3V）。由於第五電晶體T5以及讀出電晶體Tsw1為導通以及由於第一讀出電壓Vneg為0V（共用電壓VSS的位準），因此，第四節點N4為0V。最後，由於二極體LED的跨壓為0，二極體LED不發光。因此，第1-1顯示階段D11為預充電階段。
具體地，參考圖3、5，在第1-2顯示階段D12中，根據第一閘極控制訊號Vems、第二閘極控制訊號Vscan、第三閘極控制訊號Vscan-2、第四閘極控制訊號Vems-2、第五閘極控制訊號Vsens-en、以及第六閘極控制訊號Vsw1的控制，第二電晶體T2、第三電晶體T3、第五電晶體T5以及讀出電晶體Tsw1為導通，第一電晶體T1與第四電晶體T4為關斷。此外，放大器開關op_rst維持開啟（即，短路）、第一讀出電壓Vneg維持0V、資料電壓Vdata維持例如-3V、以及第二讀出電壓Vcomp維持0V。因此，由於第一電晶體T1為關斷，來自驅動電壓VDD的電流會被阻擋。又，第三電晶體T3維持導通，第三節點N3仍為資料電壓Vdata（例如，-3V）。又，由於第五電晶體T5以及讀出電晶體Tsw1維持導通以及由於第一讀出電壓Vneg為0V，第四節點N4仍為0V（共用電壓VSS的位準），因此，電流仍不流進二極體LED。且，第二節點N2通過第二電晶體T2以及驅動電晶體T6放電，直到第二節點N2等於驅動電晶體T6的閥值電壓Vth。此時，驅動電晶體T6會關斷，而橫跨儲存電容Cst的電壓會等於第二節點N2的電壓減去第三節點N3的電壓，即，閥值電壓Vth減資料電壓Vdata。因此，第1-2顯示階段D12為資料寫入階段。
具體地，參考圖3、5，在第1-3顯示階段D13中，根據第一閘極控制訊號Vems、第二閘極控制訊號Vscan、第三閘極控制訊號Vscan-2、第四閘極控制訊號Vems-2、第五閘極控制訊號Vsens-en、以及第六閘極控制訊號Vsw1的控制，讀出電晶體Tsw1為導通，第一電晶體T1、第二電晶體T2、第三電晶體T3、第四電晶體T4、以及第五電晶體T5為關斷。因此，由於第一電晶體T1、第二電晶體T2、第三電晶體T3、第四電晶體T4、以及第五電晶體T5皆為關斷，第二節點N2的電壓與第三節點N3的電壓維持同樣於第1-2顯示階段D12的位準。因此，第1-3顯示階段D13為預顯示階段。
具體地，參考圖3、5，在第二顯示階段D2，根據第一閘極控制訊號Vems、第二閘極控制訊號Vscan、第三閘極控制訊號Vscan-2、第四閘極控制訊號Vems-2、第五閘極控制訊號Vsens-en、以及第六閘極控制訊號Vsw1的控制，第一電晶體T1、第四電晶體T4以及讀出電晶體Tsw1為導通，第二電晶體T2、第三電晶體T3以及第五電晶體T5為關斷。因此，由於第一電晶體T1以及第四電晶體T4為導通，驅動電壓VDD連接至驅動電晶體T6的第一電極，且由於第三節點N3係連接至驅動電晶體T6的第二電極，因此，電流會流經二極體LED，以使二極體LED發光。
在此，進一步說明在第二顯示階段D2中流經二極體LED的電流Iled。在第二顯示階段D2中，驅動電晶體T6的閘極源極電壓Vgs等於在第1-3顯示階段D13中橫跨儲存電容Cst的電壓，即，閘極源極電壓Vgs等於閥值電壓Vth減資料電壓Vdata。例如，如果Vth=1V，Vdata=-3V，則Vgs等於1-(-3)=4V。而流經二極體LED的電流I_led會等於驅動電晶體T6的飽和電流。即，I_led=1/2k*W/L(Vgs-Vth)^2。接著，套入閘極源極電壓Vgs等於閥值電壓Vth減資料電壓Vdata。I_led=1/2k*W/L((Vth-Vdata)-Vth)^2=1/2k*W/L(-Vdata)^2。而k是製程參數，資料電壓Vdata為欲顯示的資訊。
藉此，像素電路10可實現：在感測階段S中，二極體LED係處於逆向偏壓，以作為光電二極體感測光，接著，二極體LED以積分模式累積電荷，最後，將累積的電荷放大讀出；以及在顯示階段中，二極體LED係處於順向偏壓，以作為發光二極體發光，以根據資料電壓Vdata顯示資料。
應理解的是，本發明的實施例使用的是N型金氧半場效電晶體(NMOS)作為像素電路10中的示例性電晶體。然而，本發明不限於此。本發明的像素電路所使用的電晶體可任意地根據需求實施為P型金氧半場效電晶體(PMOS)、薄膜電晶體(TFT)、低溫多晶矽(LTPS)TFT、低溫多晶氧化物(LTPO)TFT等。此外，只要符合本發明的發明概念，電晶體亦可任意地組合形成本發明的像素電路。例如，某些電晶體實施為PMOS，其他電晶體實施為NMOS。因此，熟悉本領域的技術人員可輕易地了解本發明的發明概念可應用至使用各類型的電晶體的像素電路，而不受電晶體的特性的限制。
最後，再將本發明的技術特徵及其可達成之技術功效彙整如下：
其一，本發明之顯示裝置能夠在同一個像素電路中同時實現顯示與感測兩種功能以具有屏內感測功能。
其二，由於本發明之顯示裝置係使用同一個像素電路同時實現顯示與感測兩種功能，因此，被感測物件與感測器之間沒有會導致光被遮擋的元件，因此，能實現更準確的感測。
其三，由於本發明之顯示裝置係使用同一個像素電路同時實現顯示與感測兩種功能，因此，螢幕總厚度較薄、無須多餘製程、且減少額外貼合導致的良率風險。
以上係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之專利範圍內。
1:顯示裝置 10:像素電路 20:第一電路 30:第二電路 40:讀出電路 Cblc:第三電容 Cf:第二電容 Csh:第一電容 Cst:儲存電容 D11:第1-1顯示階段 D12:第1-2顯示階段 D13:第1-3顯示階段 D2:第二顯示階段 GCS:閘極控制訊號 LED:二極體 N1:第一節點 N2:第二節點 N3:第三節點 N4:第四節點 N5:第五節點 N6:第六節點 op_amp:運算放大器 op_out:放大電壓 op_rst:放大器開關 S:感測階段 S1:第一感測階段 S2:第二感測階段 S3:第三感測階段 SP:子像素區域 T1:第一電晶體 T2:第二電晶體 T3:第三電晶體 T4:第四電晶體 T5:第五電晶體 T6:驅動電晶體 Tf:圖框時間 Tsw1:讀出電晶體 Vcomp:第二讀出電壓 Vdata:資料電壓 Vems:第一閘極控制訊號 Vems-2:第四閘極控制訊號 VDD:驅動電壓 Vneg:第一讀出電壓 Vref:參考電壓 Vscan:第二閘極控制訊號 Vscan-2:第三閘極控制訊號 Vsens-en:第五閘極控制訊號 VSS:共用電壓 Vsw1:第六閘極控制訊號
圖1A為僅具顯示功能的顯示裝置的操作時序圖； 圖1B為本發明的顯示裝置的操作時序圖； 圖2為依據本發明的實施例的顯示裝置的結構圖； 圖3為依據本發明的實施例的像素電路以及讀出電路的電路圖； 圖4為說明依據本發明的實施例的像素電路以及讀出電路的感測階段的時序操作圖；以及 圖5為說明依據本發明的實施例的像素電路以及讀出電路的顯示階段的時序操作圖。
1:顯示裝置
10:像素電路
20:第一電路
30:第二電路
40:讀出電路
GCS:閘極控制訊號
SP:子像素區域
Vdata:資料電壓

Claims (9)

  1. 一種顯示裝置，包括： 複數個子像素區域，各包括一像素電路，每個像素電路包括： 一二極體，在該像素電路的一顯示階段中被設置為一順向偏壓狀態，以用於發光，以及在該像素電路的一感測階段中被設置為一逆向偏壓狀態，以用於產生一感測電壓； 一驅動電晶體，用於在該顯示階段中驅動該二極體； 第一至第五電晶體，該第一至第五電晶體的閘極分別被施加第一至第五閘極控制訊號，以使該像素電路在該顯示階段以及該感測階段之間切換；以及 一儲存電容，用於在該顯示階段中儲存要寫入該二極體的一資料電壓； 一第一電路，藉由施加該等五個閘極控制訊號至每個像素電路，以使每個像素電路分別在該顯示階段以及該感測階段之間切換；以及 一第二電路，用於施加該資料電壓、一驅動電壓以及一共用電壓，且該第二電路包括複數個讀出電路，每個讀出電路包括： 一運算放大器，用於在該感測階段中將該感測電壓讀出， 其中，在每個像素電路中，該第一電晶體的一第一電極連接至該驅動電壓，該第一電晶體的一第二電極連接至一第一節點，該第二電晶體的一第一電極連接至該第一節點，該第二電晶體的一第二電極連接至一第二節點，該第三電晶體的一第一電極被施加該資料電壓，該第三電晶體的一第二電極連接至一第三節點，該第四電晶體的一第一電極連接至該第三節點，該第四電晶體的一第二電極連接至一第四節點，該第五電晶體的一第一電極連接至該第四節點，該第五電晶體的一第二電極連接至該讀出電路的一第五節點，該驅動電晶體的一閘極連接至該第二節點，該驅動電晶體的一第一電極連接至該第一節點，該驅動電晶體的一第二電極連接至該第四節點，該二極體的一第一電極連接至該第四節點，該二極體的一第二電極被施加該共用電壓，以及該儲存電容的兩端分別連接至該第二節點以及該第三節點。
  2. 如請求項1所述的顯示裝置，其中，每個讀出電路對應並且連接至同一行的複數個像素電路，以將該行的該等像素電路中的該感測電壓放大以及讀出。
  3. 如請求項1所述的顯示裝置，其中，每個讀出電路進一步包括： 一讀出電晶體，其一第一電極連接至該第五節點，一第二電極施加有一第一讀出電壓，一閘極施加有一第六閘極控制訊號； 一第一電容，兩端分別連接至該第五節點以及一第六節點； 一第二電容，兩端分別連接至該第六節點以及該運算放大器的一輸出端； 一第三電容，一端連接至該第六節點以及另一端施加有一第二讀出電壓；以及 一放大器開關，一端連接至該運算放大器的該輸出端，一端連接至該第六節點， 其中，該運算放大器的一正端連接至一參考電壓、一負端連接至該第六節點，以用於在感測階段中根據該感測電壓、該第一電容以及該第二電容在該輸出端輸出一放大電壓。
  4. 如請求項3所述的顯示裝置，其中，該感測階段包括： 一第一感測階段，用於初始化該二極體，以使該二極體處於該逆向偏壓狀態； 一第二感測階段，使該二極體累積電荷於該第四節點；以及 一第三感測階段，將該感測電壓儲存至該第一電容，且使用該運算放大器將該感測電壓讀出。
  5. 如請求項4所述的顯示裝置， 其中，在該第一感測階段中： 該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第二電晶體、該第三電晶體、該第五電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第一電晶體以及該第四電晶體為關斷；以及 該放大器開關維持開啟、該第一讀出電壓為一負電壓、該資料電壓為該負電壓、該第二讀出電壓為與該共用電壓相同的一接地位準， 其中，在該第二感測階段中： 該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第四電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體以及該第五電晶體為關斷；以及 該放大器開關維持開啟、該第一讀出電壓為該負電壓、該資料電壓為該接地位準、該第二讀出電壓為該接地位準， 其中，在該第三感測階段中： 該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第一電晶體在一第一時間點之後的一第二時間點從關斷轉為導通、使該第二電晶體為關斷、使該第三電晶體為導通、使該第四電晶體為關斷、使該第五電晶體為導通、使該讀出電晶體為關斷；以及 該放大器開關在該第一時間點從開啟變為關閉、該第一讀出電壓為該負電壓、該資料電壓為該接地位準、以及該第二讀出電壓在該第二時間點從該接地位準變為該負電壓。
  6. 如請求項3所述的顯示裝置，其中，該顯示階段包括： 一第1-1顯示階段，用於將該像素電路預充電； 一第1-2顯示階段，用於寫入該資料電壓； 一第1-3顯示階段，用於預備使該二極體發光；以及 一第二顯示階段，用於使該二極體根據該資料電壓發光。
  7. 如請求項6所述的顯示裝置， 其中，在該第1-1顯示階段中，該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、該第五電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第四電晶體為關斷， 其中，在該第1-2顯示階段中，該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第二電晶體、該第三電晶體、該第五電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第一電晶體與該第四電晶體為關斷， 其中，在該第1-3顯示階段中，該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該讀出電晶體為導通，該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、該第四電晶體、以及該第五電晶體為關斷， 其中，在該第二顯示階段中，該第一至第六閘極控制訊號分別控制該第一至第五電晶體以及該讀出電晶體，以使該第一電晶體、該第四電晶體以及該讀出電晶體為導通，該第二電晶體、該第三電晶體以及該第五電晶體為關斷，以及 其中，在該顯示階段中，該放大器開關維持開啟、該第一讀出電壓為與該共用電壓相同的一接地位準、以及該第二讀出電壓為該接地位準。
  8. 如請求項1所述的顯示裝置，其中，該二極體包括微發光二極體、次毫米發光二極體、以及有機發光二極體其中之一。
  9. 如請求項1所述的顯示裝置，其中，其中，該等電晶體包括P型金氧半場效電晶體、N型金氧半場效電晶體、薄膜電晶體、低溫多晶矽薄膜電晶體、低溫多晶氧化物薄膜電晶體其中之一或其組合。
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