用于扫描单片集成发光二极管阵列的驱动装置和方法 本发明一般地涉及显示装置，且更具体地说是涉及一种用于操作显示器的新颖的驱动装置。
更具体地说，本发明涉及发光器件(LED)阵列，且更准确地说是涉及与一个LED阵列相集成的单片驱动装置。
矩阵寻址技术是现有技术中众所周知的，并已经被应用于控制各种类型的显示器—诸如发光二极管显示器，液晶器件(LCD)显示器、以及场致发射器件(FED)显示器。矩阵寻址方案通常将光发射单元或象素组织成若干个行和列，而每一个象素位于一行和一列的交点处。对象素进行照射，就需要激活相交的行和列从而提供包括所要照射的象素的闭合电流通路。
用于驱动带有多个象素的行和列的LED矩阵显示器的电路，包括：一个具有一定数目的位的宽度的存储器，其中该位的数目等于象素的数目；一个列输出端，用于把该数目的位并行地输出到与列输出端相连的矩阵显示器；以及，一个与该存储器和列输出端相连的行选择和驱动电路，用于选择存储在该存储器中地完整的一行位数据并将该完整的一行位提供到列输出端。用于驱动电路的存储器是例如可以从市场上获得的电子存储器中的任何一种，包括但不限于ROM、PROM、EPROM、EEPROM、RAM等等。
图象信息通常是通过数据输入端而提供给LED驱动电路存储器的，并借助提供给地址输入端的一个地址而被存储在一个预定的位置。存储的数据通过一个锁存/列驱动器而被每次一整行地提供给LED显示器。该行中的每一列的数据的每一位，都在存储器中得到存取并被传递到锁存电路。该现行数据随后被提供到列驱动器以同时驱动该行中的每一个象素。同时，一个移位寄存器，每当从一个时钟接收到一个脉冲时，都依次选择一行新的数据。这样新选定的象素行受到行驱动器的致动，从而由锁存/列驱动器提供到相同的象素的数据使得象素发出所需量的光。
有两种用于激活适当的行和将数据传送到适当的列的基本方法。一种方法采用解码器，而另一种方法采用移位寄存器。对于解码器方法，每一个行或列得到分别的寻址。依次通过这些地址所需的电路是本领域的技术人员众所周知的，因而为了简化描述而没有被包括在此。
移位寄存器利用了在矩阵显示器中通常不需要对行和列的随机存取这一事实，它们只需要得到依次寻址。移位寄存器方法的优点在于它只需要时钟脉冲来启动一个新的行序列。
还应该注意的是，LED矩阵显示器可以具有简单的单色配置、利用单色灰度的显示器或彩色显示器。对于简单的单色显示器，每一个象素只需要一个位数字信号，因为象素不是接通就是关断。对于采用单色灰度的显示器，需要模拟信号或多位数字信号。例如一个十六级的灰度需要四位的数字信号。全色显示中每一个象素通常需要至少三个光发射单元，每一个单元用于基色(红、绿和蓝)中的一种，且还需要一种灰度信号系统以实现每种颜色的适当的光量。
通常，在单色型显示器(黑白)中，每一个象素包含单个的发光器件—它必须在一定范围内的驱动以实现完全导通(白)和完全关断(黑)之间的灰度范围(灰度级)。为了获得良好的灰度，数据驱动器通常必须能够将准确的模拟电压传送到各个象素。然而，模拟驱动电路是非常昂贵的，且由于必须有数百个数据驱动器(每一行发光器件一个)，因而它们构成了显示器成本的主要部分。
进一步地，在全色显示器中，每一个象素包含至少三个发光器件—其每一个都产生不同的颜色(例如红、绿和蓝)且其每一个都在一定值的范围中得到驱动(通常一次一行)以实现该特定颜色在全导通和全关断之间的一个范围。因此，全色显示器所包含的模拟驱动器的数目要多两倍，从而使显示器的制造费用增大了至少两倍。另外，额外的模拟驱动器需要额外的空间和功率，而这在诸如寻呼机、蜂窝和常规电话、收音机、数据库等等的袖珍电子装置中将会成为问题。
如上所述，LED矩阵的列和行需要为每一列或行设置驱动器并为列驱动器设置额外的锁存电路。这种配置非常地依赖于大量的I/O终端计数，且电路变得复杂且不便于小型化。
使具有大量光发射单元或象素的显示器适合于袖珍应用的另一个主要考虑，是功率的消耗。这是关于显示器中的光发射单元以及驱动电子电路的考虑。在典型的矩阵可寻址显示器中，数据被串行输入和锁存在驱动光发射单元的电路中。通常一行(或列)得到照射的时间只是显示器每次得到扫描的时间的一小部分。由于高的扫描速率和大量的所涉及的象素数目，因而将数据移入和移出存储器涉及到高的时钟速率。需要高扫描速率和高时钟速率，造成了过度的动态功率消耗。
利用两维阵列或矩阵象素(其每一个都包含一或多个发光器件)的显示器，在电子领域特别是袖珍电子和通信装置领域中是非常流行的，因为能够非常迅速地把大量的数据和图象发送到几乎任何地方。与这些矩阵有关的一个问题，是矩阵中每一行(或列)的发光器件必须由视频或数据驱动器分别地进行寻址和驱动。
因此，如果能够用更简单和更少的数据驱动器和更少的I/O终端来制造显示器—特别是彩色显示器，将是有利的。
本发明的一个目的，是提供采用数字数据驱动器的新颖的改进驱动的发光器件矩阵。
本发明的另一个目的，是提供采用较少数据驱动器的发光器件的新颖和改进驱动的矩阵。
本发明的再一个目的，是提供消耗功率比等价的现有技术显示器小很多的矩阵显示器和驱动电路。
本发明的再一个目的，是提供对LED单片矩阵的解码开关的改进。
本发明的再一个目的，是提供更便宜、更小且更容易制造的LED显示器。
本发明的再一个目的，是提供一种LED显示器—它将用于列和行选择的解码开关集成在一个单片集成阵列中。
本发明的再一个目的，是提供一种LED显示器，它带有用于LED矩阵中的列和行选择的减小的I/O终端计数。
简要地说，为了实现本发明的根据其最佳实施例的预期目的，提供了一种矩阵，它包括多个发光器件，而这些发光器件被组成由第一触头组成的多个行和由第二触头组成的多个列。行/列解码开关每一个都与若干单独的行/列和若干行/列地址线相耦合以选择该若干个单独的行/列中受到寻址的一个，并与一个单独的行/列数据引线相耦合以选择一个行/列解码开关。
在最佳实施例中，矩阵和行和列开关被集成到一个公共基底上。另外，一个可编程电压源通过列数据引线而与列解码开关相耦合，且一个可编程电流陷落(current sink)通过行数据引线而与行解码开关相耦合。
从以下结合附图对本发明的最佳实施例所进行的详细描述，本发明的前述和进一步及更多的具体目的和优点，对于本领域的技术人员来说，将变得显而易见。在附图中：
图1是简化框图，它显示了根据本发明的带有驱动电路的发光二极管阵列；
图2是简化框图，显示了多个LED阵列列解码开关；
图3显示了图2显示的LED阵列列解码开关的真值表；
图4显示了LED阵列行解码开关的真值表；
图5是示意图，显示了在图2的框图中显示的多个列解码开关中的单个列解码开关电路；
图6是示意图，显示了一个LED阵列行解码开关电路；
图7是示意图，显示了带有图1的驱动电路的单片发光器件(LED)阵列；
图8是简化的横截面图，显示了用于列或行解码开关的外延结构的一个实施例；且
图9是简化的横截面图，显示了用于列或行解码开关的外延结构的另一实施例。
现在参见附图—其中相同的标号在全部图中表示了对应的部件；首先参见图1，其中显示了一个发光二极管(LED)阵列集成电路10。集成电路10包括由240乘144个元件指定象素的阵列11，每一个象素都具有唯一的列和行的电连接。当然应该理解的是，集成电路10是用于本说明书的目的的且实际上可以包括任何不同类型的阵列和特别包括不同数目的列和行和/或不同类型的器件。
如在本发明的该实施例中所显示的，多个列解码开关12包括60个列数据信号，C0至C59。输入信号C0至C59被指定为数据信号，且两对互补的输入信号A0、 A0、A1和 A1被指定为寻址信号。每一个列解码开关12都被显示为其上加有输入信号A0、 A0、A1和 A1、以及C0至C59之一。应该理解的是，在此只采用了两个信号和它们的补码，因为一般单个的电路能够产生各种信号和它们的补码，从而进一步节省了电路和芯片面积。阵列11的四个单独的(即分别而分开的)列13与每一个列解码开关12相耦合，从而使多个列解码开关12能够寻址阵列11的60乘4即总共240个列13。列解码开关12的提出，是为了用于同解码开关单片集成的LED阵列，以同时减小芯片的I/O计数。所有用于列扫描的列解码开关12都耦合有公共的地址线A0、 A0、A1和 A1。其结果，提出的列解码开关12大大地减小了与列有关的I/O计数。驱动列电路13的单元的数目的减小所提供的这些改进，特别涉及I/O终端的数目和阵列的功率消耗的减小。阵列11的寻址列13的装置一般如下：
列选择
设C0＝1和C1至C59为0，从而选择列0、2、4或6；以及
通过把高信号提供到由A0、 A0、A1或 A1组成的不同的对(例如A0、A1；A0、 A1；A0、A1；或 A0、 A1)而选择具体的列0、2、4或6。
设C0＝0，C1＝1和C2至C59为0，从而选择列1、3、5或7；并
通过把高信号提供到由A0、A0、A1或A1组成的不同的对，而选择具体的列1、3、5或7。
设定C0和C1为0，C2＝1，且C3至C59为0，从而选择列8、10、12或14等等。
现在可以看到，借助对数据输入端C0至C59的激活以及对地址线A0、A0、A1和 A1的激活，能够对四条分立的列13的选择保持这种序列。列解码开关12具有这样的特性，该特性提供了依次扫描的手段并通过减小芯片I/O计数的数目而减小了阵列的功率消耗。
在图1中还显示了多个行解码开关15—其每一个都带有与其相耦合的多个输入数据线R0至R35(在本实施例中用于总共36个行解码开关15)中的一个单独的数据线。阵列11的四个单独的(即分开且独立的)行14与每一个行解码开关15相耦合。每一个行解码开关15都受到与其耦合的单独数据信号R0至R35以及行地址线B0、B0、B1和B1的激活。阵列11的寻址行14的作用一般如下：
行选择
设定R0＝1且R1至R35为0，从而选择行0、2、4或6；且
通过把高信号提供到由B0， B0，B1， B1组成的不同的对上(例如B0，B1；B0， B1； B0，B1或 B0， B1)而选择具体的行0、2、4或6。
设定R0＝0和R1＝1且R2至R35为0，从而选择行1、3、5或7；且通过把高信号提供到由B0、 B0、B1或 B1组成的不同的对上，而选择具体的行1、3、5或7。
设定R0和R1＝0，R2＝1，且R3至R35为0，从而选择行8、10、12或14等等。
一个可编程电源(见图5)被包括在硅驱动器集成电路中并作为至列解码电路12的一个输入端而得到连接。另外，一个可编程电流陷落电路(见图6)被包括在该硅驱动器集成电路中并作为来自行驱动器15的输出端而得到连接。借助该可编程电源和可编程电流陷落，用于解码开关12和15的器件的数目能够减到最小。所有的列解码开关12都具有公共地址线。其结果，列能够得到依次扫描，其一次扫描的数目不大于n/4(其中n是列的总数)，取决于来自可编程电源的输入功率。所有的行解码开关15都具有公共地址线。其结果，行能够得到依次扫描，取决来自可编程电流陷落的输入功率，每次扫描的行解码器14的数目不大于m/4(其中m是行的总数)。功率消耗受到硅驱动器集成电路漏电流而不是MESFET漏电流的限制。其结果，功率消耗比带有传统的解码器的LED阵列11所获得的要低得多。本发明因而减小了寻址阵列11的各个LED象素所需的I/O终端的数目，并大大降低了LED集成电路10的功率消耗。
借助低功率列解码开关12和行解码开关15与LED阵列11在同一基底上的单片集成，功率消耗被大大减小了。例如，在传统的解码器中，上述240乘140LED阵列11所消耗的功率为11瓦，而本发明的LED集成电路10所消耗的功率为79毫瓦。I/O终端的减少，从384至140(在这个具体的例子中)，表明了对没有解码开关集成的LED阵列的重大改进。
参见图2，其中以框图的形式显示了一个单个的列解码开关12n。解码器开关12n包括多个列解码电路16、17、18和19—它们得到适当连接以响应于适当的寻址信号而把一个信号输出到LED阵列11的列0至列3中的一个。与该显示有关的，是图3中所示的一个真值表30，它将在描述图2时得到引用。真值表30显示了各个地址线的信号电平，即A0、A0、A1和A1—它们用“1”或“0”表示，而列解码开关12n由可编程电源提供的高数据信号Cn选择。
参见真值表30，应该注意的是A0和 A0是互补的信号，且A1和 A1是互补的信号，因而当一对中的一个处于逻辑高电平时，则另一个处于逻辑低电平。第一行31显示了选择列电路16所需的逻辑信号，注意输入线Cn处于逻辑高电平，A0和A1处于逻辑低电平且 A0和 A1处于逻辑高电平。参见真值表30中的第二行32，它显示了选择列电路17所需的逻辑信号，输入线Cn仍然处于逻辑高电平，而A0和 A1处于逻辑低电平且 A0和A1处于逻辑高电平。在真值表30的第三行33(该行显示了选择列电路18所需的逻辑信号)中，输入线Cn仍然处于逻辑高电平，而A0和 A1处于逻辑高电平，且 A0和A1处于逻辑低电平。最后，在真值表30的第四行34(它显示了选择列电路19所需的逻辑信号)中，输入线Cn仍然处于逻辑高电平，而A0和A1处于逻辑高电平且 A0和 A1处于逻辑低电平。因此，通过把逻辑高电平信号加到有关的数据输入端Cn上，就可以选择任何列解码开关12n，且通过利用地址信号A0、 A0、A1和 A1的适当组合，可以选择列中与选定的解码器开关12n相连的任何列。
图4显示了用于行解码开关15n的选择逻辑真值表40，它与真值表30的列选择类似。通过把逻辑高电平信号加到有关的数据输入线Rn上，可以选择特定的行解码开关15n。在选定的行解码开关15n中，四行中的一行的选择，是借助地址线B0、B0、B1和B1而进行的。输出R0借助可编程电流吸收器而与一个电流陷落相电连接，且当得到连接时指定了逻辑电路中的1。当地址信号输入B0处于高电平(在真值表40中被指定为1)时，来自地址线的输入的变化确定了与解码器开关15n相连的哪一个行将得到激活。如结合图3的真值表30所描述的，真值表40的四行41至44显示了选择与具体的解码器开关15n有关的阵列10的四行的选择所需的逻辑。
参见图5，其中示意显示了解码开关122的一个单个的列电路50。如将更详细地描述的，各个列解码开关12都包括四个列电路50。列电路50包括串联在可编程电源54与阵列11的一个具体的列之间的两个场效应晶体管(FET)52和53。在该具体实施例中，可编程电源54与作为数据信号Cn的选定列解码开关12的输入端相耦合。在该具体列电路中，地址线A0与FET52的栅极相连。当逻辑高电平出现在地址线A0上时，FET52把由可编程电源54提供的一个5伏特电势，耦合到第二个FET53。当寻址信号A0处于逻辑低电平时，FET52不把该5伏特电势耦合到FET53。
地址线A1通过两个电平移动二极管55和56而与FET53的栅极相连，而电平移动二极管55和56与地址线A1串联。电平移动二极管55和56向FET53的栅极提供了电压移动，以防止FET53的栅极—漏极二极管的正向偏置。借助MESFET电路，电平移动二极管55和56被用来防止MESFET栅极被驱动成正向偏置。如所示，场效应晶体管53当地址线A1处于高电平时导通并将来自FET52的5伏特电势耦合到阵列11的相应的列(被显示为终端57)。地址线A1上的逻辑低电平阻止了FET28的导通。
参见图6，一个行电路60得到了示意显示，四个这样的电路构成了一个完整的行解码开关15。行电路60包括串联在阵列11的相应的行与电流陷落64之间的两个FET62和63，而电流陷落64是前述的可编程电陷落。在此具体实施例中，可编程电陷落64与作为数据信号Rn的选定行解码开关15的输入端相耦合。当地址线B0把逻辑高电平信号加到栅极上时，FET62将阵列11的相应的行耦合到FET63。地址线B1必须处于逻辑高电平，才能激活FET63以完成至电流陷落64的电路。电流陷落64当逻辑高电平信号被加到数据线Rn(在图6中被显示为一个终端)上时被电耦合到FET63。电流陷落64必须得到电连接，以使电流能够通过行电路60流动。从阵列11的相应的行至电流陷落64的导电性，完成了激活具体寻址的LED以使其发光的电路(假定至少一个列电路50得到了激活)。
参见图7，LED阵列集成电路10得到了示意显示。其某些部分被除去了。集成电路10包括在LED矩阵11中的多个LED。作为一个例子，具体的LED70的一个终端被电连接到第一个列解码开关12(在图中为了方便而用虚线包围起来)的第一个列电路50(在图5中得到单独显示)。LED70的第二终端与行解码开关15(为了方便而用虚线包围起来)中的一个第一行电路60(在图6中得到单独显示)相连，以作为对用来激活LED阵列11的多个列和行的多个列解码开关和多个行解码开关的个别显示。该图显示了图2的四个LED电路装置，其中一个列解码开关12通过把可编程电源54连接到所寻址的列而激活四个列，而相应的行解码开关15通过将被寻址的行从四个行解码开关15电连接到电流陷落62，而完成了该电路。列电路50通过可编程电源54(被显示为块72)中的一个电路或开关，而与数据线C0上的可编程电源54相连，或者以其他方式完成至可编程电源54的电路。类似地，行电路60通过可编程电流陷落64(显示为块74)中的一个开关或电路，而与数据信号R0上的可编程电流陷落64相连，或者以其他方式完成至电流陷落64的电路。
应该理解的是，可编程电源54和可编程电流陷落64，除了在任何预定的时间所提供的功率量是可编程的之外，还可以得到编程，以通过数据线C0至C58上的输入信号的预定程序和在数据线R0至R35上的输入信号的预定程序自动地进行排序。
图8所示的是低功率解码开关82(显示为单个的FET)和LED阵列83(显示为单个的LED)单片集成在同一基底上的外延结构80。LED阵列83包括多个依次形成在半绝缘砷化镓基底84上的掺杂和未掺杂外延层。如所示，这些外延层是n+-GaAs层85、n-InGap层86、n-AlInP层87、未掺杂的AIGaInP层88、未掺杂的AlInP层89、P-AlInP层90、大约200厚的P-InGaP层91、以及大约500厚的未掺杂GaAs层92，以形成与相应的开关82相集成的LED阵列83。显示的还有为象素绝缘而设置的插入片94、为至每一个象素的较低端的电连接而提供的插入片95、和为行绝缘而提供的插入片96。借助触头97和98，提供了至阵列83中的每一个LED的金属化连接。开关82包括器件绝缘插入片100、源极和漏极连接插入片102和104、以及分别用于源极、栅极和漏极的金属化触头112、113和114。在1995年9月26日颁发的、题目为“插入LED阵列的制造方法”并转让给同一受让人的美国专利第5,453,386号中，可以找到有关这种阵列的其他信息。另外，关于集成技术，参见1996年1月9日颁发的、题目为“带有二极管解码器的电-光集成电路”并转让给同一受让人的美国专利第5,483,085号。
图9中显示了一种修正的外延结构120，它包括以单片集成的方式与LED阵列130集成在同一基底上的解码开关122。LED阵列130与图8的LED阵列83类似。解码开关122与图8的开关82类似，只是它是通过在器件制造期间把在LED阵列130上额外的外延层从LED130添加至FET122而制成的，从而使p掺杂物的扩散较为容易。
因此，公布了用更为简单和少的数据驱动器和更少的I/O终端来制造显示器特别是彩色显示器的方法。还公布了利用数字数据驱动器的新颖的改进的发光器件驱动矩阵，且特别是利用较少的数据驱动器的发光器件矩阵。另外，还公布了所用功率比相应的现有技术显示器小得多且更为便宜、更小且更容易制造的矩阵显示器和驱动器电路。本发明提供了一种LED显示器，它将用于列和行选择的解码开关集成在单片集成阵列中，且LED矩阵中用于列和行选择的I/O终端数目减小了很多。当然还应该理解的是，可以只用一个列或行解码开关组件来提供LED显示器，而其他的行或列解码开关组件(这些当然是可互换的)可以用正常的硬件连接、某种形式的解码、移位寄存器等等来取代。
借助可编程电源和可编程电流陷落，用于解码开关的器件的数目能够减到最小。功率消耗通过驱动器漏电流而不是MESFET漏电流而得到限制。其结果，功率消耗比采用不带可编程电源或可编程电流陷落的阵列所获得的要低得多。
所有列解码开关都具有公共地址线。其结果，列可以以n/4的方式得到依次扫描，其中n是一次的列数并取决于来自驱动器的输入功率。所有的行解码开关都具有公共地址线。其结果行可以依次或以m/4的方式得到扫描，其中m是一次的行数并取决于可编程电流陷落的状态。用于防止MESFET栅极被驱动到正向偏置状态的电平移动二极管，被置于一个CMOS驱动器上，以提供解码开关序列扫描。
本发明减小了激活LED象素的I/O终端的数目，并大大降低了LED集成电路的功率消耗。通过将低功率解码开关与LED阵列单片集成在同一基底上，功率得到了大大降低。例如，在传统的解码器中，用于240乘140LED阵列的功率为11瓦，而本发明的解码开关LED阵列的只有36毫瓦。I/O终端的减少—从384至140个大大地改进了LED阵列，而不用集成解码开关。
对在此为了说明的目的而选择的实施例的各种修正和改变，对于本领域的技术人员来说是显而易见的。例如，集成电路可以用任何方便的半导体材料系统或任何方便的有机系统制成。另外，LED阵列和开关能够以各种方式制成，而仍然能够执行所述的功能。另外，可以采用各种不同的发光器件，且这些器件可以用在一定程度上修正和/或互换的步骤来制成。
以上只是以举例的方式进行了描述。在不脱离如权利要求书所述的本发明的范围的前提下，本领域的技术人员可以作出各种其他修正和改变。
以上已经以明确而简明的方式充分描述和公布了本发明及其最佳实施例，从而使本领域的技术人员能够理解并实施本发明及其最佳实施例。