高速運算放大器及其運作方法
2023-09-21 19:15:55
高速運算放大器及其運作方法
【專利摘要】一種高速運算放大器，包含輸入端、輸出端及至少一轉換速率增益電路。每一轉換速率增益電路包含第一級增益單元及第二級增益單元。第一級增益單元耦接於輸入端與輸出端之間。第一級增益單元與第二級增益單元互相耦接。轉換速率增益電路具有臨界電壓，且臨界電壓的高低是與第一級增益單元的尺寸大小有關。當臨界電壓被驅動時，轉換速率增益電路快速啟動第二級增益單元對高速運算放大器進行速度補償。
【專利說明】高速運算放大器及其運作方法
【技術領域】
[0001]本發明是與運算放大器有關，特別是關於一種應用於液晶顯示面板的模擬數據傳輸的高速運算放大器及其運作方法。
【背景技術】
[0002]隨著液晶顯示技術不斷進步，面板尺寸及像素亦隨之增加。為了滿足大尺寸及高畫質液晶顯示裝置的需求，應用於液晶顯示面板的模擬數據傳輸的運算放大器的電壓轉換速率(slew rate)亦需隨之提升，才不會讓使用者發現到面板上不同像素的數據傳遞出現落差。
[0003]所謂的電壓轉換速率，簡稱為壓擺率，其定義是於I微秒時間內電壓升高的幅度，以方波而言，就是電壓由波谷升到波峰所需的時間，其單位通常為V/s，V/ms或V/μ S。在運算放大器中，電壓轉換速率是影響誘發瞬態互調失真的一個重要參數，是衡量運算放大器在速度方面的一大指標。運算放大器的電壓轉換速率是指運算放大器對猝發信號或脈衝信號的跟隨或響應能力，即瞬態響應能力。若運算放大器的電壓轉換速率較慢將會導致瞬態互調失真升高。
[0004]一般而言，傳統具有高電壓轉換速率的運算放大器大致可分為兩類型:第一種是直接將運算放大器的電流源增加，但此方式可能導致整個電路的靜態功耗亦隨之增加；另一種則是採用電壓轉換速率增益(Slew Rate Enhancement, SRE)電路。
[0005]請參照圖1及圖2，圖1及圖2是分別圖示傳統的運算放大器電路中的電壓轉換速率增益電路的不同型式。傳統的運算放大器電路是通過圖1的第一電壓轉換速率增益電路SREl以及圖2的第二電壓轉換速率增益電路SRE2對運算放大器電路的輸入端INP與輸出端OUT進行感測，以提供適當的速度補償給運算放大器電路。
[0006]然而，由於傳統的第一電壓轉換速率增益電路SREl及第二電壓轉換速率增益電路SRE2是利用電晶體的臨界電壓作為判斷是否提供速度補償的依據，當輸入端INP與輸出端OUT之間的壓差大於電晶體的臨界電壓時，才會被觸發以提供運算放大器電路適當的速度補償。這將導致調整觸發轉換速率增益電路的臨界電壓的彈性降低，並且當運算放大器電路的數據改變不大時，轉換速率增益電路可能剛被觸發後又馬上被關閉，故無法有效增加運算放大器電路的速度。
[0007]此外，傳統的運算放大器電路的另一個缺點在於:若比較輸入端INP與輸出端OUT的電壓的電晶體Ml或Ml』的基極(Bulk或Body)與源極(Source)無法彼此連接,將會使得電晶體Ml或Ml』產生基體效應(body effect)，亦即電晶體Ml或Ml』的臨界電壓將會隨著源極電壓的變化而改變，導致觸發轉換速率增益電路的臨界電壓的大小會改變，難以定量地提供速度補償。並且，傳統的第一電壓轉換速率增益電路SREl及第二電壓轉換速率增益電路SRE2均僅採用一級增益來驅動運算放大器電路，其進行速度補償的速度較慢，已無法符合現今的需求。
【發明內容】
[0008]因此，本發明提出一種應用於液晶顯示面板的模擬數據傳輸的高速運算放大器及其運作方法，以解決上述問題。
[0009]本發明的一範疇在於提出一種高速運算放大器，不僅可彈性調整觸發轉換速率增益電路的臨界電壓，以加快轉換速率增益電路的啟動速度，還可通過二級增益來驅動高速運算放大器，故能夠提供更快及更大的驅動能力來增加高速運算放大器的速度。
[0010]根據本發明的一具體實施例為一種高速運算放大器。於此實施例中，高速運算放大器包含輸入端、輸出端及至少一轉換速率增益電路。該至少一轉換速率增益電路中的一轉換速率增益電路包含第一級增益單元及第二級增益單元。第一級增益單元耦接於輸入端與輸出端之間。第一級增益單元與第二級增益單元互相耦接。轉換速率增益電路具有臨界電壓，且臨界電壓的高低是與第一級增益單元的尺寸大小有關。當臨界電壓被驅動時，轉換速率增益電路快速啟動第二級增益單元對高速運算放大器進行速度補償。
[0011]於一實施例中，第一級增益單元包含第一電晶體及第二電晶體。第一電晶體及第二電晶體是分別耦接輸入端與輸出端。第二級增益單元包含第三電晶體。第三電晶體耦接第一電晶體。
[0012]於一實施例中，第一級增益單元進一步包含第四電晶體、第五電晶體及第六電晶體。第四電晶體與第五電晶體彼此耦接。第四電晶體是耦接第一電晶體及第三電晶體。第五電晶體是耦接第二電晶體。第六電晶體耦接第一電晶體、第二電晶體及接地端。
[0013]於一實施例中，第一電晶體、第二電晶體及第六電晶體為N型金氧半場效電晶體(MOSFET)且第三電晶體、第四電晶體及第五電晶體為P型金氧半場效電晶體。
[0014]於一實施例中，第一電晶體、第二電晶體及第六電晶體為P型金氧半場效電晶體且第三電晶體、第四電晶體及第五電晶體為N型金氧半場效電晶體。
[0015]於一實施例中，臨界電壓的高低是與第一級增益單元的第一電晶體及第二電晶體的尺寸大小有關。
[0016]本發明的另一範疇在於提出一種高速運算放大器運作方法。根據本發明的另一具體實施例為一種高速運算放大器運作方法。於此實施例中，高速運算放大器運作方法用以運作高速運算放大器。高速運算放大器包含輸入端、輸出端及至少一轉換速率增益電路。該至少一轉換速率增益電路中的一轉換速率增益電路包含第一級增益單元及第二級增益單元。轉換速率增益電路具有臨界電壓，且臨界電壓的高低是與第一級增益單元的尺寸大小有關。該方法包含下列步驟:將第一級增益單元耦接於輸入端與輸出端之間，並將第二級增益單元耦接第一級增益單元；以及當臨界電壓被驅動時，轉換速率增益電路快速啟動第二級增益單元對高速運算放大器進行速度補償。
[0017]相較於現有技術，根據本發明的高速運算放大器及其運作方法是應用於液晶顯示面板的模擬數據傳輸，其特徵在於:可彈性調整觸發轉換速率增益電路的臨界電壓，以加快轉換速率增益電路的啟動速度，還可通過二級增益來驅動高速運算放大器，故能夠提供更快及更大的驅動能力來增加高速運算放大器的速度。
[0018]關於本發明的優點與精神可以通過以下的發明詳述及附圖得到進一步的了解。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為傳統運算放大器電路的第一電壓轉換速率增益電路的示意圖。
[0020]圖2為傳統運算放大器電路的第二電壓轉換速率增益電路的示意圖。
[0021]圖3為根據本發明的一實施例的運算放大器電路的示意圖。
[0022]圖4為圖3中的運算放大器電路的第一電壓轉換速率增益電路的一實施例。
[0023]圖5為圖3中的運算放大器電路的第二電壓轉換速率增益電路的一實施例。
[0024]圖6為現有技術與本發明的運算放大器電路的電壓轉換速率比較圖。
[0025]圖7為根據本發明的另一具體實施例的運算放大器電路運作方法的流程圖。
[0026]主要組件符號說明:
[0027]SlO?S16:流程步驟
[0028]SRE1、SRE2:電壓轉換速率增益電路
[0029]INN、INP:輸入端
[0030]OUT:輸出端
[0031]Ml ?M6、M1』 ?Μ6』、MPl ?ΜΡ2、MNl ?ΜΝ2:電晶體開關
[0032]CMP、CMN:接點
[0033]I1、12:電流源
[0034]OS:輸出級
[0035]GSUGS1』:第一級增益單元
[0036]GS2、GS2』:第二級增益單元
[0037]K1、K2:運算放大器電路的電壓轉換速率曲線
【具體實施方式】
[0038]根據本發明的一較佳具體實施例為一種高速運算放大器。於此實施例中，高速運算放大器不僅可彈性調整觸發轉換速率增益電路的臨界電壓，以加快轉換速率增益電路的啟動速度，還可通過二級增益來驅動高速運算放大器，故能夠提供更快及更大的驅動能力來增加高速運算放大器的速度。
[0039]請參照圖3，圖3為此實施例的運算放大器電路的示意圖。如圖3所示，高速運算放大器包含輸入端INP及INN、輸出端OUT、電流源Il?12、P型電晶體開關MPl?MP2、N型電晶體開關麗I?麗2、輸出級OS及轉換速率增益電路SREl?SRE2。其中，P型電晶體開關MPl的兩端分別耦接至接點CMP及輸出級OS ；P型電晶體開關MP2的兩端分別耦接至接點CMP及輸出級OS ;N型電晶體開關麗I的兩端分別耦接至接點CMN及輸出級OS ;N型電晶體開關麗2的兩端分別耦接至接點CMN及輸出級OS ；電流源Il耦接接點CMP ；電流源12耦接於接點CMPN與接地端之間；轉換速率增益電路SREl耦接至輸入端INP、輸出端OUT及接點CMP ;轉換速率增益電路SRE2耦接至輸入端INP、輸出端OUT及接點CMN ;N型電晶體開關麗I與P型電晶體開關MPl均耦接至輸入端INN ；N型電晶體開關麗2與P型電晶體開關MP2均耦接至輸入端INP ;輸出級OS耦接輸出端OUT。
[0040]請參照圖4，圖4為圖3中的運算放大器電路的第一電壓轉換速率增益電路SREl的一實施例。需說明的是，圖4所圖示的電路架構僅為電壓轉換速率增益電路SREl的一種可能的實施例，並不以此為限。如圖4所示，轉換速率增益電路SREl包含第一級增益單元GSl與第二級增益單元GS2。其中，第一級增益單元GSl包含電晶體Ml、M2、M4、M5及M6，並且電晶體Ml、M2及M6為N型電晶體開關且電晶體M4及M5為P型電晶體開關；第二級增益單元GS2包含電晶體M3，並且電晶體M3為P型電晶體開關。第一級增益單元GSl與第二級增益單元GS2是互相耦接。實際上，P型電晶體開關可以是P型金氧半場效電晶體(MOSFET) ；N型電晶體開關可以是N型金氧半場效電晶體。
[0041]電晶體Ml I禹接於電晶體M4與電晶體M6之間，並且其閘極I禹接輸入端INP ;電晶體M2耦接於電晶體M5與電晶體M6之間，並且其閘極耦接輸出端OUT ;電晶體M3的一端耦接電晶體M4及電晶體M5的一端，電晶體M3的另一端耦接至接點CMP，並且其閘極耦接至電晶體M4與電晶體Ml之間；電晶體M4的閘極耦接電晶體M5的閘極以及電晶體M5與電晶體M2之間；電晶體M6是耦接電晶體Ml、M2及接地端。
[0042]需說明的是，第一電壓轉換速率增益電路SREl具有一臨界電壓，且第一電壓轉換速率增益電路SREl的臨界電壓的高低是與第一級增益單元GSl的尺寸大小有關。更詳細地說，第一電壓轉換速率增益電路SREl的臨界電壓的高低是與第一級增益單元GSl中的電晶體Ml及M2的尺寸大小有關。因此，通過改變第一級增益單元GSl中的電晶體Ml及M2的尺寸大小，即可視實際需求調整第一電壓轉換速率增益電路SREl的臨界電壓的高低，故較不易由於數據改變量不夠大而導致電壓轉換速率增益電路無法驅動。此外，第一電壓轉換速率增益電路SREl較不易受到基體效應(body effect)的影響，不會因為輸入端INP的輸入電壓不同而導致臨界電壓改變。當臨界電壓被驅動時，第一電壓轉換速率增益電路SREl將會快速啟動第二級增益單元GS2對高速運算放大器進行速度補償。
[0043]請參照圖5，圖5為圖3中的運算放大器電路的第二電壓轉換速率增益電路SRE2的一實施例。需說明的是，圖5所圖示的電路架構僅為電壓轉換速率增益電路SRE2的一種可能的實施例，並不以此為限。如圖5所示，轉換速率增益電路SRE2包含第一級增益單元GS1』與第二級增益單元GS2』。其中，第一級增益單元GS1』包含電晶體肌』、12』、114』、皿5』及M6』，並且電晶體Ml』、M2』及M6』為P型電晶體開關且電晶體M4』及M5』為N型電晶體開關；第二級增益單元GS2』包含電晶體M3』，並且電晶體M3』為N型電晶體開關。第一級增益單元GS1』與第二級增益單元GS2』是互相耦接。實際上，P型電晶體開關可以是P型金氧半場效電晶體；N型電晶體開關可以是N型金氧半場效電晶體。
[0044]電晶體Ml』稱接於電晶體M6』與電晶體M4』之間，並且其閘極稱接輸入端INP ;電晶體M2』耦接於電晶體M6』與電晶體M5』之間，並且其閘極耦接輸出端OUT ;電晶體M3』的一端耦接電晶體M4』及電晶體M5』的一端，電晶體M3』的另一端耦接至接點CMN，並且其閘極耦接至電晶體Ml』與電晶體M4』之間；電晶體M4』的閘極耦接電晶體M5』的閘極以及電晶體M2』與電晶體M5』之間；電晶體M6』是耦接電晶體Ml』及M2』。
[0045]需說明的是，第二電壓轉換速率增益電路SRE2亦具有一臨界電壓，且第二電壓轉換速率增益電路SRE2的臨界電壓的高低是與第一級增益單元GS1』的尺寸大小有關。更詳細地說，第二電壓轉換速率增益電路SRE2的臨界電壓的高低是與第一級增益單元GS1』中的電晶體Ml』及M2』的尺寸大小有關。因此，通過改變第一級增益單元GS1』中的電晶體Ml』及M2』的尺寸大小，即可視實際需求調整第二電壓轉換速率增益電路SRE2的臨界電壓的高低，故較不易由於數據改變量不夠大而導致電壓轉換速率增益電路無法驅動。此外，第二電壓轉換速率增益電路SRE2較不易受到基體效應的影響，不會因為輸入端INP的輸入電壓不同而導致臨界電壓改變。當臨界電壓被驅動時，第二電壓轉換速率增益電路SRE2將會快速啟動第二級增益單元GS2』對高速運算放大器進行速度補償。
[0046]請參照圖6，圖6為現有技術與本發明的運算放大器電路的電壓轉換速率曲線比較圖。由圖6可知:相較於如同圖6中的曲線K2所示的現有技術採用圖1及圖2所示的電壓轉換速率增益電路所得到的電壓轉換速率，本發明的運算放大器電路採用圖4及圖5所示的電壓轉換速率增益電路SREl與SRE2所得到的電壓轉換速率是如同圖6中的曲線Kl一樣具有較陡的斜率，代表本發明的運算放大器電路的電壓轉換速率明顯地較現有技術的運算放大器電路的電壓轉換速率來得快。其原因在於:本發明的運算放大器電路可彈性調整觸發轉換速率增益電路的臨界電壓，以加快轉換速率增益電路的啟動速度，還可通過二級增益來驅動高速運算放大器，故能夠提供更快及更大的驅動能力來增加高速運算放大器的電壓轉換速率。
[0047]根據本發明的另一較佳具體實施例為一種高速運算放大器運作方法。於此實施例中，高速運算放大器運作方法是用以運作高速運算放大器。高速運算放大器包含輸入端、輸出端及至少一轉換速率增益電路。該至少一轉換速率增益電路中的一轉換速率增益電路包含第一級增益單元及第二級增益單元。轉換速率增益電路具有臨界電壓，且臨界電壓的高低是與第一級增益單元的尺寸大小有關。
[0048]請參照圖7，圖7為根據本發明的另一具體實施例的運算放大器電路運作方法的流程圖。如圖7所示，該方法包含下列步驟:於步驟SlO中，將第一級增益單元耦接於輸入端與輸出端之間；於步驟S12中，將第二級增益單元耦接第一級增益單元；於步驟S14中，當臨界電壓被驅動時，轉換速率增益電路快速啟動第二級增益單元對高速運算放大器進行速度補償。實際上，該方法亦可執行步驟S16，通過改變第一級增益單元的尺寸大小的方式調整轉換速率增益電路的臨界電壓的高低。關於第一級增益單元及第二級增益單元的詳細構造及運作情形請參考上述實施例中的相關敘述，於此不另行贅述。
[0049]相較於現有技術，根據本發明的高速運算放大器及其運作方法是應用於液晶顯示面板的模擬數據傳輸，其特徵在於:可彈性調整觸發轉換速率增益電路的臨界電壓，以加快轉換速率增益電路的啟動速度，還可通過二級增益來驅動高速運算放大器，故能夠提供更快及更大的驅動能力來增加高速運算放大器的速度。
[0050]通過以上較佳具體實施例的詳述，是希望能更加清楚描述本發明的特徵與精神，而並非以上述所公開的較佳具體實施例來對本發明的範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請的專利範圍的範疇內。
【權利要求】
1.一種高速運算放大器，其特徵在於，包含: 一輸入端； 一輸出端；以及 至少一轉換速率增益電路，該至少一轉換速率增益電路中的一轉換速率增益電路包含一第一級增益單元及一第二級增益單元，該第一級增益單元耦接於該輸入端與該輸出端之間，該第一級增益單元與該第二級增益單元互相耦接，該轉換速率增益電路具有一臨界電壓，且該臨界電壓的高低是與該第一級增益單元的尺寸大小有關，當該臨界電壓被驅動時，該轉換速率增益電路快速啟動該第二級增益單元對該高速運算放大器進行速度補償。
2.如權利要求1所述的高速運算放大器，其特徵在於，該第一級增益單元包含一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體及該第二電晶體是分別耦接該輸入端與該輸出端，該第二級增益單元包含一第三電晶體，該第三電晶體耦接該第一電晶體。
3.如權利要求2所述的高速運算放大器，其特徵在於，該第一級增益單元進一步包含一第四電晶體、一第五電晶體及一第六電晶體，該第四電晶體與該第五電晶體彼此耦接，該第四電晶體是耦接該第一電晶體及該第三電晶體，該第五電晶體是耦接該第二電晶體，該第六電晶體耦接該第一電晶體、該第二電晶體及接地端。
4.如權利要求3所述的高速運算放大器，其特徵在於，該第一電晶體、該第二電晶體及該第六電晶體為~型金氧半場效電晶體且該第三電晶體、該第四電晶體及該第五電晶體為？型金氧半場效電晶體。
5.如權利要求3所述的高速運算放大器，其特徵在於，該第一電晶體、該第二電晶體及該第六電晶體為？型金氧半場效電晶體且該第三電晶體、該第四電晶體及該第五電晶體為^型金氧半場效電晶體。
6.如權利要求2所述的高速運算放大器，其特徵在於，該臨界電壓的高低是與該第一級增益單元的該第一電晶體及該第二電晶體的尺寸大小有關。
7.一種高速運算放大器運作方法，用以運作一高速運算放大器，該高速運算放大器包含一輸入端、一輸出端及至少一轉換速率增益電路，該至少一轉換速率增益電路中的一轉換速率增益電路包含一第一級增益單元及一第二級增益單元，該轉換速率增益電路具有一臨界電壓，且該臨界電壓的高低是與該第一級增益單元的尺寸大小有關，其特徵在於，該方法包含下列步驟: 將該第一級增益單元耦接於該輸入端與該輸出端之間，並將該第二級增益單元耦接該第一級增益單元；以及 當該臨界電壓被驅動時，該轉換速率增益電路快速啟動該第二級增益單元對該高速運算放大器進行速度補償。
8.如權利要求7所述的高速運算放大器運作方法，其特徵在於，該第一級增益單元包含一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體及該第二電晶體是分別耦接該輸入端與該輸出端，該第二級增益單元包含一第三電晶體，該第三電晶體耦接該第一電晶體。
9.如權利要求8所述的高速運算放大器運作方法，其特徵在於，該第一級增益單元進一步包含一第四電晶體、一第五電晶體及一第六電晶體，該第四電晶體與該第五電晶體彼此耦接，該第四電晶體是耦接該第一電晶體及該第三電晶體，該第五電晶體是耦接該第二電晶體，該第六電晶體耦接該第一電晶體、該第二電晶體及接地端。
10.如權利要求9所述的高速運算放大器運作方法，其特徵在於，該第一電晶體、該第二電晶體及該第六電晶體為~型金氧半場效電晶體且該第三電晶體、該第四電晶體及該第五電晶體為？型金氧半場效電晶體。
11.如權利要求9所述的高速運算放大器運作方法，其特徵在於，該第一電晶體、該第二電晶體及該第六電晶體為？型金氧半場效電晶體且該第三電晶體、該第四電晶體及該第五電晶體為~型金氧半場效電晶體。
12.如權利要求8所述的高速運算放大器運作方法，其特徵在於，該臨界電壓的高低是與該第一級增益單元的該第一電晶體及該第二電晶體的尺寸大小有關。
【文檔編號】H03F1/02GK104348433SQ201310478239
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年8月6日
【發明者】林柏成 申請人:瑞鼎科技股份有限公司