數模轉換器的製作方法
2023-09-22 23:15:45
專利名稱：數模轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數模轉換器(DAC)和一種安裝了這種DAC的有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)。
一種已知類型的DAC包括兩個級聯級，其中第一級從多個電壓參考值中選擇一對低阻抗的參考電壓，並以此作為第二級線性DAC的輸入值。這種類型的DAC，例如，可以用在帶有數字接口的AMLCD的數據驅動控制電路中。這種轉換器用來產生模擬圖像元素(象素)的電壓，並為象素電壓和液晶象素的象素亮度傳輸之間的非線性關係提供補償。這通常稱作灰度係數校正，用於有效地使象素電壓和象素傳輸之間的關係線性化。
附
圖1示出了已知類型的兩級DAC，如在US5877717中所公開的。第一級1有2m+1個與提供一個零參考電壓和2m個不同的參考電壓的低阻抗參考電壓源相連的輸入端，該2m個不同的參考電壓表示接近提供灰度係數校正功能的線性段的終點。第一級1的功能是用作DAC，並且接收k位並行輸入信號的m位最高有效位(MSBs)。一個m位到2m的解碼器用來轉換m位MSBs，以提供與2m個輸出中的一個對應的有效信號，這些用於控制兩個2m到1的多路復用器。M位MSBs選擇與一個線性段對應的參考電壓VH和VL。
第二級2包括一個線性DAC，通過k位輸入信號的n位最低有效位(LSBs)來選址，並在由上、下電壓限VH和VL確定的電壓範圍內執行n位線性轉換。DAC2包括一個n位到2n的解碼器2a，2a的輸出控制諸如3的n個開關，開關用來選擇包括諸如4的串聯於DAC接收電壓VH和VL的輸入端之間的電阻器的電阻性分壓器的接頭點。DAC2的輸出直接或通過圖1中斷線表示的可選緩衝器5與負載相連，圖示的為電容負載Cload。
附圖2示出了EP0899884中公開的另一種已知類型的兩級轉換器。這種DAC與圖1中所示DAC的區別在於第二級2使用電容轉換器代替了電阻階梯形轉換器。n位最低有效位LSBs直接控制諸如6的n個電子開關，電子開關選擇性的與各自的諸如7的電容的第一電極相連，以接收第一級DAC1的上限電壓VH或下限電壓VL。電容的第二電極連在一起，並直接或通過可選緩衝器5連到DAC的輸出。此外，諸如8的開關，與電容交叉相連，開關9連接在電容7的第二電極和接收下限電壓VL的輸入端之間。
電容7具有二進位等級的電容，以至每個電容的電容量是表示下一個最低有效位的電容的兩倍。開關6，8和9由包括圖2所示的φ1和φ2的兩段非重疊的時鐘控制。在第一段φ1，開關8和9閉合，以使電容7放電，並將轉換器2的輸出充電至下限電壓VL。在第二時鐘段φ2，如果控制位為高，則每一個電容7連接接收上限電壓VH；如果控制位為低，則每一個電容7連接接收下限電壓VL。
DAC的兩個重要的規格是輸入的數字數據轉換成相應的模擬值的精度及轉換的速度(到給定的負載阻抗)。使用緩衝器5有利於提高驅動能力和整體轉換速度。然而，對於驅動高電容負載的高速轉換器，例如AMLCD中的轉換器，會帶來對緩衝器的高轉換率及精度的需求。
為了提高轉換過程的速度，可以將輸出負載預充電到中間電平，例如在US5426447中公開的。這種設置在附圖3中已說明，圖3表示一種包括薄膜電晶體(TFT)陣列10的AMLCD。陣列10包括如11這樣的薄膜電晶體，薄膜電晶體構成矩陣陣列，用來控制諸如12這樣的單個液晶象素。每一行電晶體11的柵極被連接在一起，並與掃描驅動器相連，而每一列電晶體的漏極被連接在一起，並與各個輸出緩衝器5相連。數字數據和控制信號提供給包括附圖1或附圖2所示類型的DAC的列數據驅動器14。
數據線同時被連接到接收預充電控制信號的預充電電路15。這一設置的目的是為減少對緩衝器5的轉換率的需求。
為了保持液晶的DC平衡，通常用交流極電壓驅動象素。例如，極性在每一個數據行或幀提供給顯示器之後可以反向。這樣，由於在一個刷新周期內所需的象素電壓必須從前一個刷新周期的反向電極象素電壓中獲得，輸出緩衝器5的最大轉換率能力就限制了顯示器的刷新頻率。
在附圖3所示的設置中，每一個刷新周期開始之前，預充電電路15對所有的數據線預充電到一個固定的電壓，以便減小必須通過每一個象素獲得的電壓變化。這樣減少了對輸出緩衝器5的最大轉換率的需求。
這種類型的技術已經在EP0899714、EP0899713、EP0899712中公開。在這種情況下，預充電電路15給數據線預充電到約為最大象素電壓的一半。這樣一來，在一個已提前充電到反向電極的最大象素電壓的象素上建立最大象素電壓的最壞情況下，最大轉換率以4為因數減小。
根據本發明的第一個方面，提供了一種數模轉換器，包括第一轉換器級，用於執行k位輸入信號的m位最高有效位的第一數模轉換；預充電電路，用於根據第一轉換的結果給輸出負載預充電到預充電電壓；及第二轉換器級，用來執行k位輸入信號中n位最低有效位的第二數模轉換。
m與n的和可以等於k。
根據m位最高有效位，第一級可以設置為選擇多個參考電壓中的第一和第二電壓。
多個參考電壓包括2m+1個參考電壓。
第一和第二電壓可以有連續值。
第一電壓值大於第二電壓值；並且預充電電壓值小於或實際上等於第一電壓值，大於或實際上等於第二電壓值。
預充電電壓值實際上等於第一和第二電壓值的算術平均值。
預充電電壓實際上等於第一和第二電壓中的一個。預充電電壓實際上等於第二電壓。第一級有分別用於第一和第二電壓的第一和第二輸出，預充電電路包括一個用於在預充電階段將轉換器的輸出與第一和第二輸出之一相連的第一開關。
預充電電路包括一個用於在預充電階段將第二級的輸出與轉換器的輸出斷開連接的第二開關。
輸出緩衝器連接在第二級的輸出和第二開關之間。輸出緩衝器具有不同的輸入端，第一輸入端與第二級的輸出相連，第二輸入端與第一和第二輸出之一相連。
第一級包括一個m位到2m的解碼器及第一和第二2m到1的多路復用器。
第二級設置為將n位最低有效位轉換為第一和第二電壓之間的電壓。
第二級設置為執行線性轉換。
第二級包括一個分壓器，一個n位到2n的解碼器及一個2n到1的多路復用器。
第二級包括多個電容和多個用於根據n位最低有效位有選擇地連接電容以接收第一或第二電壓的開關。
根據本發明的第二個方面，提供了一種包括根據本發明第7一個方面的轉換器的有源矩陣液晶顯示器。
因此，可能提供一種實質上提高轉換速度的DAC。在初始或第一轉換過程的基礎上，通過執行輸出負載的預充電，第二轉換級在最壞的情況下，需要提供比較小的電壓變化，以使總體轉換周期對於給定的驅動能力可以減小。在提供了輸出緩衝器的地方，對於緩衝器的最大轉換率的需求實際上減少了。或者，對於給定的速度需求，轉換器的設計，當存在緩衝器的時候，緩衝器可以簡化，也可以通過節省電力消耗來實現。
下面參考附圖，對本發明作進一步的描述圖1為第一種已知類型的數模轉換器(DAC)的電路框圖；圖2為第二種已知類型的數模轉換器(DAC)的電路框圖；圖3為已知類型的包括預充電設置的AMLCD的原理框圖；圖4為構成本發明一個實施例的DAC的電路框圖；圖5為圖4中的DAC產生的波形圖；圖6為驅動負載時DAC的性能圖；圖7為類似於圖6的當驅動負載時DAC的轉換率極限的結果圖；圖8為構成本發明另一個實施例的DAC的電路框圖；圖9為構成本發明又一個實施例的DAC的電路框圖；圖10示出了應用於圖9所示類型的DAC的偏移補償技術的電路圖；圖11為構成本發明又一個實施例的DAC的電路框圖；圖12為構成本發明實施例的並包括圖4中所示類型的DAC的AMLCD的原理圖。
附圖中相同的標記指示相同的部分。
圖4所示的是包括第一DAC級1和第二DAC級2的兩級類型的DAC。第一級DAC1接收k位並行輸入信號的m位最高有效位，而第二級2接收n位最低有效位，其中m+n＝k。第一級1與圖1、2中所示的類型相同，在上文已經描述過，因此不再贅述。
級1根據m位最高有效位從參考電壓選擇電壓的上限VH和下限VL，並將它們提供給第二DAC級2，第二DAC級2在電壓VL和VH範圍內執行n位最低有效位的線性轉換。級2的輸出通過上文描述的可選緩衝器5提供。
圖4的轉換器包括一個預充電電路，預充電電路由一個預充電開關SW1和一個隔離開關SW2組成。開關SW1連接在提供下限電壓VL的第一級1的輸出和與負載電容Cload相連的轉換器的輸出之間。開關SW2連接在轉換器輸出和級2的輸出之間，或當存在緩衝器5的時候，連接在轉換器輸出與緩衝器5的輸出之間。開關SW1和SW2由非重疊的兩段時鐘信號φ1和φ2控制，以至在預充電階段，當時鐘信號φ1有效時，開關SW1閉合，SW2斷開，而在當時鐘信號φ2有效時的第二時鐘階段，開關SW1斷開，SW2閉合。
儘管開關SW1表示為被連接到提供下限電壓VL的級l的輸出，開關也可以選擇性地與提供上限電壓VH的輸出或點相連，例如分壓器的接頭點，用來提供電壓限VH和VL之間的電壓。然而，為簡單起見，下面將描述圖4中將開關連接用來接收下限電壓VL的設置。
圖5示出了與公共時間坐標軸對照的圖4中的時鐘信號φ1和φ2以及轉換器的輸出電壓。在零時刻，通過負載電容Cload的電壓可以是轉換器工作輸出電壓範圍內的任意值。例如，在轉換器被用作提供反向極性象素信號的AMLCD的一部分的地方，具有連續地刷新周期，初始電壓在反向極性工作電壓範圍內可以取當前刷新周期內提供的任意值。然而，為簡單起見，初始電壓在零時間刻表示為零值。
此時，時鐘信號φ1轉換到有效高電平，而時鐘信號φ2轉換到無效低電平。開關SW1閉合，SW2斷開。第一DAC級1根據當前k位輸入信號的m位最高有效位選擇兩個輸入參考電壓提供具有連續值的電壓限VL和VH。開關SW1與負載Cload相連，來接收下限電壓VL，以便於負載向電壓VL充電，並在一定精度內達到這個值，在由時鐘信號φ1定義的預充電階段結束之前，開關SW1保持有效。
電壓限VL和VH用來提供給第二DAC級2，第二DAC級2在由根據k位輸入的n位最低有效位的電壓限定義的電壓範圍內執行線性轉換。表示k位輸入信號完全轉換到模擬輸出信號的結果電壓從級2的輸出、或者直接或當存在緩衝器5時通過緩衝器5提供給開關SW2，開關SW2在定義預充電階段的第一時鐘階段保持斷開。
在t1時刻，時鐘信號φ1轉換到無效或低狀態來結束預充電。時鐘信號φ2變為有效，以便開關SW1斷開，SW2閉合。負載Cload從下限電壓VL上斷開連接，然後被連接用來接收轉換器的輸出電壓。正如圖5所示，負載充電至轉換器輸出電壓Vf，然後結束。在t2時刻，當時鐘信號φ1變成有效，時鐘信號φ2變成無效時重複操作周期。
圖6示出了具有限值輸出電阻R的DAC的輸出操作，電阻R用於給帶電容C的負載充電。電壓V(t)表示t時刻無負載的輸出電壓(開路輸出電壓)，V0(t)表示t時刻通過負載的電壓。V0(0)則表示零時刻通過負載的初始電壓。
通過負載的電壓由公式給出Vc(t)＝Vc(0)+[Vc(t)-Vc(0)](1-e-t/RC)考慮到T時刻完成的轉換，精度x定義為x＝Vc(T)/V(T)完成轉換所需的時間T由公式給出T＝RC In(V(T)-Vc(0))/(1-x)V(T)這一公式可以通過以V代替V(T)，V0代替Vc(0)簡化為T＝RC In(V-V0)/(1-x)V作為實例，一種典型的AMLCD應用需要m＝3且n＝3的6位轉換。在附圖4所示的轉換器的情況下，預充電電壓V0等於7V/8，並且用於完全轉換的一半的最低有效位的精度達到Tprg＝RC In(V-7V/8)/(1-63.5/64)＝2.77×RC對於已知類型的DAC，例如附圖1和2所示的，初始電壓V0為零，且一半的最低有效位的精度達到Tprg＝RC InV/(1-63.5/64)＝4.85×RC這樣，對於給定的輸出阻抗和負載電容，附圖4中的轉換器比附圖1和2中已知類型的轉換器幾乎快兩倍。此外，對於轉換器的輸入位k的數量在n＝m時，通常的結果是速度近似加倍。相反，對於給定的轉換速度，使用電阻類型的DAC(例如附圖1中的級2)用於直接驅動負載，由於使用較大值電阻實現同樣的轉換速度，級2的電力幾乎消耗到一半。在這種情況下，儘管電阻類型的DAC具有依靠實際輸出電壓的可變輸出電阻，在上述表達式中通常是這種結果。R代表可變輸出電阻。
在存在輸出緩衝器5的情況下，緩衝器5的最大輸出轉換率的有限值受負載電容C的最大充電率的限制，而不是受緩衝器5的輸出電阻或阻抗的限制。這種對轉換器的轉換速度的影響在附圖7中已說明，為簡單起見，忽略緩衝器的小信號調整時間。
在這種情況下，通過負載電容C的電壓由公式給出Vc(t)＝Vc(0)+S·t其中S為緩衝器5在輸出時的最大轉換率。通過使用相同的精度參數x，由公式給出x＝Vc(T)/V(T)轉換時間T由公式給出T＝[xV(T)-Vc(0)]/S上文給出的公式以同樣的方式可以簡化為T＝[xV-V0]/S再者，對於m＝3和n＝3的完整規模的轉換以及一半最低有效位的精度，附圖4所示的轉換器通過下面公式完成轉換T＝[63.5V/64-7V/8]/S＝0.12×V/S相反，已知類型的轉換器，例如在附圖1或2中所示的轉換器具有一個由公式給出的轉換時間T＝63.5V/64S＝0.99×V/S這樣，轉換速度可以通過因數8增加。相反，對於相同的轉換速度，由於對最大轉換率的需求幾乎是幅度下降的順序，緩衝器的規格和電力消耗實際上減少了。
附圖8所示的轉換器是附圖4中所示的類型，具有圖1所示的電阻階梯型第二DAC級2。類似的，圖9中所示的轉換器是圖4中所示的類型，但是具有圖2所示的二進位等級的DAC級2。
在轉換器需要用在高精度電路或包含在諸如多矽薄膜電晶體的低性能電路中時，在給負載提供輸出信號之前，需要偏移補償電路來消除緩衝器5中對偏移的影響。偏移補償裝置的一個實例如圖10所示，利用轉換器的兩段操作來提供偏移補償，而不必拖延轉換過程。偏移補償裝置包括一個輸入電容C1，一個反饋電容C2，以及開關SW3至SW7。緩衝器5有不同的輸入類型，作為一個電壓輸出器來操作，通過具有百分之百的負反饋到其反向輸入端。開關SW3，SW5和SW7在時鐘信號φ1有效時閉合，在時鐘信號φ2無效時斷開，而開關SW4和SW6在時鐘信號φ1無效時斷開，在時鐘信號φ2有效時閉合。
緩衝器5的非反向輸入端可以被連接用來接收下限電壓VL或一個例如在AMLCD的計數器電極上的固定電壓。當緩衝器5的非反向輸入端接收了下限電壓VL時，由於測量的偏移與需要的最終結果非常接近，電路的動態操作得到改善。然而，如果緩衝器5的普通模式的輸入電壓範圍不夠充分，非轉換輸入可與常量電壓相連，緩衝器5的輸入級實際上保持在常量操作點，如果緩衝器5需要以提供給它的上限和下限電壓之間的輸入電壓操作，這樣是有利的。
圖11所示的轉換器是圖4所示的類型，而且，除了可選緩衝器5之外，可選的偏移補償裝置22由斷線所示。例如，這可以是圖10所示的類型。並且，開關SW1與分壓裝置24的輸出相連，分壓裝置的輸入連接接收上限電壓VH和下限電壓VL。例如，分壓裝置24可以被設置用來提供上限和下限電壓的算術平均值(VL+VH)/2給開關SW1。這樣，當時鐘信號φ1有效時，負載CLOAD向VL和VH電壓間，最好是中間值充電。DAC級2必須產生的最大電壓變化大約是前面所述實施例所需最大變化的一半。
圖12示出了一種與圖3所示類型相似的AMLCD，但是其中列數據驅動器14包括多個圖4所示的轉換器。特別是，每一列或諸如20的數據線，被連接到包括級1和2以及開關SW1和SW2的各個轉換器上。其中包括使用低性能多矽電晶體的驅動器13和14，例如使用矽絕緣技術，應用這種轉換器提供改進的操作速度和/或減少集成電路區域的需求，允許對設計依次進行簡化和改進。
權利要求
1.一種數模轉換器，包括第一轉換器級，用於執行k位輸入信號的m位最高有效位的第一數模轉換；預充電電路，用於根據第一轉換的結果給輸出負載預充電到預充電電壓；及第二轉換器級，用來執行k位輸入信號中n位最低有效位的第二數模轉換。
2.如權利要求1所述的數模轉換器，其中m+n＝k。
3.如權利要求1所述的數模轉換器，其中根據m位最高有效位，第一級設置為選擇多個參考電壓中的第一和第二電壓。
4.如權利要求3所述的數模轉換器，其中多個參考電壓包括2m+1個參考電壓。
5.如權利要求3所述的數模轉換器，其中第一和第二電壓具有連續值。
6.如權利要求3所述的數模轉換器，其中第一電壓值大於第二電壓值；並且預充電電壓值小於或實際上等於第一電壓值，大於或實際上等於第二電壓值。
7.如權利要求6所述的數模轉換器，其中預充電電壓值實際上等於第一和第二電壓值的算術平均值。
8.如權利要求6所述的數模轉換器，其中預充電的電壓幾乎等於第一和第二電壓的量值中的一個。
9.如權利要求6所述的數模轉換器，其中第一級有分別用於第一和第二電壓的第一和第二輸出，預充電電路包括一個用於在預充電階段將轉換器的輸出與第一和第二輸出之一相連的第一開關。
10.如權利要求9所述的數模轉換器，其中預充電電路包括一個用於在預充電階段將第二級的輸出與轉換器的輸出斷開連接的第二開關。
11.如權利要求10所述的數模轉換器，包括一個連接在第二級的輸出和第二開關之間的輸出緩衝器。
12.如權利要求11所述的數模轉換器，其中輸出緩衝器具有不同的輸入端，第一輸入端與第二級的輸出相連，第二輸入端與第一和第二輸出之一相連。
13.如權利要求4所述的數模轉換器，其中第一級包括一個m位到2m的解碼器及第一和第二2m到1的多路復用器。
14.如權利要求5所述的數模轉換器，其中第一級包括一個m位到2m的解碼器及第一和第二2m到1的多路復用器。
15.如權利要求6所述的數模轉換器，其中第一級包括一個m位到2m的解碼器及第一和第二2m到1的多路復用器。
16.如權利要求3所述的數模轉換器，其中第二級設置為將n位最低有效位轉換為第一和第二電壓之間的電壓。
17.如權利要求16所述的數模轉換器，其中第二級設置為執行線性轉換。
18.如權利要求16所述的數模轉換器，其中第二級包括一個分壓器，一個n位到2n的解碼器及一個2n到1的多路復用器。
19.如權利要求16所述的數模轉換器，其中第二級包括多個電容和多個用於根據n位最低有效位有選擇地連接電容以接收第一或第二電壓的開關。
20.一中包括如權利要求1所述的數模轉換器的有源矩陣液晶顯示器。
全文摘要
一種數模轉換器包括第一轉換器級1,用於通過選擇合適的低阻抗參考電壓將一個k位輸入信號中的m位最高有效位轉換到上限電壓VH和下限電壓VL;第二轉換器級2,在電壓限VL和VH確定的電壓範圍內執行k位輸入信號中n位最低有效位的線性轉換;包括開關SW1和SW2的預充電電路,將級2與在預充電階段充電至電壓限VL的負載C
文檔編號H03M1/80GK1335682SQ0112289
公開日2002年2月13日 申請日期2001年5月9日 優先權日2000年5月9日
發明者J·B·米歇爾, A·C·格拉罕, R·M·A·D·凱瑟林, 山下英彥, 久保田靖, 鷲尾一 申請人:夏普株式會社