JP4162569B2 - バックゲート・バイアス回路を備えたレベル・シフタ - Google Patents

バックゲート・バイアス回路を備えたレベル・シフタ Download PDF

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Description

本発明は、薄膜トランジスタ液晶表示装置(TFT−LCD)に応用可能なレベル・シフタに関する。
本願は、2002年10月25日出願の台湾特許出願第091124958号の優先権を主張する。
薄膜トランジスタ液晶表示装置(TFT−LCD)内部の電子エレメント全てを駆動するためには、TFT−LCDはレベル・シフタによって、コンピュータ系デバイスから来るような入力電圧レベルから出力電圧レベルにシフトしなければならない。TFTの閾値電圧はCMOSのそれよりも高いので、従来技術のTFT−LCDの殆どは、検出回路を利用して、過剰に低い入力電圧によって起こるレベル・シフタの動作不良を回避している。
図1は、従来技術のレベル・シフタを示す。図1を参照すると、レベル・シフタの基本的構造は、シフト回路32、第1検出回路27、及び第2検出回路29を含む。シフト回路32は、1対の入力トランジスタである第1トランジスタ2及び第2トランジスタ4、ならびに1対の負荷トランジスタである第3トランジスタ6及び第4トランジスタ8を含む。第1検出回路27は、第5トランジスタ10、第1入力端子18、及び第1電流源14を含む。第2検出回路29は、第6トランジスタ12、第2入力端子20、及び第2電流源16を含む。第1入力端子18及び第2入力端子20の入力信号は、相補電圧レベルを必要とする。第5トランジスタ10及び第6トランジスタ12は、ここでは、第1トランジスタ2及び第2トランジスタ4の閾値電圧をそれぞれ検出し、第1トランジスタ2及び第2トランジスタ4の動作が適切なモードにあることを維持するように構成されている。このようにして、レベル・シフタは予測通りに動作することができる。
図2は、従来技術の別のレベル・シフタを示す。図1及び図2に示す基本的構造は、第3トランジスタ6及び第4トランジスタ8のゲート接続が異なることを除いて同一である。図3は、従来技術を更に改良したレベル・シフタを示す。これは、第7トランジスタ13を追加したことを除いて、図1に示すレベル・シフタと同一である。第7トランジスタ13及びその特定的な接続方法によって、図3のレベル・シフタは、第2入力端子20がなくとも、図1及び図2のレベル・シフタの機能を遂行することができる。
データ伝送中に処理すべきデータ量が増々増えつつあるために、TFT−LCDの動作周波数も上昇している。しかしながら、第1トランジスタ2及び第2トランジスタ4が常にアクティブ状態にあるために、前述のレベル・シフタでは速度の向上が制限される。その上、前述のレベル・シフタには、電流源(第1電流源14及び第2電流源16)から検出用トランジスタ(第5トランジスタ10及び第6トランジスタ12)を介して接地まで至る2本のDC経路がある。これら2本のDC経路のため、レベル・シフタが動作中か否かには関わらず、電源30が供給されている間は不要な電力消費が生ずる。何故なら、第5トランジスタ10及び第6トランジスタ12の接続がこの一定電源を必要とするからである。
本発明の目的は、高速、低入力電圧、及び低電力消費という利点のあるレベル・シフタを提供することである。
本発明は、TFT−LCDに用いるレベル・シフタを提供する。これは、シフト回路及び2つのバイアス回路を含む。シフト回路は、2つの入力トランジスタ及び2つの負荷トランジスタを有し、入力電圧レベルから出力電圧レベルにシフトするように構成されている。各バイアス回路は、シフト回路の一方の入力端子に接続されている入力端子と、いずれかの入力トランジスタのバックゲートに接続され、入力電圧レベルに応じて入力トランジスタの閾値電圧を調節する出力端子とを有する。従って、本発明のレベル・シフタは、高速かつ低入力電圧で正しく動作し、しかもバイアス回路を組み込むことによってDC電力消費を一掃することができる。
本発明は、TFT−LCDに用いるレベル・シフタを提供する。このレベル・シフタは、少なくとも1つのバイアス回路を含み、入力電圧レベルから出力電圧レベルにシフトするように構成されている。バイアス回路は、入力トランジスタをバイアスすることによって、レベル・シフタ内部の入力トランジスタの閾値電圧を調節することができる。本発明のレベル・シフタは、高周波数において低い入力電圧で動作することができ、しかも電力消費を低減することができる。
TFTの閾値電圧は、次の式から導出することができる。
Figure 0004162569
ここで、γ及びφは、特定の半導体プロセスのパラメータ、VSBはソース及びバックゲート間の電位差、Vth0はVSB=0における閾値電圧、そしてVthは実際の閾値電圧である。上述の式によれば、TFTの閾値電圧を低下させるには2つの方法がある。一方はγ及びφを調節することであり、他方はVSBを変更することである。しかしながら、半導体プロセス・パラメータを調節することによってTFTの閾値電圧を低下させることは、時間及びコストに関して経済的ではない。従って、本発明は、バイアス機能回路をレベル・シフタに組み込み、TFTの閾値電圧のレベルを入力信号の振幅に依存するようにした。
本発明のレベル・シフタは、シフト回路及び少なくとも1つのバイアス回路を含む。シフト回路は、2つの入力トランジスタ及び2つの負荷トランジスタを含み、入力電圧レベルから出力電圧レベルにシフトするように構成されている。入力トランジスタは双方ともn−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、ゲート、及びバックゲートを有する。負荷トランジスタは双方ともp−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを有する。バイアス回路は、入力端子及び出力端子をそれぞれ含み、入力トランジスタの一方のバックゲートをバイアスするように構成されている。出力端子は、入力トランジスタの一方のバックゲートに接続され、入力トランジスタの閾値電圧を変更する。
図4は、本発明の第1の実施形態例を示す。図4において、シフト回路32は、第1入力端子18、第2入力端子20、第1トランジスタ2、第2トランジスタ4、第3トランジスタ6、及び第4トランジスタ8を含む。第1入力端子18は、入力電圧レベルを入力するように構成され、第2入力端子20は、同じ入力電圧レベルを逆位相で入力するように構成されている。第1バイアス回路26の入力端子34は、第1入力端子18及び第2トランジスタ2のゲートに接続されている。第1バイアス回路26の出力端子36は、第1トランジスタ2のバックゲートに接続されている。第2バイアス回路28の入力端子38は、第2入力端子20及び第2トランジスタ4のゲートに接続されている。第2バイアス回路28の出力端子40は、第2トランジスタ4のバックゲートに接続されている。第1トランジスタ2及び第2トランジスタ4のソースは、双方共接地されている。第1トランジスタ2のドレインは、第3トランジスタ6のドレインに接続されている。第2トランジスタ4のドレインは、第4トランジスタ8のドレインに接続されている。第3トランジスタ6のゲートは、第3トランジスタ6のドレインに接続されている。第4トランジスタ8のゲートは、第3トランジスタ6のゲートに接続されている。第3トランジスタ6及び第4トランジスタ8のソースは、双方共電源30に接続されている。第4トランジスタ8のドレインは、第1出力端子22であり、ここから出力電圧レベルを出力することができる。
第1入力端子18に入力する信号が高(例えば、5V)であるか、又は第2入力端子20に入力する信号が低(例えば、0V)である場合、信号は第1バイアス回路26及び第2バイアス回路28をそれぞれ通過し、次いで第1トランジスタ2及び第2トランジスタ4の各々のバックゲートにそれぞれ到達する。信号は、第1トランジスタ2のバックゲートにおいて電位を上昇させ、第2トランジスタのバックゲートにおいて電位を低下させる。上述の式によれば、第1トランジスタ2の閾値電圧は(例えば、3.5Vから2Vに)低下し、第2トランジスタ4の閾値電圧は(例えば、2Vから3.5Vに)上昇する。従って、第1トランジスタ2のゲートにおける電位は、その閾値電圧よりも高くなるので、第1トランジスタ2はオンになる。第2トランジスタ4のゲートにおける電位は、その閾値電圧よりも低くなるので、第2トランジスタ4はオフとなる。この動作により、シフト回路32は増幅器のように動作する。第1出力端子22の信号(例えば、12V)は、第1入力端子18に入力する信号を増幅する。逆に、第1入力端子18に入力する信号が低であるか、又は第2入力端子20に入力する信号が高である場合、第1トランジスタ2の閾値電圧は上昇し、第2トランジスタ4の閾値電圧は低下する。第2トランジスタ2のゲートにおける電位はその閾値電圧よりも低くなるので、第1トランジスタ2はオフとなる。第2トランジスタ4のゲートにおける電位はその閾値電圧よりも高くなるので、第2トランジスタ4はオンとなる。従って、第1出力端子22における電位は、第2トランジスタ4のドレイン及びソース間の電位差と同じだけ引き下げられ、0Vに近づく。以上の説明に基づいて、第1出力端子22の信号は、第1入力端子18の信号と同位相で増幅される。
第1入力端子18の信号が高であるとき、第1トランジスタ2のバックゲートにおける電位は、上述の動作を実行するためには高でなければならない。同様に、第1入力端子18の信号が低であるとき、第1トランジスタ2のバックゲートにおける電位も同様に低でなければならない。従って、第1バイアス回路26及び第2バイアス回路28は、バッファ又は2つの直列接続したインバータによって実施することができる。バイアス回路の構造は、前述の2つに限られる訳ではない。同じ機能を有するスタティック・ロジック回路であればいずれでも、ここでは適当である。
図5は、本発明の第2の実施形態例を示す。第2の実施形態例の構造は、第3トランジスタ6のゲートが第4トランジスタ8のドレインに接続されていること、及び第4トランジスタ8のゲートが第3トランジスタ6のドレインに接続されていることを除いて、図4に示した第1の実施形態例と同一である。これらの接続の結果、第2出力端子24が形成され、その出力は、第1出力端子22の出力信号と同一となるが、位相は逆である。
図6は、本発明の第3の実施形態例を示す。第3の実施形態例の構造も、第2トランジスタ4のゲート及びバックゲート双方が第2バイアス回路28の出力端子40に接続されていていること、ならびに第2バイアス回路28の入力端子38が第1入力端子18に接続されていることを除いて、第1の実施形態例と同一である。このように接続を変更することによって、レベル・シフタは第1入力端子20がなくても動作することができ、従って、第3の実施形態例は、入力信号が1つのみのデバイスにも適用することができる。第2及び第3の実施形態例の動作解析は、前述した第1の実施形態例と同一である。
本発明のレベル・シフタは、前述のバイアス回路を組み込むことによって、入力トランジスタの閾値電圧を調節することができるので、入力信号のレベルが変化している間に閾値電圧を調節することができる。従って、本発明のレベル・シフタは、低電圧環境、即ち、高周波数において動作することができ、しかもバイアス回路にスタティック・ロジック回路を用いた場合に生ずるDCの消費もなくすることができる。
従来技術のレベル・シフタの回路を示す図。 従来技術の別のレベル・シフタの回路を示す図。 従来技術の別のレベル・シフタの回路を示す図。 本発明による第1の実施形態例の回路を示す図。 本発明による第2の実施形態例の回路を示す図。 本発明による第3の実施形態例の回路を示す図。

Claims (18)

  1. 薄膜トランジスタ液晶表示装置(TFT−LCD)に用いるレベル・シフタであって、
    ソース、ドレイン、ゲート、及びバックゲートを備えた第1トランジスタと、ソース、ドレイン、ゲート、及びバックゲートを備えた第2トランジスタとを備え、入力電圧レベルを出力電圧レベルにシフトするシフト回路と、
    入力端子及び出力端子を備えた第1バイアス回路と、
    を備えており、
    前記第1バイアス回路の入力端子を前記第1トランジスタのゲートに接続し、前記第1バイアス回路の出力端子を前記第1トランジスタのバックゲートに接続し、前記入力電圧レベルに応じて前記第1トランジスタの閾値電圧を調節するようにしたことを特徴とするレベル・シフタ。
  2. 請求項1記載のレベル・シフタにおいて、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタが双方共n−チャネルTFTであることを特徴とするレベル・シフタ。
  3. 請求項2記載のレベル・シフタであって、更に、入力端子及び出力端子を備え、前記第2トランジスタのバックゲートをバイアスする第2バイアス回路を備えており、前記シフト回路が、
    前記入力電圧レベルを入力する第1入力端子と、
    前記入力電圧レベルを逆位相で入力する第2入力端子と、
    p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第3トランジスタと、
    p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第4トランジスタと、
    を備えており、
    記第2バイアス回路の入力端子を前記第2トランジスタのゲートに接続し、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースを双方共接地し、前記第1トランジスタのゲートを前記第1入力端子に接続し、前記第1トランジスタのドレインを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第2トランジスタのゲートを前記第2入力端子に接続し、前記第2トランジスタのドレインを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第4トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのゲートに接続し、前記第3トランジスタ及び前記第4トランジスタのソースを双方共電源に接続し、前記出力電圧レベルを前記第4トランジスタのドレインから出力することを特徴とするレベル・シフタ。
  4. 請求項2記載のレベル・シフタであって、更に、入力端子及び出力端子を備え、前記第2トランジスタのバックゲートをバイアスする第2バイアス回路を備えており、前記シフト回路が、
    前記入力電圧レベルを入力する第1入力端子と、
    前記入力電圧レベルを逆位相で入力する第2入力端子と、
    p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第3トランジスタと、
    p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第4トランジスタと、
    を備えており、
    記第2バイアス回路の入力端子を前記第2トランジスタのゲートに接続し、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースを双方共接地し、前記第1トランジスタのゲートを前記第1入力端子に接続し、前記第1トランジスタのドレインを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第2トランジスタのゲートを前記第2入力端子に接続し、前記第2トランジスタのドレインを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタのゲートを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第4トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタ及び前記第4トランジスタのソースを双方共電源に接続し、前記出力電圧レベルを前記第4トランジスタのドレインから出力することを特徴とするレベル・シフタ。
  5. 請求項2記載のレベル・シフタであって、更に、入力端子及び出力端子を備え、前記第2トランジスタのバックゲートをバイアスする第2バイアス回路を備えており、前記シフト回路が、
    前記入力電圧レベルを入力する入力端子と、
    p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第3トランジスタと、
    p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第4トランジスタと、
    を備えており、前記第1バイアス回路及び前記第2バイアス回路の入力端子を双方共前記第1トランジスタのゲートに接続し、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースを双方共接地し、前記第1トランジスタのゲートを前記シフト回路の入力端子に接続し、前記第1トランジスタのドレインを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第2トランジスタのゲートを前記第2トランジスタのバックゲートに接続し、前記第2トランジスタのドレインを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第4トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのゲートに接続し、前記第3トランジスタ及び第4トランジスタのソースを双方共電源に接続し、前記出力電圧レベルを前記第4トランジスタのドレインから出力することを特徴とするレベル・シフタ。
  6. 請求項3、4、又は5記載のレベル・シフタにおいて、前記第1バイアス回路がインバータを備えていることを特徴とするレベル・シフタ。
  7. 請求項3、4、又は5記載のレベル・シフタにおいて、前記第2バイアス回路がインバータを備えていることを特徴とするレベル・シフタ。
  8. TFT−LCDに用いるレベル・シフタであって、
    n−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、ゲート、及びバックゲートを備えた第1トランジスタと、n−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、ゲート、及びバックゲートを備えた第2トランジスタと、p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第3トランジスタと、p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第4トランジスタとを備え、入力電圧レベルを出力電圧レベルにシフトするシフト回路と、
    入力端子及び出力端子を備えた第1バイアス回路と、
    を備えており、
    前記第1バイアス回路の入力端子を前記第1トランジスタのゲートに接続し、前記第1バイアス回路の出力端子を前記第1トランジスタのバックゲートに接続し、前記入力電圧レベルに応じて前記第1トランジスタの閾値電圧を調節するようにしたことを特徴とするレベル・シフタ。
  9. 請求項8記載のレベル・シフタであって、更に、入力端子及び出力端子を備え、前記第2トランジスタのバックゲートをバイアスする第2バイアス回路を備えており、前記シフト回路が、
    前記入力電圧レベルを入力する第1入力端子と、
    前記入力電圧レベルを逆位相で入力する第2入力端子と、
    を備えており、
    記第2バイアス回路の入力端子を前記第2トランジスタのゲートに接続し、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースを双方共接地し、前記第1トランジスタのゲートを前記第1入力端子に接続し、前記第1トランジスタのドレインを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第2トランジスタのゲートを前記第2入力端子に接続し、前記第2トランジスタのドレインを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第4トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのゲートに接続し、前記第3トランジスタ及び前記第4トランジスタのソースを双方共電源に接続し、前記出力電圧レベルを前記第4トランジスタのドレインから出力することを特徴とするレベル・シフタ。
  10. 請求項8記載のレベル・シフタであって、更に、入力端子及び出力端子を備え、前記第2トランジスタのバックゲートをバイアスする第2バイアス回路を備えており、前記シフト回路が、
    前記入力電圧レベルを入力する第1入力端子と、
    前記入力電圧レベルを逆位相で入力する第2入力端子と、
    を備えており、
    記第2バイアス回路の入力端子を前記第2トランジスタのゲートに接続し、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースを双方共接地し、前記第1トランジスタのゲートを前記第1入力端子に接続し、前記第1トランジスタのドレインを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第2トランジスタのゲートを前記第2入力端子に接続し、前記第2トランジスタのドレインを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタのゲートを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第4トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタ及び前記第4トランジスタのソースを双方共電源に接続し、前記出力電圧レベルを前記第4トランジスタのドレインから出力することを特徴とするレベル・シフタ。
  11. 請求項8記載のレベル・シフタであって、更に、入力端子及び出力端子を備え、前記第2トランジスタのバックゲートをバイアスする第2バイアス回路を備えており、前記シフト回路が、前記入力電圧レベルを入力する入力端子を備えており、
    前記第1バイアス回路及び前記第2バイアス回路の入力端子を双方共前記第1トランジスタのゲートに接続し、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースを双方共接地し、前記第1トランジスタのゲートを前記シフト回路の入力端子に接続し、前記第1トランジスタのドレインを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第2トランジスタのゲートを前記第2トランジスタのバックゲートに接続し、前記第2トランジスタのドレインを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第4トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのゲートに接続し、前記第3トランジスタ及び第4トランジスタのソースを双方共電源に接続し、前記出力電圧レベルを前記第4トランジスタのドレインから出力することを特徴とするレベル・シフタ。
  12. 請求項9、10、又は11記載のレベル・シフタにおいて、前記第1バイアス回路がインバータを備えていることを特徴とするレベル・シフタ。
  13. 請求項9、10、又は11記載のレベル・シフタにおいて、前記第2バイアス回路がインバータを備えていることを特徴とするレベル・シフタ。
  14. TFT−LCDに用いるレベル・シフタであって、
    入力電圧レベルを入力する第1入力端子と、
    前記入力電圧レベルを逆位相で入力する第2入力端子と、
    n−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、ゲート、及びバックゲートを備えた第1トランジスタと、n−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、ゲート、及びバックゲートを備えた第2トランジスタと、p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第3トランジスタと、p−チャネルTFTであり、ソース、ドレイン、及びゲートを備えた第4トランジスタとを備え、入力電圧レベルを出力電圧レベルにシフトするシフト回路と、
    入力端子及び出力端子を備え、前記第1トランジスタのバックゲートをバイアスする第1バイアス回路と、
    入力端子及び出力端子を備え、前記第2トランジスタのバックゲートをバイアスする第2バイアス回路と、
    を備えており、
    前記第1バイアス回路の入力端子を前記第1トランジスタのゲートに接続し、前記第2バイアス回路の入力端子を前記第2トランジスタのゲートに接続し、前記第1バイアス回路の出力端子を前記第1トランジスタのバックゲートに接続し、前記第2バイアス回路の出力端子を前記第2トランジスタのバックゲートに接続し、前記第1トランジスタのゲートを前記第1入力端子に接続し、前記第2トランジスタのゲートを前記第2入力端子に接続したことを特徴とするレベル・シフタ。
  15. 請求項14記載のレベル・シフタにおいて、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースを双方共接地し、前記第1トランジスタのドレインを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第2トランジスタのドレインを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第4トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのゲートに接続し、前記第3トランジスタ及び前記第4トランジスタのソースを双方共電源に接続し、前記出力電圧レベルを前記第4トランジスタのドレインから出力するようにしたことを特徴とするレベル・シフタ。
  16. 請求項14記載のレベル・シフタにおいて、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースを双方共接地し、前記第1トランジスタのドレインを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第2トランジスタのドレインを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタのゲートを前記第4トランジスタのドレインに接続し、前記第4トランジスタのゲートを前記第3トランジスタのドレインに接続し、前記第3トランジスタ及び前記第4トランジスタのソースを双方共電源に接続し、前記出力電圧レベルを前記第4トランジスタのドレインから出力するようにしたことを特徴とするレベル・シフタ。
  17. 請求項15又は16記載のレベル・シフタにおいて、前記第1バイアス回路がインバータを備えていることを特徴とするレベル・シフタ。
  18. 請求項15又は16記載のレベル・シフタにおいて、前記第2バイアス回路がインバータを備えていることを特徴とするレベル・シフタ。
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