TWI635700B - 運算放大器 - Google Patents
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Abstract
一種運算放大器，包含有一輸入單元、一輸出單元、一放大單元及一控制單元。該輸入單元可用來接收一差動輸入電壓，以產生一偏置電流。該輸出單元包含有一第一電晶體及一第二電晶體，可用來產生一輸出電壓。該放大單元耦接於該輸入單元及該輸出單元之間，可用來接收該偏置電流，以根據該偏置電流控制該第一電晶體及該第二電晶體開啟或關閉，進而控制該輸出電壓的大小。該控制單元耦接於該放大單元，可用來接收該差動輸入電壓，並於該差動輸入電壓之差異大於一臨界值時，輸出一增益電流至該放大單元。
Description
本發明係指一種運算放大器，尤指一種具有高迴轉率（slew rate）之運算放大器。
運算放大器（operational amplifier）廣泛應用於各種電路中，用來實現不同功能，如訊號放大、穩定輸出、訊號驅動等。舉例來說，在液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）之源極驅動電路中，其輸出端往往需使用運算放大器作為緩衝器（buffer），以驅動面板上的資料線。隨著面板解析度愈來愈高，對畫質的要求也逐漸提升，畫面的幀率（frame rate）也隨之而提升。在此情形下，大幅提高了緩衝器驅動資料線的速度要求，因此，運算放大器需具備高迴轉率以滿足此要求。
傳統上，高迴轉率往往是透過較大的偏置電流（bias current）來實現。在一般運算放大器中，偏置電流源所輸出的偏置電流大小與迴轉率成正比，當偏置電流愈大時，驅動輸出端到達預定電壓的速度也愈快。然而，在偏置電流較大的情況下，運算放大器的耗電也隨之而增加。再者，源極驅動電路所需的運算放大器數量十分龐大，故整體增加的電源消耗相當可觀。
對此，業界已提出多種同時解決運算放大器迴轉率以及耗電問題的方法，例如，中華民國專利第I328341號、中華民國專利第I349425號及中華民國專利第I344262號皆提出了一種方法，其可在輸出電壓距離預定電壓較遠時提升偏置電流的大小以提高迴轉率，使得輸出電壓加速到達預定電壓，並在輸出電壓接近預定電壓時降低偏置電流的大小以節省耗電。然而，隨著液晶顯示器之解析度的提升以及高幀率的需求，上述解決方案已不敷使用。
因此，實有必要提出另一種運算放大器結構，可同時滿足高迴轉率及低耗電的需求，以用於具有高解析度與高幀率之液晶顯示器之驅動電路。
本發明揭露一種運算放大器，其包含有一輸入單元、一輸出單元、一放大單元及一控制單元。該輸入單元可用來接收一差動輸入電壓，以產生一偏置電流。該輸出單元包含有一第一電晶體及一第二電晶體，可用來產生一輸出電壓。該放大單元耦接於該輸入單元及該輸出單元之間，可用來接收該偏置電流，以根據該偏置電流控制該第一電晶體及該第二電晶體開啟或關閉，進而控制該輸出電壓的大小。該控制單元耦接於該放大單元，可用來接收該差動輸入電壓，並於該差動輸入電壓之差異大於一臨界值時，輸出一增益電流（gain current）至該放大單元。
請參考第1圖，第1圖為習知一運算放大器10之示意圖。如第1圖所示，運算放大器10包含有一輸入單元102、一放大單元104、一輸出單元106及一補償電容單元108。運算放大器10可接收電源VDD及VSS以及偏置電壓（bias voltage）VB1以進行運作，其中，輸入單元102可接收一差動輸入電壓，其包含有一正輸入電壓V+及一負輸入電壓V-。輸出單元106則產生一輸出電壓Vout。輸入單元102並包含偏置電流源（bias current source）S1及S2，用來提供運算放大器10運作所需的電流。當正輸入電壓V+發生變化時，運算放大器10之運作可使負輸入電壓V-追隨正輸入電壓V+變化。若將用來接收負輸入電壓V-之輸入端連接至運算放大器10之輸出端，可形成一緩衝器，其可作為驅動電路（例如液晶顯示器之源極驅動電路）的輸出端。在此情形下，當正輸入電壓V+發生變化時，輸出電壓Vout會隨著正輸入電壓V+進行變化。
如上所述，若欲使輸出電壓Vout隨著正輸入電壓V+變化的速度增加，需提升運算放大器10之迴轉率，此時，可調整偏置電流源S1及S2使其輸出更大的偏置電流，然而，當偏置電流增加時，運算放大器10之耗電量也同步增加。為解決此問題，本發明可在運算放大器10中加入一控制單元，當正輸入電壓V+與負輸入電壓V-之差異較大時，啟動控制單元的運作使得負輸入電壓V-追隨正輸入電壓V+變化的速度加快，平時則關閉控制單元以節省電源消耗。
詳細來說，請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一運算放大器20之示意圖。如第2圖所示，運算放大器20包含有一輸入單元202、一放大單元204、一輸出單元206及一控制單元210。輸入單元202可接收一差動輸入電壓，並產生一偏置電流Ib。放大單元204耦接於輸入單元202及輸出單元206，可用來接收偏置電流Ib，以根據偏置電流Ib來控制輸出單元206中的輸出電晶體開啟或關閉，進而控制輸出電壓Vout的大小。在一實施例中，為使運算放大器20之運作穩定，可在放大單元204及輸出單元206之間設置一補償電容單元，用來進行頻率補償。控制單元210耦接於放大單元204，可接收差動輸入電壓（即正輸入電壓V+與負輸入電壓V-），以在差動輸入電壓之差異大於一臨界值時，輸出一增益電流Ig至放大單元204。如第2圖所示，在此例中，負輸入電壓V-等於輸出電壓Vout，表示運算放大器20之負輸入端與輸出端相連，代表運算放大器20作為緩衝器的情形。該緩衝器可接收電壓Vin並輸出電壓Vout。但在其它實施例中，負輸入電壓V-亦可能不等於輸出電壓Vout，例如，當運算放大器20之輸出端透過電阻與負輸入端相連時，輸出電壓Vout可能與負輸入電壓V-具有特定關係（例如成正比）但不相等。在另一實施例中，運算放大器20亦可不使用負回授結構，此時輸出電壓Vout與負輸入電壓V-無明顯的關聯性。
請參考第3圖，第3圖為控制單元210之一種實施方式之示意圖。如第3圖所示，控制單元210包含有一比較器302及增益電流源304_1及304_2。比較器302可接收正輸入電壓V+及負輸入電壓V-，以比較正輸入電壓V+與負輸入電壓V-的大小。增益電流源304_1耦接於比較器302，可在正輸入電壓V+大於負輸入電壓V-且其差異大於臨界值時，輸出增益電流Igp。增益電流源304_2耦接於比較器302，可在負輸入電壓V-大於正輸入電壓V+且其差異大於臨界值時，輸出增益電流Ign。詳細來說，當正輸入電壓V+上升至大於負輸入電壓V-且其差異超過一臨界值（即電晶體Mn1之臨界電壓（threshold voltage，Vth））時，電晶體Mn1會開啟，使得端點Ctlp之電壓下降，以開啟電晶體Mp2。此時，增益電流源304_1所產生之增益電流Igp即可通過電晶體Mp2並加以輸出。當正輸入電壓V+下降至小於負輸入電壓V-且其差異超過一臨界值（即電晶體Mp1之臨界電壓）時，電晶體Mp1會開啟，使得端點Ctln之電壓上升，以開啟電晶體Mn2。此時，增益電流源304_2所產生之增益電流Ign即可通過電晶體Mn2並加以輸出。另一方面，當正輸入電壓V+的大小接近於或等於負輸入電壓V-的大小時，電晶體Mn1、Mp1、Mn2及Mp2皆不會開啟，因此增益電流源304_1及304_2皆不會輸出增益電流。
請參考第4圖，第4圖為運算放大器20之一種實施方式之示意圖。在第4圖中，運算放大器20接收電源VDD及VSS以及偏置電壓VB1來進行運作。其中，控制單元210採用第3圖所繪示之架構。輸入單元202包含有輸入對Mn3、Mn4及輸入對Mp3、Mp4以及偏置電流源404_1、404_2。其中，輸入對Mn3、Mn4及Mp3、Mp4用來接收差動輸入電壓，其包含有正輸入電壓V+及負輸入電壓V-。偏置電流源404_1耦接於輸入對Mn3、Mn4，可用來產生偏置電流Ibp，並輸出偏置電流Ibp至放大單元204。偏置電流源404_2耦接於輸入對Mp3、Mp4，可用來產生偏置電流Ibn，並輸出偏置電流Ibn至放大單元204。偏置電流Ibp、Ibn為恆定的電流，其電流值大小可決定運算放大器20之常態耗電量大小。接著，在放大單元204中，電晶體Mp5～Mp8構成一第一電流鏡（current mirror），電晶體Mn5～Mn8構成一第二電流鏡。輸出單元206則包含輸出電晶體Mp9及Mn9。放大單元204可輸出訊號來控制輸出電晶體Mp9及Mn9開啟或關閉，進而控制輸出電壓Vout的大小。運算放大器20另包含電容C1及C2，用來構成補償電容單元，使得運算放大器20具有良好的頻率響應，可穩定進行運作。
當運算放大器20作為電路緩衝器或電壓放大器時，輸出端可透過負回授的方式耦接至負輸入端，使得輸出電壓Vout等於負輸入電壓V-或與負輸入電壓V-具有特定關係（例如成正比）。詳細來說，當正輸入電壓V+上升至大於負輸入電壓V-且其差異超過臨界值時，控制單元210之增益電流源304_1輸出增益電流Igp至放大單元204中的端點Np1；在放大單元204中，電晶體Mp5～Mp8所形成之第一電流鏡可將增益電流Igp映射至放大單元204之一輸出端點Np2，使得輸出端點Np2之電壓下降，以控制輸出電晶體Mp9開啟。在此情形下，輸出單元206之輸出端與電壓源VDD之間的路徑導通，使得輸出電壓Vout上升，並透過負回授推升負輸入電壓V-。當負輸入電壓V-上升至等於正輸入電壓V+時，輸出電晶體Mp9關閉，控制單元210則停止運作，此時運算放大器20之耗電僅來自於偏置電流源404_1及404_2，可節省電源消耗。另一方面，當正輸入電壓V+下降至小於負輸入電壓V-且其差異超過臨界值時，控制單元210之增益電流源304_2輸出增益電流Ign至放大單元204中的端點Nn1；在放大單元204中，電晶體Mn5～Mn8所形成之第二電流鏡可將增益電流Ign映射至放大單元204之一輸出端點Nn2，使得輸出端點Nn2之電壓上升，以控制輸出電晶體Mn9開啟。在此情形下，輸出單元206之輸出端與電壓源VSS之間的路徑導通，使得輸出電壓Vout下降，並透過負回授下拉負輸入電壓V-。當負輸入電壓V-下降至等於正輸入電壓V+時，輸出電晶體Mn9關閉，控制單元210則停止運作，此時運算放大器20之耗電僅來自於偏置電流源404_1及404_2，可節省電源消耗。
上述控制單元210之運作可透過增益電流來推動放大單元204及輸出單元206，以在正輸入電壓V+與負輸入電壓V-之差異較大的瞬間，增加放大單元204中的電流，進而提升運算放大器20之迴轉率，使得輸出電壓Vout更快產生反應。需注意的是，習知技術係在差動輸入電壓差異較大時，透過比較器的比較來控制偏置電流源輸出較大電流，實際電流需再通過輸入對的比較才到達放大單元。相較之下，本案是將比較器對差動輸入電壓進行比較之後產生的增益電流直接輸入放大單元，而不另外對輸入單元及其輸入對進行控制。在此情形下，本案的增益電流可直接進入放大單元來提升迴轉率，而不需另外通過輸入對。因此，在相同電流大小之下，本案可實現更高的迴轉率，即本案之運算放大器具有更快的反應速度，更適用於具有高解析度及高幀率之液晶顯示器。
值得注意的是，本發明可藉由控制單元產生增益電流，在正輸入電壓V+與負輸入電壓V-之差異較大時透過增益電流來提升運算放大器之迴轉率，其它時間則關閉控制單元以節省耗電。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，上述第3圖及第4圖之電路結構僅為本發明眾多實施方式當中的一種，實際電路可依系統需求進行修飾，而不限於此。例如，第4圖中的電容C1及C2可根據頻率響應要求，選擇性地進行設置。此外，第4圖之運算放大器為摺疊疊接式（folded cascode）結構，但在其它實施例中，亦可採用其它運算放大器結構，如兩級串接式（two-stage）結構，而不限於此。
在習知技術中，運算放大器之高迴轉率往往透過較大的偏置電流來實現。在一般運算放大器中，偏置電流源所輸出的偏置電流大小與迴轉率成正比，當偏置電流愈大時，驅動輸出端到達預定電壓的速度也愈快。然而，在偏置電流較大的情況下，運算放大器的耗電也隨之而增加。相較之下，本發明之運算放大器具有獨立於輸入單元之一控制單元，控制單元可在正輸入電壓與負輸入電壓之差異較大時，產生增益電流並輸出至放大單元，以提升迴轉率來提高輸出電壓變化的速率，其它時間則關閉以節省耗電。在此情形下，本發明之運算放大器可同時滿足高迴轉率及低耗電的需求，適用於具有高解析度與高幀率之液晶顯示器之驅動電路。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10、20‧‧‧運算放大器
102、202‧‧‧輸入單元
104、204‧‧‧放大單元
106、206‧‧‧輸出單元
108‧‧‧補償電容單元
VDD、VSS‧‧‧電源
VB1‧‧‧偏置電壓
V+‧‧‧正輸入電壓
V-‧‧‧負輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
S1、S2、404_1、404_2‧‧‧偏置電流源
210‧‧‧控制單元
Ib、Ibp、Ibn‧‧‧偏置電流
Ig、Igp、Ign‧‧‧增益電流
302‧‧‧比較器
304_1、304_2‧‧‧增益電流源
Mp1～Mp8、Mn1～Mn8‧‧‧電晶體
Mp9、Mn9‧‧‧輸出電晶體
Ctlp、Ctln、Np1、Nn1‧‧‧端點
Np2、Nn2‧‧‧輸出端點
C1、C2‧‧‧電容
102、202‧‧‧輸入單元
104、204‧‧‧放大單元
106、206‧‧‧輸出單元
108‧‧‧補償電容單元
VDD、VSS‧‧‧電源
VB1‧‧‧偏置電壓
V+‧‧‧正輸入電壓
V-‧‧‧負輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
S1、S2、404_1、404_2‧‧‧偏置電流源
210‧‧‧控制單元
Ib、Ibp、Ibn‧‧‧偏置電流
Ig、Igp、Ign‧‧‧增益電流
302‧‧‧比較器
304_1、304_2‧‧‧增益電流源
Mp1～Mp8、Mn1～Mn8‧‧‧電晶體
Mp9、Mn9‧‧‧輸出電晶體
Ctlp、Ctln、Np1、Nn1‧‧‧端點
Np2、Nn2‧‧‧輸出端點
C1、C2‧‧‧電容
第1圖為習知一運算放大器之示意圖。 第2圖為本發明實施例一運算放大器之示意圖。 第3圖為第2圖中控制單元之一種實施方式之示意圖。 第4圖為第2圖中運算放大器之一種實施方式之示意圖。
Claims (7)
- 一種運算放大器(operational amplifier)，包含有：一輸入單元，用來接收一差動輸入電壓，以產生一偏置電流；一輸出單元，包含有一第一電晶體及一第二電晶體，用來產生一輸出電壓；一放大單元，耦接於該輸入單元及該輸出單元之間，用來接收該偏置電流，以根據該偏置電流控制該第一電晶體及該第二電晶體開啟或關閉，進而控制該輸出電壓的大小；以及一控制單元，耦接於該放大單元，用來接收該差動輸入電壓，並於該差動輸入電壓之差異大於一臨界值時，輸出一增益電流至該放大單元；其中，該控制單元不對該輸入單元進行控制。
- 如請求項1所述之運算放大器，其中該控制單元包含有：一比較器，用來比較該差動輸入電壓中一第一輸入電壓與一第二輸入電壓的大小；一第一增益電流源，耦接於該比較器，用來於該第一輸入電壓大於該第二輸入電壓且其差異大於該臨界值時，輸出一第一增益電流至該放大單元之一第一端點；以及一第二增益電流源，耦接於該比較器，用來於該第二輸入電壓大於該第一輸入電壓且其差異大於該臨界值時，輸出一第二增益電流至該放大單元之一第二端點。
- 如請求項2所述之運算放大器，其中當該第一輸入電壓的大小接近於或等於該第二輸入電壓的大小時，該第一增益電流源與該第二增益電流源皆不輸出。
- 如請求項2所述之運算放大器，其中該放大單元包含有：一第一電流鏡，用來將該第一增益電流由該第一端點映射至該放大單元之一第一輸出端點，以控制該第一電晶體開啟或關閉；以及一第二電流鏡，用來將該第二增益電流由該第二端點映射至該放大單元之一第二輸出端點，以控制該第二電晶體開啟或關閉。
- 如請求項2所述之運算放大器，其中該輸出電壓等於該第二輸入電壓或與該第二輸入電壓具有一特定關係。
- 如請求項1所述之運算放大器，其中該輸入單元包含有：一輸入對，用來接收該差動輸入電壓；以及一偏置電流源，耦接於該輸入對，用來產生該偏置電流，並輸出該偏置電流至該放大單元。
- 如請求項1所述之運算放大器，其中該運算放大器另包含有：一補償電容單元，耦接於該放大單元及該輸出單元，用來進行頻率補償，使該運算放大器穩定。
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