CN101588160B

CN101588160B - 可提高回转率的运算放大器及其相关方法

Info

Publication number: CN101588160B
Application number: CN 200810100501
Authority: CN
Inventors: 陈季廷
Original assignee: Novatek Microelectronics Corp
Current assignee: Novatek Microelectronics Corp
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: CN101588160A

Abstract

可提高回转率的运算放大器包含有一第一电流产生器，用来产生一第一偏压电流；一第二电流产生器，用来产生一第二偏压电流；一放大级电路耦接于该第一电流产生器，用来根据一输入信号，产生一放大信号；一输出级电路，耦接于该第二电流产生器及该放大级电路，用来根据该放大信号，产生一输出信号；以及一偏压电流分配单元，耦接于该第一电流产生器、该第二电流产生器、该放大级电路及该输出级电路，用来根据一控制信号，分配该第一偏压电流及该第二偏压电流，以提高该运算放大器的回转率；其中，该第二偏压电流大于该第一偏压电流。

Description

可提高回转率的运算放大器及其相关方法

技术领域

本发明指一种可提高回转率的运算放大器及其相关方法，尤指一种藉由分配放大级电路的偏压电流与输出级电路的驱动电流，以提高放大级电路驱动能力的运算放大器及其相关方法。

背景技术

运算放大器是一种具有广泛应用的电路基本构筑区块。电路设计者常可使用运算放大器来实现许多种不同的运作功能。例如，在液晶显示器的驱动电路中，运算放大器可作为一输出缓冲器，其依据前级数字至模拟转换器所输出的模拟信号，对负载(即液晶)进行充放电，以驱动液晶显示器上相对应的像素单元。然而，随着液晶显示器尺寸及分辨率的提高，液晶显示器驱动电路每单位时间所输出的数据量也越来越多，因此运算放大器的反应速度，即回转率(Slew Rate)也必须大幅地提高。

一般来说，在传统驱动芯片中所运用的运算放大器通常为一两级结构的放大器，其包含有一第一级放大电路(放大级)以及一第二级输出电路(输出级)。传统运算放大器中的第一级放大电路为用来提高该运算放大器的增益(Gain)，而第二级输出电路则用来推动运算放大器所连接的电容性或是电阻性负载。然而，传统运算放大器具有回路稳定度(Loop Stability)不足的问题，因此现有技术的运算放大器会藉由一米勒补偿(Miller Compensation)电容进行频率补偿，以达到稳定回路的效果。

请参考图1，图1为现有技术的运算放大器100的示意图。为了简洁，在此以具最简电路结构的N型输入对运算放大器100来作说明。运算放大器100主要包含有一放大级电路110、一输出级电路120、一第一偏压电流源115以及一第二偏压电流源125。放大级电路110为由晶体管MP1、MP2、MN1及MN2组成，输出级电路120为晶体管MPO形成的一共射极组态，而第一偏压电流源115及第二偏压电流源125则分别用来提供放大级电路110及输出级电路120固定大小的静态电流(或驱动电流)I_T1及I_T2。其中，输出级电路120的输出端Vout反馈耦接至放大级电路110的一输入端AVN，以形成单增益负反馈的输出缓冲器。此外，运算放大器100另于放大级电路110的输出端(即晶体管MN2的漏极)与输出级电路120的输出端Vout之间耦接一补偿电容C_M，其用来将放大级电路110及输出级电路120的输出信号作极点分离(Pole-Splitting)，以达到稳定回路的效果。请注意，现有技术的运算放大器100的详细运作原理为业界所熟知，在此不赘述。

一般来说，运算放大器100的反应速度取决于运算放大器内部放大级电路的偏压电流与输出级电路的驱动电流两者的大小。然而，为了能推动外部负载，输出级电路的驱动电流一般会设计成大于放大级电路的驱动电流。在此情形下，当现有技术的运算放大器在驱动大负载时，驱动能力往往会被放大级电路的偏压电流所影响的回转率给限制住。

请参考图2，图2为现有技术的运算放大器100的输入信号由低准位转换至高准位时内部电流路径的示意图。当运算放大器100的输入信号由低准位转换至高准位时，由于此时输入端AVP的电位瞬间提升，导致晶体管MN1、MP1及MP2关闭，使得第一偏压电流源115仅能透过晶体管MN2由补偿电容C_M汲取偏压电流I_T1，以拉升输出端Vout的电位。上述的电流路径在图2中为以PATH_1表示。另一方面，请参考图3，图3为现有技术的运算放大器100的输入信号由高准位转换至低准位时内部电流路径的示意图。当输入信号由高准位转换至低准位时，由于输入端AVP的电位瞬间降低，导致晶体管MN2关闭，使得放大级电路110的偏压电流I_T1将全部透过晶体管MN1汲取。然而，由于晶体管MP1、MP2所形成的主动负载具有一电流镜架构，因此相同大小的偏压电流I_T1将同时透过补偿电容C_M流至地端，以达到下拉输出端Vout电位的目的。上述的电流路径在图3中为以PATH_2表示。

由此可知，运算放大器100的反应速度将会由放大级电路的偏压电流I_T1对补偿电容C_M充放电的速度决定，其可藉由下列回转率方程式表示：

也就是说，当放大级电路的偏压电流越大时，补偿电容充放电的速度越快，而运算放大器100的反应速度也越快。

现有技术一般会藉由增加放大级电路的偏压电流I_T1来增加运算放大器内部的回转率，然而如此作法不但会增加电路面积(例如：增加偏压晶体管的面积)，也将导致额外的功率消耗。因此，如何在不增加额外功率消耗的前提下加快运算放大器回转率，将是电路设计者的一个重要课题。

发明内容

因此，本发明即在于提供一种可提高回转率的运算放大器及其相关方法。

本发明为揭露一种可提高回转率的运算放大器。该运算放大器包含有一第一电流产生器，用来产生一第一偏压电流；一第二电流产生器，用来产生一第二偏压电流；一放大级电路，耦接于该第一电流产生器，用来根据一输入信号，产生一放大信号；一输出级电路，耦接于该第二电流产生器及该放大级电路，用来根据该放大信号，产生一输出信号；以及一偏压电流分配单元，耦接于该第一电流产生器、该第二电流产生器、该放大级电路及该输出级电路，用来根据一控制信号，分配该第一偏压电流及该第二偏压电流，以提高该运算放大器的回转率；其中，该第二偏压电流大于该第一偏压电流。

本发明另揭露一种用来提高一运算放大器回转率的方法。该运算放大器包含有一放大级电路及一输出级电路。该方法包含有产生一第一偏压电流至该放大级电路；产生一第二偏压电流至该输出级电路；以及根据一控制信号，分配该第一偏压电流及该第二偏压电流，以提高该运算放大器的回转率；其中，该第二偏压电流大于该第一偏压电流。

附图说明

图1为一现有技术的运算放大器的示意图。

图2为现有技术的运算放大器的输入信号由低准位转换至高准位时内部电流路径的示意图。

图3为现有技术的运算放大器的输入信号由高准位转换至低准位时内部电流路径的示意图。

图4为本发明用来提高运算放大器回转率的一流程的示意图

图5为本发明可提高回转率的一运算放大器的示意图。

图6为本发明第一实施例运算放大器的示意图。

图7为本发明第二实施例运算放大器的示意图。

图8为本发明第三实施例运算放大器的示意图。

主要组件符号说明

100、500、600、700、800 运算放大器

110、510、610、710、810 大级电路

120、520、620、720、820 输出级电路

115、125 偏压电流源

MP1、MP2、MN1、MN2、MPO 晶体管

I_T1、I_T2 偏压电流

AVP、AVN 输入端

Vout 输出端

C_M 补偿电容

PATH_1、PATH_2 电流路径

40 流程

400、410、420、430、440 步骤

515、525、615、625、715、725、815、825电流产生器

530、630、730、830 偏压电流分配单元

CTRL 控制信号

MS1、MS2、MS3 偏压晶体管

V_BIAS 偏压

S1、S1B、S2、S2B 开关

具体实施方式

请参考图4，图4为本发明用来提高运算放大器回转率(Slew Rate)的一流程40的示意图。运算放大器一般包含有一放大级电路及一输出级电路。放大级电路用来提高运算放大器的增益(Gain)，而输出级电路则用来推动运算放大器所连接的电容性或是电阻性负载。流程40包含有下列步骤：

步骤400：开始。

步骤410：产生一第一偏压电流至放大级电路。

步骤420：产生一第二偏压电流至输出级电路。

步骤430：根据一控制信号，重新分配该第一偏压电流及该第二偏压电流的大小，以提高运算放大器的回转率。

步骤440：结束。

根据流程40，本发明分别产生一第一偏压电流及一第二偏压电流，以作为放大级电路及输出级电路的静态电流(或驱动电流)。接着，本发明运算放大器可根据一控制信号，分配该第一偏压电流及该第二偏压电流的大小，以提高运算放大器的回转率。较佳地，该控制信号为于运算放大器加载输入信号之前产生，或者于运算放大器所接收的输入信号发生转态(Transition)之前或于转态过程中产生。

换言之，本发明可于运算放大器接收输入信号之前或输入信号发生转态之前，重新分配放大级电路的偏压电流与输出级电路的驱动电流，增加放大级电路的偏压电流大小，以提高运算放大器内部的驱动能力。如此一来，本发明可在不额外消耗功率的前提下，加快运算放大器的回转率。

请参考图5，图5为本发明可提高回转率的一运算放大器500的示意图。运算放大器500为用来实现本发明流程40，其包含有一放大级电路510、一输出级电路520、一第一电流产生器515、一第二电流产生器525及一偏压电流分配单元530。放大级电路510由晶体管MP1、MP2、MN1及MN2组成，用来透过一输入端AVP接收一输入信号，以产生一放大信号。输出级电路520为晶体管MPO形成的一共射极组态，用来根据该放大信号，透过一输入端Vout产生一输出信号。第一电流产生器515及第二电流产生器525则分别用来产生第一偏压电流I_T1及第二偏压电流I_T2，以驱动放大级电路510及输出级电路520。其中，输出级电路520的输出端Vout反馈耦接至放大级电路510的一输入端AVN，以形成单增益负反馈的输出缓冲器，而放大级电路510的输出端(即晶体管MN2的漏极)与输出级电路520的输出端Vout之间另耦接一补偿电容C_M，其用来对放大级电路510及输出级电路520的输出信号进行频率补偿，以达到稳定回路的效果。运算放大器500的详细运作方式类似图1的运算放大器100，于此不再赘述。

偏压电流分配单元530耦接于第一电流产生器515、第二电流产生器525、放大级电路510及输出级电路520之间，用来根据一控制信号CTRL，分配第一偏压电流I_T1及第二偏压电流I_T2的大小，以提高该运算放大器的回转率。较佳地，控制信号CTRL为于运算放大器500接收输入信号之前产生，或者于输入信号发生转态之前产生。

因此，本发明运算放大器500可于接收输入信号之前或输入信号发生转态之前，藉由重新分配放大级电路510的偏压电流与输出级电路520的驱动电流，增加放大级电路510的偏压电流大小，以加快对补偿电容C_M充放电的速度，进而提高运算放大器的反应速度。如此一来，本发明可在不额外消耗功率的前提下，加快运算放大器的回转率。

举例来说，于接收输入信号之前，本发明运算放大器可藉由将输出级驱动电流的部分比例切换至放大级电路、将放大级偏压电流与输出级驱动电流交换或者将输出级驱动电流的部分比例与放大级偏压电流进行交换等方式，增加放大级电路的偏压电流大小，以提高运算放大器的回转率。

请参考图6，图6为本发明第一实施例运算放大器600的示意图。运算放大器600为运算放大器500的一具体实施例，其包含有一放大级电路610、一输出级电路620、一第一电流产生器615、一第二电流产生器625及一偏压电流分配单元630。第一电流产生器615为由一偏压晶体管MS1组成，其根据一固定偏压V_BIAS产生电流大小为I的电流，以形成第一偏压电流I_T1。第二电流产生器由并联的偏压晶体管MS2及MS3组成，其分别根据固定偏压V_BIAS产生电流大小为K*I及(N-K)*I的电流，以形成第二偏压电流I_T2。其中，N代表第二偏压电流I_T2为第一偏压电流I_T1大小的N倍。偏压电流分配单元630包含有开关S1及S1B，其分别根据反相的控制信号CTRL短路，以将第二偏压电流I_T2中的特定比例(即电流K*I)切换至放大级电路610，进而增加放大级电路610的偏压电流。

因此，本发明运算放大器600为于接收输入信号之前或输入信号发生转态之前，将输出级驱动电流的部分比例切换至放大级电路，以增加放大级电路的驱动能力。如此一来，当输入信号变化时，放大级电路610的偏压电流I_T1可迅速地对补偿电容C_M进行充放电，以提高运算放大器600的反应速度。在此情形下，运算放大器600的回转率可以下式表示：很明显地，随着放大级电路的偏压电流I_T1的增加，运算放大器的回转率也将跟着增加。

此外，由于本发明为藉由引入输出级电路的部分驱动电流来增加放大级电路的偏压电流，因此本发明可在不额外消耗功率的前提下，加快运算放大器的回转率。当然，在输出端电位达到稳定之后，本发明运算放大器可将放大级电路及输出级电路的驱动电流恢复为原来的大小，以藉由较大的输出级驱动电流推动连接的外部负载。

值得注意的是，第一电流产生器及第二电流产生器可藉由任何可产生固定电流大小的电流产生单元实现，而不局限于上述晶体管的实施方式。

请继续参考图7，图7为本发明第二实施例运算放大器700的示意图。运算放大器700为运算放大器500的另一具体实施例，其包含有一放大级电路710、一输出级电路720、一第一电流产生器715、一第二电流产生器725及一偏压电流分配单元730。第一电流产生器715及第二电流产生器725分别用来产生第一偏压电流I_T1及第二偏压电流I_T2，以驱动放大级电路710及输出级电路720。偏压电流分配单元730包含有开关S1、SIB、S2及S2B。开关S1、S2及开关S1B、S2B分别根据反相的控制信号CTRL短路，以将第一偏压电流I_T1与第二偏压电流I_T2交换输出至输出级电路720及放大级电路710。

由于输出级电路的驱动电流I_T2一般会大于放大级电路的偏压电流I_T1，因此本发明运算放大器700为藉由将放大级偏压电流I_T1与输出级驱动电流I_T2进行交换，以增加放大级电路710的驱动能力，进而提高对补偿电容C_M进行充放电的速度。如此一来，本发明可在不额外消耗功率的前提下，加快运算放大器的回转率。

请注意，上述实施例仅用来作为本发明的举例说明，而不为本发明的限制。本领域具通常知识者当可视实际需求作适当的修改。举例来说，请参考图8，图8为本发明第三实施例运算放大器800的示意图。运算放大器800为本发明图6实施例及图7实施例的结合，其为藉由将输出级驱动电流的部分比例(即偏压晶体管MS2所产生的电流K*I)与放大级偏压电流进行交换，以达到提高运算放大器回转率的目的，如此相对应变化亦属本发明的范畴。

此外，在本发明其它实施例中，运算放大器亦可藉由P型差动输入对实现，而偏压电流分配单元则可藉由传输闸(Transmission Gate)实现等，而不限于此。较佳地，本发明运算放大器可应用于一液晶显示器的驱动电路中，以提高驱动电路的反应速度，进而满足大尺寸及高分辨率液晶显示器的需求。

综上所述，本发明为于运算放大器接收输入信号之前、所接收的输入信号发生转态之前或于转态过程中，藉由重新分配放大级电路的偏压电流与输出级电路的驱动电流，提高放大级电路的驱动能力，以加快运算放大器的反应速度。如此一来，本发明可在不额外消耗功率的前提下，加快运算放大器的回转率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种可提高回转率的运算放大器，包含有：

一第一电流产生器，用来产生一第一偏压电流；

一第二电流产生器，用来产生一第二偏压电流；

一放大级电路，耦接于该第一电流产生器，用来根据一输入信号，产生一放大信号；

一输出级电路，耦接于该第二电流产生器及该放大级电路，用来根据该放大信号，产生一输出信号；以及

一偏压电流分配单元，耦接于该第一电流产生器、该第二电流产生器、该放大级电路及该输出级电路，用来根据一控制信号，分配该第一偏压电流及该第二偏压电流，以提高该运算放大器的回转率；

其中，该第二偏压电流大于该第一偏压电流。

2.如权利要求1所述的运算放大器，其另包含一补偿电容，耦接于该放大级电路的输出端与该输出级电路的输出端之间，用来增加回路稳定度。

3.如权利要求1所述的运算放大器，其中该第二偏压电流与该第一偏压电流之和为一定值。

4.如权利要求1所述的运算放大器，其中该控制信号于该运算放大器接收该输入信号之前产生。

5.如权利要求1所述的运算放大器，其中该控制信号于该输入信号发生转态之前或于转态过程中产生。

6.如权利要求1所述的运算放大器，其中该偏压电流分配单元将该第二偏压电流的一特定比例切换至该第一偏压电流，以重新分配该第一偏压电流及该第二偏压电流。

7.如权利要求6所述的运算放大器，其中该第二电流产生器包含有多个晶体管，以并联方式耦接于该输出级电路，用来产生该第二偏压电流。

8.如权利要求7所述的运算放大器，其中该偏压电流分配单元根据该控制信号，将该多个晶体管中的一特定数量晶体管切换耦接至该放大级电路。

9.如权利要求1所述的运算放大器，其中该偏压电流分配单元将该第一偏压电流与该第二偏压电流交换输出至该输出级电路及该放大级电路，以重新分配该第一偏压电流及该第二偏压电流。

10.如权利要求9所述的运算放大器，其中该偏压电流分配单元根据该控制信号，将该第一电流产生器及该第二电流产生器交换耦接至该输出级电路及该放大级电路。

11.如权利要求1所述的运算放大器，其中该偏压电流分配单元将该第一偏压电流与该第二偏压电流的一特定比例交换输出至该输出级电路及该放大级电路，以重新分配该第一偏压电流及该第二偏压电流。

12.如权利要求1所述的运算放大器，其中该运算放大器为用于一液晶显示器的驱动电路中的一输出缓冲器。

13.一种用来提高一运算放大器回转率的方法，该运算放大器包含有一放大级电路及一输出级电路，该方法包含有：

产生一第一偏压电流至该放大级电路；

产生一第二偏压电流至该输出级电路；以及

根据一控制信号，分配该第一偏压电流及该第二偏压电流，以提高该运算放大器的回转率，其中该第二偏压电流大于该第一偏压电流。

14.如权利要求13所述的方法，其中该第二偏压电流与该第一偏压电流之和为一定值。

15.如权利要求13所述的方法，其另包含于该运算放大器接收一输入信号之前产生该控制信号。

16.如权利要求13所述的方法，其另包含于该运算放大器所接收的输入信号发生转态之前或于转态过程中产生该控制信号。

17.如权利要求13所述的方法，其中根据该控制信号，分配该第一偏压电流及该第二偏压电流，为根据该控制信号，将该第二偏压电流的一特定比例切换至该第一偏压电流。

18.如权利要求13所述的方法，其中根据该控制信号，分配该第一偏压电流及该第二偏压电流，为根据该控制信号，将该第一偏压电流及该第二偏压电流交换输出至该输出级电路及该放大级电路。

19.如权利要求13所述的方法，其中根据该控制信号，分配该第一偏压电流及该第二偏压电流，为根据该控制信号，将该第一偏压电流与该第二偏压电流的一特定比例交换输出至该输出级电路及该放大级电路。

20.如权利要求13所述的方法，其中该运算放大器为用于一液晶显示器的驱动电路中的一输出缓冲器。