CN101630944A - 可提升反应速度的驱动电路及其相关方法 - Google Patents

Abstract

一种可提升反应速度的驱动电路及其相关方法。该可提升反应速度的驱动电路包含有一运算放大器，用来根据一输入电压，产生一驱动电压；以及一回转率提升单元耦接于该运算放大器，用来在该输入电压变化时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生一补偿电流至该运算放大器，以增加该运算放大器的一偏压电流的大小。

Description

可提升反应速度的驱动电路及其相关方法

技术领域

本发明涉及一种可提升反应速度的驱动电路及其相关方法，尤指一种根据运算放大器的输入电压与驱动电压的变化，动态地增加运算放大器偏压电流大小，以提高反应速度的驱动电路及其相关方法。

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解析度的提高，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二级结构的放大器，其包含有一第一级放大电路(输入级)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被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，因此已知运算放大器会通过一米勒补偿(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是一已知运算放大器100的示意图。运算放大器100是一轨对轨(Rail to Rail)运算放大器，主要包含有一输入级电路110及一输出级电路120。输入级电路110包含有一N型差动对112及一P型差动对114。N型差动对112由一对互相匹配的N型金属氧化物半导体导体晶体管MN1、MN2及一偏压晶体管MN3所组成。偏压晶体管MN3耦接于晶体管MN1、MN2的源极，用来提供N型差动对112一固定大小的静态电流(或驱动电流)。同样地，P型差动对114由一对互相匹配的P型金属氧化物半导体导体晶体管MP1、MP2及一偏压晶体管MP3所组成。偏压晶体管MP3耦接于晶体管MP1、MP2的源极，用来提供P型差动对114一固定大小的驱动电流。此外，输入级电路110还包含有一第一电流镜130、一第二电流镜140以及一第三电流镜150。第一电流镜130及第二电流镜140分别以电流源IP5、IP6及电流源IN5、IN6表示，用来作为N型差动对112及P型差动对114的主动负载，而第三电流镜150则以电流源I7、I8表示，用来将N型差动对112及P型差动对114的信号迭加并输出至输出级电路120。

输出级电路120由晶体管MP9及MN9所组成的一AB类推挽式输出电路。其中，输出级电路120的输出端AVO另反馈耦接至输入级电路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另在输出级电路120与输入级电路110之间设置补偿电容CM1、CM2，用以将输入级电路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，已知运算放大器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输入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通常会大于输入级电路的偏压电流。如此一来，当已知运算放大器在驱动大负载时，驱动能力往往会被输入级电路的偏压电流所影响的回转率给限制住。在此情形下，运算放大器100的反应速度将会由输入级电路的偏压电流对补偿电容CM1、CM2充放电的速度决定，其可通过下列回转率方程式表示： $\mathrm{SR}=\frac{I}{C}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{t}.$ 其中，I代表晶体管MN3、MP3所提供的偏压电流，C为补偿电容CM1、CM2的大小，而ΔV则代表输出端AVO的电压变化。也就是说，当输入级电路110的偏压电流越大时，其对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。

因此，已知技术一般会通过增加输入级电路的偏压电流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。

发明内容

因此，本发明即在于提供一种可提升反应速度的驱动电路及其相关方法。

本发明公开一种可提升反应速度的驱动电路，其包含有一运算放大器及一回转率提升单元。该运算放大器用来根据一输入电压，产生一驱动电压。该回转率提升单元耦接于该运算放大器，用来在该输入电压变化时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生一补偿电流至该运算放大器，以增加该运算放大器的一偏压电流的大小。

本发明另公开一种用来提升一运算放大器的反应速度的方法。该运算放大器用来根据一输入电压，产生一驱动电压。该方法包含有接收该输入电压及该驱动电压；以及在该输入电压变化时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生一补偿电流至该运算放大器，以增加该运算放大器的一偏压电流的大小。

附图说明

图1为一已知运算放大器的示意图。

图2为本发明用来提高运算放大器反应速度的一流程的示意图。

图3为本发明可提升反应速度的一驱动电路的示意图。

图4为本发明驱动电路的一实施例示意图。

图5为本发明回转率提升单元的实施例示意图。

图6为一传统定转导电路的示意图。

图7为本发明回转率提升单元的另一实施例示意图。

图8与图9为本发明回转率提升单元的其他实施例的示意图。

【主要元件符号说明】

100、310运算放大器

110     输入级电路

120     输出级电路

112     N型差动输入对

114     P型差动对

MN1、MN2、MN3、MN9、MSRE1、MNN1、MNN2 N型金属氧化物半导体导体晶体管

MP1、MP2、MP3、MP9、MSRE2、MPP1、MPP2 P型金属氧化物半导体导体晶体管

130、140、150、62、63、72、73电流镜

IP5、IP6、IN5、IN6、I7、I8   电流源

AVP、AVN、AVO、ND1～ND4         端点

APCOM、ANCOM          节点

CM1、CM2 补偿电容

20    流程

200、210、220、230        步骤

30    驱动电路

320、420、50、70、80、90  回转率提升单元

VIN      输入电压

VOUT     驱动电压

I_T    补偿电流

41、51、74、84、94        电压比较电路

42、43、52、53         电流运算电路

IC1、IC2控制信号

60      定转导电路

61      定转导开关电路

具体实施方式

请参考图2，图2为本发明用来提高运算放大器反应速度的一流程20的示意图。优选地，流程20被应用于具反馈配置的一运算放大器，其用来根据一输入电压，产生一驱动电压。在此情形下，流程20包含有下列步骤：

步骤200：开始。

步骤210：接收运算放大器的输入电压及驱动电压。

步骤220：在输入电压变化时，根据输入电压与驱动电压的电压差值，产生一补偿电流至运算放大器的一输入级电路，以增加输入级电路的一偏压电流的大小。

步骤230：结束。

根据流程20，当运算放大器的输入电压发生变化时，本发明可根据输入电压与驱动电压的电压差值，产生一补偿电流至运算放大器的输入级电路，以增加输入级电路的偏压电流的大小，进而提升运算放大器内部的驱动能力。换句话说，本发明根据运算放大器的输入电压与驱动电压的电压差异，动态地增加输入级电路的偏压电流大小，以提高运算放大器的反应速度。除此之外，本发明仅在输入电压发生变化时才产生额外的补偿电流，因此在直流稳态下将不会消耗额外的功率。

请参考图3，图3为本发明可提升反应速度的一驱动电路30的示意图。驱动电路30被用来实现本发明流程20，其包含有一运算放大器310及一回转率提升单元320。运算放大器310具有一输出端AVO反馈耦接至一负输入端AVN，用来根据一正输入端AVP所接收的一输入电压VIN，产生一驱动电压VOUT。回转率提升单元320耦接于运算放大器310的正输入端AVP及输出端AVO，用来在输入电压VIN变化时，根据输入电压VIN与驱动电压VOUT的电压差值，产生一补偿电流I_T至运算放大器310的一输入级电路，以增加输入级电路的偏压电流的大小。

如已知技术所述，运算放大器的反应速度通常会被输入级电路的偏压电流大小给限制住。因此，本发明驱动电路30在输入电压变化时，额外产生一补偿电流至运算放大器，以瞬间增加输入级电路的偏压电流大小，进而加快运算放大器的反应速度。除此之外，本发明仅在运算放大器的输入电压变化时才动态产生额外的电流，因此在直流稳态下将不会消耗多余的功率。

优选地，运算放大器310可以通过类似于图1中的轨对轨运算放大器实现。在此情形下，本发明驱动电路30可进一步地根据输入电压VIN的变化情形，选择性地将补偿电流I_T输出至P型差动输入对的偏压电流输入端(如图1中的节点APCOM)或N型差动输入对的偏压电流输入端(如图1中的节点ANCOM)，以加快运算放大器的反应速度。

举例来说，请参考图4，图4为本发明驱动电路30的一实施例示意图。在图4中，回转率提升单元420包含有一电压比较电路41、一第一电流运算电路42及一第二电流运算电路43。电压比较电路41具有一第一输入端ND1耦接于运算放大器的正输入端AVP，一第二输入端ND2耦接于运算放大器的输出端AVO，一第一输出端ND3以及一第二输出端ND4，其用来对运算放大器的输入电压VIN与驱动电压VOUT进行比较，以在输入电压VIN大于驱动电压VOUT时，根据输入电压VIN与驱动电压VOUT的电压差值，产生一第一控制信号IC1至第一输出端ND3，或者在输入电压VIN小于驱动电压VOUT时，根据输入电压VIN与驱动电压VOUT的电压差值，产生一第二控制信号IC2至第二输出端ND4。第一电流运算电路42耦接于电压比较电路41的第一输出端ND3，用来根据第一控制信号IC1，运算产生补偿电流I_T，以输出至P型差动输入对的偏压电流输入端。第二电流运算电路43则耦接于电压比较电路41的第二输出端ND4，用来根据第二控制信号IC2，运算产生补偿电流I_T，以输出至N型差动输入对的偏压电流输入端。

如此一来，当运算放大器的输入电压VIN变化时，本发明驱动电路30可根据输入电压与驱动电压的电压差值，产生补偿电流I_T至P型差动输入对或N型差动输入对的偏压电流输入端，以加快运算放大器的反应速度。关于回转率提升单元420的详细实施方式，请继续参考以下说明。

请参考图5，图5为本发明一回转率提升单元50的实施例示意图。回转率提升单元50被用来实现图4的回转率提升单元420，其包含有一电压比较电路51、一第一电流运算电路52及一第二电流运算电路53。电压比较电路51由串联的N型金属氧化半导体晶体管MSRE1及P型金属氧化半导体晶体管MSRE2所组成。其中，N型金属氧化半导体晶体管MSRE1与P型金属氧化半导体晶体管MSRE2的栅极通过第一输入端ND1耦接于运算放大器的正输入端AVP；N型金属氧化半导体晶体管MSRE1与P型金属氧化半导体晶体管MSRE2的源极通过第二输入端ND2耦接于运算放大器的输出端AVO；而N型金属氧化半导体晶体管MSRE1与P型金属氧化半导体晶体管MSRE2的漏极则分别耦接于电压比较电路51的第一输出端ND3及第二输出端ND4。第一电流运算电路52及第二电流运算电路53分别由P型金属氧化物半导体导体晶体管MPP1、MPP2及N型金属氧化物半导体导体晶体管MNN1、MNN2组成的电流镜电路，用来对第一输出端ND3及第二输出端ND4所输出的电流信号进行「复制」运算，以分别输出至P型差动输入对的偏压电流接收端APCOM及N型差动输入对的偏压电流接收端ANCOM，如图4所示。

为了能清楚说明回转率提升单元50的操作方式，请同时参考图1、图4及图5。当运算放大器的输入电压瞬间上升时，此时运算放大器的输入电压会大于驱动电压，因此晶体管MSRE1导通，并根据输入电压与驱动电压的电压差异，通过晶体管MPP1汲取一电流(即第一控制信号IC1)。在此情形下，晶体管MPP1、MPP2所形成的电流镜可进一步根据对应于第一控制信号IC1的电流，运算产生补偿电流I_T，以输出至P型差动对的偏压电流输入端APCOM。另一方面，对于运算放大器来说，由于输入端AVP的电位瞬间提升，导致晶体管MP1关闭，因此回转率提升单元50所产生的补偿电流I_T将通过晶体管MP2流入电流源IN5中。然而，由于电流源IN5及IN6亦为一电流镜，因此补偿电流I_T亦同时提高了电流源IN6从补偿电容CM1、CM2汲取电流的能力。

在此情形下，运算放大器的反应速度可通过下列回转率方程式表示： $\mathrm{SR}=\frac{I^{\′}}{C}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}^{\′}}{t},$ 其中，I′为晶体管MN3、MP3所提供的偏压电流与回转率提升单元50所产生的补偿电流I_T的大小总和，C为补偿电容CM1、CM2的大小，而ΔV′则代表输出端AVO的电压变化。如本领域具通常知识者所知，晶体管的导通电阻由其栅源极电压V_GS决定，因此运算放大器的输入电压与驱动电压的电压差异会决定回转率提升单元50所产生的补偿电流I_T的大小。

由此可知，当运算放大器的输入电压与驱动电压的电压差异越大时，回转率提升单元50所产生的补偿电流I_T也越大，对补偿电容CM1、CM2充放电的速度也越快，而加快运算放大器的反应速度。相反地，当驱动电压跟上输入电压的变化而使得电压差异变小时，回转率提升单元50所产生的补偿电流I_T也跟着变小，直到电压差异小于晶体管MSRE1的门槛电压而使得晶体管关闭为止。在此情形下，本发明回转率提升单元50不再产生额外补偿电流进行提升回转率的动作，而使得运算放大器恢复至正常的工作状态。

另一方面，当运算放大器的输入电压下降时，晶体管MSRE2则根据相同的机制产生补偿电流I_T至N型差动输入对的偏压电流输入端ANCOM，以进行提升回转率的操作，在此不再赘述。

请注意，本发明回转率提升单元50的实施方式仅为本发明之一举例说明，本领域具通常知识者当可根据实际需求做适当的修改。举例来说，本发明亦可将回转率提升单元50与传统定转导(Constant Gm)电路作结合，以节省运算放大器所需使用的晶体管数量，进而节省电路面积。首先，请参考图6，图6为一传统定转导电路60的示意图。定转导电路60一般被内建在运算放大器中，用来提供固定大小的转导值，以避免运算放大器的增益因制程、温度、电压的变动而受到影响。一般来说，定转导电路60包含有一定转导开关电路61、一第一电流镜62及一第二电流镜63。其中，定转导开关电路61被用来控制定转导电路60的运作，其详细操作原理在此不赘述。

请继续参考图7，图7为本发明回转率提升单元的另一实施例示意图。相较于传统定转导电路60，本发明在第一电流镜72与第二电流镜73之间增加晶体管MSRE1及MSRE2所组成的电压比较电路74，以通过最少的晶体管数量达到提升运算放大器反应速度的目的，而其相关操作方式仍与回转率提升单元50类似，故不再赘述。

此外，上述回转率提升单元在运算放大器的输入电压与驱动电压的电压差值小于晶体管门槛电压时，即不再产生额外补偿电流，而停止提升回转率的动作。在此情形下，本发明另可通过基体效应补偿的方式，使得回转率提升单元不受限于晶体管的门槛电压，而在驱动电压等于输入电压时，才停止提升回转率的动作。请参考图8与图9，图8与图9为本发明回转率提升单元的其他实施例的示意图。相较于回转率提升单元70，电压比较单元84、94分别通过两个栅极互相耦接的晶体管或两个互补的金属氧化物半导体导体晶体管进行基体效应补偿，以避免晶体管的门槛电压对回转率的操作造成影响。

综上所述，本发明在输入电压变化时，额外产生补偿电流至运算放大器，以瞬间增加输入级电路的偏压电流大小，进而加快运算放大器的反应速度。除此之外，本发明仅在运算放大器的输入电压变化时才动态产生额外的电流，因此在直流稳态下将不会消耗多余的功率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (21)

1.一种可提升反应速度的驱动电路，包含有：

一运算放大器，用来根据一输入电压，产生一驱动电压；以及

一回转率提升单元，耦接于该运算放大器，用来在该输入电压变化时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生一补偿电流至该运算放大器，以增加该运算放大器的一偏压电流的大小。

2.如权利要求1所述的驱动电路，其中该运算放大器是一轨对轨运算放大器，其包含有一P型差动输入对及一N型差动输入对。

3.如权利要求2所述的驱动电路，其中该回转率提升单元在该输入电压上升时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生该补偿电流至该P型差动输入对，以增加该P型差动输入对的偏压电流的大小。

4.如权利要求2所述的驱动电路，其中该回转率提升单元在该输入电压下降时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生该补偿电流至该N型差动输入对，以增加该N型差动输入对的偏压电流的大小。

5.如权利要求2所述的驱动电路，其中该回转率提升单元包含有：

一电压比较电路，具有一第一输入端耦接于该输入电压，一第二输入端耦接于该驱动电压，一第一输出端以及一第二输出端，用来对该输入电压与该驱动电压进行比较，以在该输入电压大于该驱动电压时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生一第一控制信号至该第一输出端，或者在该输入电压小于该驱动电压时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生一第二控制信号至该第二输出端；

一第一电流运算电路，耦接于该电压比较电路的该第一输出端，用来根据该第一控制信号，运算产生该补偿电流至该P型差动输入对，以增加该P型差动输入对的偏压电流的大小；以及

一第二电流运算电路，耦接于该电压比较电路的该第二输出端，用来根据该第二控制信号，运算产生该补偿电流至该N型差动输入对，以增加该N型差动输入对的偏压电流的大小。

6.如权利要求5所述的驱动电路，其中该电压比较电路包含有：

一N型金属氧化半导体晶体管，包含有一栅极，耦接于该第一输入端，一源极，耦接于该第二输入端，以及一漏极，耦接于该第一输出端；以及

一P型金属氧化半导体晶体管，包含有一栅极，耦接于该第一输入端，一源极，耦接于该第二输入端，以及一漏极，耦接于该第二输出端。

7.如权利要求5所述的驱动电路，其中该第一电流运算电路是一电流镜电路，其包含有：

一输入端，耦接于该电压比较电路的该第一输出端；

一输出端，耦接于该P型差动输入对的一偏压电流接收端；

一第一P型金属氧化物半导体导体晶体管，包含有一源极耦接于一电源电压，一漏极耦接于该输入端，以及一栅极耦接于该输入端；以及

一第二P型金属氧化物半导体导体晶体管，包含有一源极耦接于该电源电压，一漏极耦接于该输出端，以及一栅极耦接至该输入端。

8.如权利要求5所述的驱动电路，其中该第二电流运算电路是一电流镜电路，其包含有：

一输入端，耦接于该电压比较电路的该第二输出端；

一输出端，耦接于该N型差动输入对的一偏压电流接收端；

一第一N型金属氧化物半导体导体晶体管，包含有一源极耦接于一地端电压，一漏极耦接于该输入端，以及一栅极耦接于该输入端；以及

一第二N型金属氧化物半导体导体晶体管，包含有一源极，耦接于该地端电压，一漏极，耦接于该输出端，以及一栅极，耦接至该输入端。

9.如权利要求5所述的驱动电路，其中该运算放大器还包含有一定转导电路，该定转导电路包含有一第三电流镜电路、一第四电流镜电路及一定转导开关电路，该第三电流镜电路及该第四电流镜电路分别由P型金属氧化半导体晶体管及N型金属氧化物半导体导体晶体管组成。

10.如权利要求9所述的驱动电路，其中该回转率提升单元的该第一电流运算电路及该第二电流运算电路分别为该定转导电路的该第三电流镜电路及该第四电流镜电路。

11.如权利要求1所述的驱动电路，其中该回转率提升单元在该输入电压与该驱动电压的电压差值小于一门槛电压时，停止产生该补偿电流。

12.如权利要求1所述的驱动电路，其中该回转率提升单元在该驱动电压等于该输入电压时，停止产生该补偿电流。

13.如权利要求1所述的驱动电路，其中该运算放大器具有一反馈配置。

14.如权利要求1所述的驱动电路，其中该运算放大器包含有一输入级以及一输出级，以及该补偿电流被输入至该运算放大器的该输入级，以提升该输入级的回转率。

15.一种用来提升一运算放大器的反应速度的方法，该运算放大器用来根据一输入电压，产生一驱动电压，该方法包含有：

接收该输入电压及该驱动电压；以及

在该输入电压变化时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生一补偿电流至该运算放大器，以增加该运算放大器的一偏压电流的大小。

16.如权利要求15所述的方法，其中该运算放大器是一轨对轨(Rail toRail)运算放大器，其包含有一P型差动输入对及一N型差动输入对。

17.如权利要求16所述的方法，其还包含：

在该输入电压上升时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生该补偿电流至该P型差动输入对，以增加该P型差动输入对的偏压电流的大小。

18.如权利要求16所述的方法，其还包含：

在该输入电压下降时，根据该输入电压与该驱动电压的电压差值，产生该补偿电流至该N型差动输入对，以增加该N型差动输入对的偏压电流的大小。

19.如权利要求15所述的方法，其还包含：

在该输入电压与该驱动电压的该电压差值小于一门槛电压时，停止产生该补偿电流。

20.如权利要求15所述的方法，其还包含：

在该驱动电压等于该输入电压时，停止产生该补偿电流。

21.如权利要求15所述的方法，其中该运算放大器包含有一输入级以及一输出级，以及该方法还包含：

将补偿电流输入至该运算放大器的该输入级，以增加该输入级的回转率。

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