CN104660184A - 应用于低功耗lcd的自偏置甲乙类输出缓冲放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大规模集成电路，为提供一种应用于低功耗LCD的输出buffer放大器。对于LCD阵列，该输出buffer放大器电路可以在低功耗(μW)条件下实现驱动大负载电容(数百pF)，具有更高的线性度和更好的压摆率。为此，本发明采取的技术方案是，应用于低功耗LCD的自偏置甲乙类输出缓冲放大器，由两个增益放大级、两个比较器级、一个甲乙类输出级和一个乙类输出级组成；输入信号由第一增益放大级同相输入端输入后经两个增益放大级输出，第二增益放大级输出端与第一增益放大级反相输入端时间有反馈线相连；第一增益放大级输出端分别经一个比较器再各自连接乙类输出级。本发明主要应用于大规模集成电路的设计制造。

Description

应用于低功耗LCD的自偏置甲乙类输出缓冲放大器

技术领域

本发明涉及大规模集成电路，低压低功耗电路，低压差线性稳压器(LDO)，多级运算放大器。具体讲，涉及应用于低功耗LCD的自偏置甲乙类输出缓冲放大器。

背景技术

最近随着集成电路高度集成化，液晶显示阵列(LCD)面积也日益缩小。一个LCD单元由寄存器、数据存储器、数模转换器和输出缓冲器组成。在这些模块单元中，输出缓冲器直接决定整个液晶显示单元的质量，例如：整个显示器的速度、分辨率、电压摆幅和功耗，所以大带宽和大驱动负载能力的输出缓冲器对于高质量的LCD是至关重要的。为了满足高质量的液晶显示器(LCD)对大负载电容和电阻的日益增长的需求，研制大带宽和大驱动负载能力的输出缓冲器是非常关键的。

由于每一个LCD阵列有许多输出buffer集成在芯片上，所以输出buffer的静态功耗应该很小或者降低，这样可以延长电池的寿命。另外LCD buffer最好可以提供输出轨到轨的输出摆幅，并且有低的过驱动电压。然而最后的目标是高速和高线性度的输出buffer，也就是改善输出buffer的压摆率和线性度。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种应用于低功耗LCD的输出buffer放大器。对于LCD阵列，该输出buffer放大器电路可以在低功耗(μW)条件下实现驱动大负载电容(数百pF)，具有更高的线性度和更好的压摆率。为此，本发明采取的技术方案是，应用于低功耗LCD的自偏置甲乙类输出缓冲放大器，由两个增益放大级、两个比较器级、一个甲乙类输出级和一个乙类输出级组成；输入信号由第一增益放大级输入端输入后经两个增益放大级输出，第二增益放大级输出端与第一增益放大级反相输入端时间有反馈线相连；第一增益放大级输出端分别经一个比较器再各自连接乙类输出级。

所述放大器由第一至第十三PMOS晶体管M10、M11、M12、M20、M21、M22、M23、M24、M27、M28、MP1、MP2、MOP以及第一至第十三NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M25、M26、M29、MN1、MN2、MON共26个MOS晶体管、一个电容即补偿电容Ca构成；其中：

第一、第六至第十一、第十三PMOS晶体管M10、M22、M23、M24、M27、M28、MP1、MOP的源极共同接供电电源VDD；除了第二至第三PMOS晶体管M11、M12外，第一、第四至第十三PMOS晶体管M10、M20、M21、M22、M23、M24、M27、M28、MP1、MP2、MOP的衬底端接供电电源VDD；第三至第五、第八至第十一、第十三NMOS晶体管M15、M16、M17、M25、M26、M29、MN1、MON的源极共同接地GND；第一至第十三NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M25、M26、M29、MN1、MN2、MON的衬底端接地GND；

第一PMOS晶体管M10的栅极接第一偏置电压Vb1、漏极接第二至第三PMOS晶体管M11、M12的源极；第一至第二PMOS晶体管M11、M12、第一至第二NMOS晶体管M13、M14的栅极分别接输入电压Vin-和Vin+端；第三NMOS晶体管M15的栅极接第二偏置电压Vb2、漏极接第一至第二NMOS晶体管M13、M14的源极；

第二PMOS晶体管M11、第四NMOS晶体管M16的漏极、第四至第五NMOS晶体管M16、M17、第九至第十NMOS晶体管M26、M29的栅极共同接第六NMOS晶体管M18的源极；第三PMOS晶体管M12、第五NMOS晶体管M17的漏极、第八NMOS晶体管M25的漏极共同接第七NMOS晶体管M19的源极；第四至第五PMOS晶体管M20、M21的栅极、第六至第七NMOS晶体管M18、M19的栅极、第六NMOS晶体管M18的漏极共同接第四NMOS晶体管M20的源极；第一NMOS晶体管M13、第六PMOS晶体管M22的漏极、第四至第五PMOS晶体管M22、M23、第九至第十PMOS晶体管M27、M28的栅极共同接第四PMOS晶体管M20的源极；第二NMOS晶体管M14、第七PMOS晶体管M23的漏极共同接第五PMOS晶体管M21的源极；第七NMOS晶体管M19、第五PMOS晶体管M21的漏极共同接第五PMOS晶体管M24的栅极；

第八NMOS晶体管M25、第八PMOS晶体管M24、第十三NMOS晶体管MON、第十三PMOS晶体管MOP的漏极、补偿电容Ca的右端共同接接输出端VOUT；第九PMOS晶体管M27、第九NMOS晶体管M26的漏极共同接第十一NMOS晶体管MN1的栅极；第十PMOS晶体管M28、第十NMOS晶体管M29的漏极共同接第十一PMOS晶体管MP1的栅极；第十一PMOS晶体管MP1、第十二NMOS晶体管MN2的漏极、第十二PMOS晶体管MP2的源极共同接第十三PMOS晶体管MOP的栅极；第十一NMOS晶体管MN1、第十二PMOS晶体管MP2的漏极、第十二NMOS晶体管MN2的源极共同接第十三NMOS晶体管MON的栅极；第十二PMOS晶体管MP2、第十二NMOS晶体管MN2的栅极分别接第三至第四偏置电压VBP、VBN。外接的负载电容CL接VOUT。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

输出buffer放大器能够驱动大负载电容(数百pF)，同时具有高线性度和更好的摆率。

附图说明

图1输出buffer放大器的拓扑图。

图2输出buffer放大器的实施方式原理图。

具体实施方式

本发明提出了一个新的集成低功耗的轨到轨的甲乙类输出的buffer放大器。多级运算放大器可以满足大负载电容的需要，并且多级运算放大器的补偿技术还可以广泛应用于便携式电子设备，例如：手机电池和笔记本电池、LDO等设备中。于是基于多级运算放大器的工作原理，本发明采用双路甲乙类输出原理，在大负载电容条件下可以改进输出buffer的输出摆率，减少放大器的建立时间，争取在低功耗条件下，获得更好的增益带宽积和更理想的瞬态响应。

本发明提出了一种用于低功耗LCD的输出buffer放大器，所述的放大器由两个增益放大级、两个比较器级、一个甲乙类输出级和一个乙类输出级组成。两个增益放大级分别是：跨导增益输入级Av1、第二高增益级(甲乙类输出级)Av2。两个比较器级分别是：负向跨导增益级CMP1和负向跨导增益级CMP2。乙类输出级由CMOS晶体管MP1、MP2、MN1、MN2、MOP、MON组成。

具体的实施电路原理图如下：所述放大器由第一至第十三PMOS晶体管M10、M11、M12、M20、M21、M22、M23、M24、M27、M28、MP1、MP2、MOP以及第一至第十三NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M25、M26、M29、MN1、MN2、MON共26个MOS晶体管、一个电容即补偿电容Ca构成；其中：

第一、第六至第十一、第十三PMOS晶体管M10、M22、M23、M24、M27、M28、MP1、MOP的源极共同接供电电源VDD；除了第二至第三PMOS晶体管M11、M12外，第一、第四至第十三PMOS晶体管M10、M20、M21、M22、M23、M24、M27、M28、MP1、MP2、MOP的衬底端接供电电源VDD；第三至第五、第八至第十一、第十三NMOS晶体管M15、M16、M17、M25、M26、M29、MN1、MON的源极共同接地GND；第一至第十三NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M25、M26、M29、MN1、MN2、MON的衬底端接地GND。

第一PMOS晶体管M10的栅极接第一偏置电压Vb1、漏极接第二至第三PMOS晶体管M11、M12的源极；第一至第二PMOS晶体管M11、M12、第一至第二NMOS晶体管M13、M14的栅极分别接输入电压Vin-和Vin+端；第三NMOS晶体管M15的栅极接第二偏置电压Vb2、漏极接第一至第二NMOS晶体管M13、M14的源极。

第二PMOS晶体管M11、第四NMOS晶体管M16的漏极、第四至第五NMOS晶体管M16、M17、第九至第十NMOS晶体管M26、M29的栅极共同接第六NMOS晶体管M18的源极；第三PMOS晶体管M12、第五NMOS晶体管M17的漏极、第八NMOS晶体管M25的漏极共同接第七NMOS晶体管M19的源极；第四至第五PMOS晶体管M20、M21的栅极、第六至第七NMOS晶体管M18、M19的栅极、第六NMOS晶体管M18的漏极共同接第四NMOS晶体管M20的源极；第一NMOS晶体管M13、第六PMOS晶体管M22的漏极、第四至第五PMOS晶体管M22、M23、第九至第十PMOS晶体管M27、M28的栅极共同接第四PMOS晶体管M20的源极；第二NMOS晶体管M14、第七PMOS晶体管M23的漏极共同接第五PMOS晶体管M21的源极；第七NMOS晶体管M19、第五PMOS晶体管M21的漏极共同接第五PMOS晶体管M24的栅极。

第八NMOS晶体管M25、第八PMOS晶体管M24、第十三NMOS晶体管MON、第十三PMOS晶体管MOP的漏极、补偿电容Ca的右端共同接接输出端VOUT；第九PMOS晶体管M27、第九NMOS晶体管M26的漏极共同接第十一NMOS晶体管MN1的栅极；第十PMOS晶体管M28、第十NMOS晶体管M29的漏极共同接第十一PMOS晶体管MP1的栅极；第十一PMOS晶体管MP1、第十二NMOS晶体管MN2的漏极、第十二PMOS晶体管MP2的源极共同接第十三PMOS晶体管MOP的栅极；第十一NMOS晶体管MN1、第十二PMOS晶体管MP2的漏极、第十二NMOS晶体管MN2的源极共同接第十三NMOS晶体管MON的栅极；第十二PMOS晶体管MP2、第十二NMOS晶体管MN2的栅极分别接第三至第四偏置电压VBP、VBN。外接的负载电容CL接VOUT。

两个增益放大级分别是：第一增益放大级Av1包括：第一至第七PMOS晶体管M10、M11、M12、M20、M21、M22和M23，第一至第七NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M17、M18和M19；第二增益放大级Av2包括：第八PMOS晶体管M24和第八NMOS晶体管M25。两个比较器级分别是：第一比较器级CMP1包括：第九至第十PMOS晶体管M27、M28；第二比较器级CMP2包括：第九至第十NMOS晶体管M26、M29。乙类输出级：第十一至第十三PMOS晶体管MP1、MP2和MOP，第十一至第十三NMOS晶体管MN1、MN2和MON。

甲乙类输出级包括第八PMOS晶体管M24，第八NMOS晶体管M25。

第二增益放大器是个类似反相器的甲乙类输出级，第一级是轨到轨的输出，第八PMOS晶体管M24和第八NMOS晶体管M25工作，有三种状态：第八PMOS晶体管M24工作，第八NMOS晶体管M25截止；第八NMOS晶体管M25工作，第八PMOS晶体管M24截止；第八PMOS晶体管M24和第八NMOS晶体管M25同时工作。其中前两种状态下第八PMOS晶体管M24和第八NMOS晶体管M25的栅极只有一个输入端工作；第三种状态第八PMOS晶体管M24和第八NMOS晶体管M25的栅极输入极性是相同的，故第二增益放大器没有设置同相、反相输入端。

当第一增益级没有输入信号时候，甲乙类输出级、电流比较器级和乙类输出级是截止的。

当第一增益级输入阶跃电压Vstep+加在输入端Vin+(Vstep+大于比较器的失配电压Voffset)时候，由于第八PMOS晶体管M24和第八NMOS晶体管M25组成的甲乙类输出级实现轨到轨的摆幅。同时电流比较器依靠PMOS和NMOS的失配电流实现MP1和MP2的栅极电压的升降，最终实现第十三PMOS晶体管MOP和第十三NMOS晶体管MON的单独对负载充电和放电，即增强了缓冲器的压摆率SR。

举例来说：当输入阶跃电压Vstep+加在输入端Vin+时，输入端第一PMOS晶体管M11、第二NMOS晶体管M14的漏极电流升高，第四至第五NMOS晶体管M16、M17的栅极和漏极电压升高，第八NMOS晶体管M25导通，实现输出端对负载吸收电流；同时第九NMOS晶体管M26漏极的电压升高，第十一NMOS晶体管MN1漏极的电压升高，致使第十三NMOS晶体管MON的源极电压迅速接近VSS，实现输出端对负载吸收电流。

反之，当Vstep-输入时，第八PMOS晶体管M24导通，实现输出端对负载充入电流；同时第十三PMOS晶体管MOP导通，致使其源极迅速接近VDD，实现输出端对负载充入电流。

当第一增益级输入阶跃电压Vstep+加在输入端Vin+(Vstep+大于比较器的失配电压Voffset)时候，第十三PMOS晶体管MOP和第十三NMOS晶体管MON不能被激活，这时候只能依靠甲乙类输出级第八PMOS晶体管M24和第八NMOS晶体管M25来对负载充电和放电。

具体的信号电平输入情况：选取第二至第三PMOS晶体管M11、M12、第一至第二NMOS晶体管M13、M14的栅极作为信号输入端，分别输入差模信号Vin-和Vin+，经过第一差分增益输入级、第二增益级(甲乙类输出级)、第三电流比较器级、第四乙类输出级输出到VOUT。当信号为共模电平Vcm时候：当信号电平高于VDD-Vsd10-Vsg11,小于VDD时候，信号经过第一至第二NMOS晶体管M13、M14进入放大器；当信号电平Vcm低于Vds15+Vgs13,大于GND的时候，信号经过第二至第三PMOS晶体管M11、M12进入放大器；当信号电平Vcm大于Vds15+Vgs13,小于VDD-Vsd10-Vsg11时候，信号同时经过第一至第二NMOS晶体管M13、M14，第二至第三PMOS晶体管M11、M12进入放大器。这样信号经过轨到轨的输入，扩大了输入范围。至此信号完成了从输入端到输出端的放大。在放大器的输出端加载大负载电容测试放大器的的小信号交流响应和大信号的阶跃响应，可以得到放大器的小信号参数和瞬态参数。结果表明本款输出buffer放大器能够驱动大负载电容(数百pF)，同时具有高线性度和更好的摆率。

Claims (2)

1.一种应用于低功耗LCD的自偏置甲乙类输出缓冲放大器，其特征是，由两个增益放大级、两个比较器级、一个甲乙类输出级和一个乙类输出级组成；输入信号由第一增益放大级输入端输入后经两个增益放大级输出，第二增益放大级输出端与第一增益放大级反相输入端时间有反馈线相连；第一增益放大级输出端分别经一个比较器再各自连接乙类输出级。

2.如权利要求1所述的应用于低功耗LCD的自偏置甲乙类输出缓冲放大器，其特征是，所述放大器由第一至第十三PMOS晶体管M10、M11、M12、M20、M21、M22、M23、M24、M27、M28、MP1、MP2、MOP以及第一至第十三NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M25、M26、M29、MN1、MN2、MON共26个MOS晶体管、一个电容即补偿电容Ca构成；

其中：第一、第六至第十一、第十三PMOS晶体管M10、M22、M23、M24、M27、M28、MP1、MOP的源极共同接供电电源VDD；除了第二至第三PMOS晶体管M11、M12外，第一、第四至第十三PMOS晶体管M10、M20、M21、M22、M23、M24、M27、M28、MP1、MP2、MOP的衬底端接供电电源VDD；第三至第五、第八至第十一、第十三NMOS晶体管M15、M16、M17、M25、M26、M29、MN1、MON的源极共同接地GND；第一至第十三NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M25、M26、M29、MN1、MN2、MON的衬底端接地GND；

第一PMOS晶体管M10的栅极接第一偏置电压Vb1、漏极接第二至第三PMOS晶体管M11、M12的源极；第一至第二PMOS晶体管M11、M12、第一至第二NMOS晶体管M13、M14的栅极分别接输入电压Vin-和Vin+端；第三NMOS晶体管M15的栅极接第二偏置电压Vb2、漏极接第一至第二NMOS晶体管M13、M14的源极；

第二PMOS晶体管M11、第四NMOS晶体管M16的漏极、第四至第五NMOS晶体管M16、M17、第九至第十NMOS晶体管M26、M29的栅极共同接第六NMOS晶体管M18的源极；第三PMOS晶体管M12、第五NMOS晶体管M17的漏极、第八NMOS晶体管M25的漏极共同接第七NMOS晶体管M19的源极；第四至第五PMOS晶体管M20、M21的栅极、第六至第七NMOS晶体管M18、M19的栅极、第六NMOS晶体管M18的漏极共同接第四NMOS晶体管M20的源极；第一NMOS晶体管M13、第六PMOS晶体管M22的漏极、第四至第五PMOS晶体管M22、M23、第九至第十PMOS晶体管M27、M28的栅极共同接第四PMOS晶体管M20的源极；第二NMOS晶体管M14、第七PMOS晶体管M23的漏极共同接第五PMOS晶体管M21的源极；第七NMOS晶体管M19、第五PMOS晶体管M21的漏极共同接第五PMOS晶体管M24的栅极；

第八NMOS晶体管M25、第八PMOS晶体管M24、第十三NMOS晶体管MON、第十三PMOS晶体管MOP的漏极、补偿电容Ca的右端共同接接输出端VOUT；第九PMOS晶体管M27、第九NMOS晶体管M26的漏极共同接第十一NMOS晶体管MN1的栅极；第十PMOS晶体管M28、第十NMOS晶体管M29的漏极共同接第十一PMOS晶体管MP1的栅极；第十一PMOS晶体管MP1、第十二NMOS晶体管MN2的漏极、第十二PMOS晶体管MP2的源极共同接第十三PMOS晶体管MOP的栅极；第十一NMOS晶体管MN1、第十二PMOS晶体管MP2的漏极、第十二NMOS晶体管MN2的源极共同接第十三NMOS晶体管MON的栅极；第十二PMOS晶体管MP2、第十二NMOS晶体管MN2的栅极分别接第三至第四偏置电压VBP、VBN。外接的负载电容CL接VOUT。