CN105099381B

CN105099381B - 运算放大器

Info

Publication number: CN105099381B
Application number: CN201410220409.4A
Authority: CN
Inventors: 邱韦达
Original assignee: Novatek Microelectronics Corp
Current assignee: Novatek Microelectronics Corp
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: CN105099381A

Abstract

本发明公开一种运算放大器，包括一第一金氧半场效应晶体管，包括一第一汲极、一第一闸极以及一第一源极；一第二金氧半场效应晶体管，包括有一第二汲极、一第二闸极以及一第二源极，所述第二源极耦接于所述第一金氧半场效应晶体管的所述第一源极；以及一偏压源，耦接于所述第一金氧半场效应晶体管的所述第一源极及所述第二金氧半场效应晶体管的所述第二源极与一第一特定准位之间；其中，所述第一金氧半场效应晶体管及所述第二金氧半场效应晶体管为空乏型，以仅使用一组输入对达到轨对轨输出电压而节省电路面积。

Description

运算放大器

技术领域

本发明涉及一种运算放大器，尤其涉及一种使用空乏型金氧半场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)作为输入对，而可仅使用一组输入对达到轨对轨(Rail to Rail)输出电压而节省电路面积的运算放大器。

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，其依据前级数位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画素单元。

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，其包括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用来提高所述运算放大器的增益(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(LoopStability)不足的问题，因此公知运算放大器会借由一米勒补偿(Miller Compensation)电容进行频率补偿，以达到稳定回路的效果。

此外，由于P型输入对及N型输入对仅能分别适用于特定操作电压范围，因此公知运算放大器为达到轨对轨(Rail to Rail)输出电压，通常以P型输入对结合N型输入对结合作为输入级。举例来说，请参考图1A及图1B，图1A为公知的一运算放大器10的部分示意图，而图1B为图1A中运算放大器10的操作电压示意图。如图1A所示，运算放大器10包括一输入对100、102、主动负载104、106以及偏压源108、110，其中，P型输入对100包括P型增强型(enhancement)金氧半场效应晶体管MP1、MP2，N型输入对102包括N型增强型金氧半场效应晶体管MN1、MN2，而输入对100、102接收输入电压In+、In-使运算放大器10据以产生输出电压。

在此情况下，如图1A及图1B所示，若晶体管MP2欲导通进行操作，则一系统电压VDD减去偏压源108的一导通电压VDsat及晶体管MP2的一门坎电压(threshold voltage)的相反值(即P型增强型晶体管中门坎电压为闸源极电压差且为负值，一源闸极电压差VSG需大于门坎电压的相反值以进行导通)需大于输入电压In+，晶体管MP1也具有相同操作条件，因此P型输入对100仅能在一范围CMP导通进行操作；相似地，若晶体管MN2欲导通进行操作，则输入电压In+减去晶体管MN2的一门坎电压(即一门坎电压为正值，一闸源极电压差VGS需大于门坎电压以进行导通)及偏压源110的一导通电压VDsat需大于一接地准位GND(即0V)，晶体管MN1也具有相同操作条件，因此N型输入对102仅能在一范围CMN导通进行操作。如此一来，由于运算放大器10同时具有P型输入对100及N型输入对102在范围CMP、CMN导通进行操作，因此运算放大器10可操作在一全范围VCM而具有轨对轨输出电压。

然而，公知运算放大器10需同时具有P型输入对100及N型输入对102，需要较大的电路面积。因此，公知技术实有改进的必要。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种使用空乏型金氧半场效应晶体管作为输入对，而可仅使用一组输入对达到轨对轨输出电压而节省电路面积的运算放大器。

本发明公开一种运算放大器。所述运算放大器包括一第一金氧半场效应晶体管，包括一第一汲极、一第一闸极以及一第一源极；一第二金氧半场效应晶体管，包括一第二汲极、一第二闸极以及一第二源极，所述第二源极耦接于所述第一金氧半场效应晶体管的所述第一源极；以及一偏压源，耦接于所述第一金氧半场效应晶体管的所述第一源极及所述第二金氧半场效应晶体管的所述第二源极与一第一特定准位之间；其中，所述第一金氧半场效应晶体管及所述第二金氧半场效应晶体管为空乏型。

在此配合下列附图、实施例的详细说明及权利要求书，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。

附图说明

图1A为公知一运算放大器的部分示意图。

图1B为图1A中运算放大器的操作电压示意图

图2A为本发明实施例1的一种运算放大器的部分示意图。

图2B为图2A所示的运算放大器的详细示意图。

图3A为本发明实施例2的一种运算放大器的部分示意图。

图3B为图3A所示的运算放大器的详细示意图。

图4为本发明实施例一液晶显示器驱动器的示意图。

图5为本发明实施例另一液晶显示器驱动器的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10、20、30、406、408、506、508 运算放大器

100、102、202、302 输入对

104、106、204、304 主动负载

108、110、206、306 偏压源

208、308 输出级

40、50 液晶显示器驱动器

400、402、500、502 数字模拟转换器

404、504 切换电路

MP1～MP4、MN1～MN4 晶体管

VDD 系统电压

VDsat 导通电压

VSG 源闸极电压差

VGS 闸源极电压差

In+、In-、Vin 输入电压

CMP、CMN、VCM 范围

GND 接地准位

Vout 输出电压

具体实施方式

实施例1

请参考图2A，图2A为本发明实施例1的一种运算放大器20的部分示意图。如图2A所示，运算放大器20包括一输入对202、主动负载204以及偏压源206，其中，N型输入对202包括N型金氧半场效应晶体管MN3、MN4。简单来说，金氧半场效应晶体管MN3、MN4分别在闸极接收输入电压In-、In+，且金氧半场效应晶体管MN4的一源极耦接于金氧半场效应晶体管MN3的一源极。主动负载204耦接金氧半场效应晶体管MN3、MN4的汲极。偏压源206耦接于金氧半场效应晶体管MN3、MN4的源极与一第一特定准位(即接地准位GND)之间，其中，金氧半场效应晶体管MN3、MN4为空乏型(depletion type)。

在此情况下，若晶体管MN4欲导通进行操作，则输入电压In+减去晶体管MN4的一门坎电压及偏压源206的一导通电压VDsat需大于一接地准位GND(即0V)，但由于金氧半场效应晶体管MN4为空乏型而门坎电压为负值，因此即使输入电压In+为0仍可导通(如门坎电压为-0.7V而导通电压VDsat为0.3V，晶体管MN4可在(In+)-(-0.7)-0.3>0的情况下导通)，晶体管MN3也具有相同操作条件，使得运算放大器20可操作在全范围VCM而具有轨对轨(Railto Rail)输出电压。如此一来，运算放大器20可通过使用空乏型金氧半场效应晶体管MN3、MN4作为输入对202，而可仅使用一组输入对202达到轨对轨输出电压而节省电路面积。

值得注意的是，上述实施例的主要精神在于通过使用空乏型金氧半场效应晶体管作为输入对，而可仅使用一组输入对达到轨对轨输出电压而节省电路面积，本领域普通技术人员当可据以进行修饰或变化，而不限于此。举例来说，运算放大器20的详细电路不限于特定结构。请参考图2B，图2B为图2A所示运算放大器20的详细示意图。如图2B所示，运算放大器20还包括一输出级208，耦接于主动负载204，以产生一输出电压Vout，其中，偏压源206以一偏压晶体管实施。在此结构下，金氧半场效应晶体管MN3、MN4在闸极所接收输入电压In-、In+可分别为输出电压Vout及一输入电压Vin，以通过负回授方式将输出电压Vout锁定在输入电压Vin，而主动负载204则以折迭(folded)结构作为转导，通过提供电流在N型输入对202产生电压信号使得输出级208产生输出电压Vout。须注意，主动负载204、偏压源206以及输出级208并不限于图2B所示的结构，而可以其它结构仍具有其作用。

此外，金氧半场效应晶体管MN3、MN4的一基极(Body)可耦接于一第二特定准位，所述第二特定准位等于所述第一特定准位(如图2B所示金氧半场效应晶体管MN3、MN4的基极耦接于接地准位GND)或介于所述第一特定准位与金氧半场效应晶体管MN3、MN4的源极的一准位之间(如金氧半场效应晶体管MN3、MN4的基极可耦接于大于0但小于金氧半场效应晶体管MN3、MN4的源极的准位的电位)。在此情况下，由于金氧半场效应晶体管MN3、MN4的源极与基极的电压差大于0，因此当金氧半场效应晶体管MN3、MN4的闸极电压(即输出电压Vout及输入电压Vin)提高时，金氧半场效应晶体管MN3、MN4的门坎电压会由负值逐渐接近0或甚至转为正值，而有助于输出具有高电压的输出电压Vout。

实施例2

除上述实施例1以N型金氧半场效应晶体管MN3、MN4作为输入对202外，也可以P型金氧半场效应晶体管作为输入对来实施。举例来说，请参考图3A及图3B，图3A为本实施例提供的运算放大器30的部分示意图。如图3A所示，运算放大器30包括一输入对302、主动负载304以及偏压源306，其中，P型输入对302包括P型金氧半场效应晶体管MP3、MP4。简单来说，金氧半场效应晶体管MP3、MP4分别在闸极接收输入电压In-、In+，且金氧半场效应晶体管MP4的一源极耦接于金氧半场效应晶体管MP3的一源极。主动负载304耦接金氧半场效应晶体管MP3、MP4的汲极。偏压源306耦接于金氧半场效应晶体管MP3、MP4的源极与一第一特定准位(即系统电压VDD)之间，其中，金氧半场效应晶体管MP3、MP4为空乏型。

在此情况下，若晶体管MP4欲导通进行操作，则系统电压VDD减去偏压源306的一导通电压VDsat及晶体管MP4的一门坎电压的相反值需大于输入电压In+，但由于金氧半场效应晶体管MP4为空乏型且门坎电压为正值(即P型空乏型晶体管中门坎电压为闸源极电压差且为正值，源闸极电压差VSG需大于门坎电压的相反值以进行导通)，因此即使输入电压In+接近系统电压VDD仍可导通(如门坎电压为0.7V而导通电压VDsat为0.3V，晶体管MP4可在VDD-0.3-(-0.7)>(In+)的情况下导通)，晶体管MP3也具有相同操作条件，使得运算放大器30可操作在全范围VCM而具有轨对轨输出电压。如此一来，运算放大器30可通过使用空乏型金氧半场效应晶体管MP3、MP4作为输入对302，而可仅使用一组输入对302达到轨对轨输出电压而节省电路面积。

另一方面，请参考图3B，图3B为图3A所示运算放大器30的详细示意图。如图3B所示，运算放大器30还包括一输出级308，耦接于主动负载304，以产生一输出电压Vout，其中，偏压源306以一偏压晶体管实施。在此结构下，金氧半场效应晶体管MP3、MP4在闸极所接收输入电压In-、In+可分别为输出电压Vout及一输入电压Vin，以通过负回授方式将输出电压Vout锁定在输入电压Vin，而主动负载304则以折迭结构作为转导，通过提供电流在P型输入对302产生电压信号使得输出级308产生输出电压Vout。须注意，主动负载304、偏压源306以及输出级308并不限于图3B所示的结构，而可以其它结构仍具有其作用。

此外，金氧半场效应晶体管MP3、MP4的一基极可耦接于一第二特定准位，所述第二特定准位等于所述第一特定准位(如图3B所示金氧半场效应晶体管MP3、MP4的基极耦接于系统电压VDD)或介于所述第一特定准位与金氧半场效应晶体管MP3、MP4的源极的一准位之间(如金氧半场效应晶体管MP3、MP4的基极可耦接于小于系统电压VDD但大于金氧半场效应晶体管MP3、MP4的源极的准位的电位)。在此情况下，由于金氧半场效应晶体管MP3、MP4的基极与源极的电压差大于0，因此当金氧半场效应晶体管MP3、MP4的闸极电压(即输出电压Vout及输入电压Vin)降低时，金氧半场效应晶体管MP3、MP4的门坎电压会由正值逐渐接近0或甚至转为负值，而有助于输出具有低电压的输出电压Vout。

实施例3

再者，前述描述的运算放大器20、30可用于输出轨对轨输出电压Vout，因此可用于一液晶显示器驱动器(Liquid Crystal Display，LCD)中作为输出缓冲器。举例来说，请参考图4，图4为本实施例提供的一种液晶显示器驱动器40的示意图。如图4所示，液晶显示器驱动器40包括数字模拟转换器(digital to analog converter，DAC)400、402、一切换电路404以及运算放大器406、408。简单来说，数字模拟转换器400、402接收数字信号以分别输出正电压及负电压，再由切换电路404切换数字模拟转换器400、402与运算放大器406、408的连接，以交替输出正电压及负电压运算放大器406、408(即运算放大器406、408先分别接收正负电压及负电压，而在极性反转后，切换电路404改变连接组态使得运算放大器406、408分别接收负电压及正电压)，使得运算放大器406、408可根据所接收的输入电压稳定产生输出电压予奇数数据线及偶数数据线，以对液晶进行驱动。须注意，运算放大器406、408可分别以运算放大器20、30中一者实现以输出轨对轨输出电压，因此可节省电路面积。

实施例4

如图5所示，为本实施例提供的一种液晶显示器驱动器50的示意图，包括数字模拟转换器500、502、一切换电路504以及运算放大器506、508。简单来说，数字模拟转换器500、502接收数字信号以分别输出正电压及负电压，运算放大器506、508根据所接收的输入电压稳定产生输出电压，再由切换电路504切换运算放大器506、508与奇数数据线及偶数数据线的链接，以交替输出正输出电压及负输出电压对液晶进行驱动(即运算放大器506、508先分别输出正输出电压及负输出电压至奇数数据线及偶数数据线，而在极性反转后，切换电路504改变连接组态使得运算放大器506、508分别输出正输出电压及负输出电压至偶数数据线及奇数数据线)。须注意，运算放大器506、508可分别以运算放大器20、30中一者实现以输出轨对轨输出电压，因此可节省电路面积。此外，运算放大器20、30也可用于其它电路中，而不限于液晶显示器驱动器。

在公知技术中，运算放大器10需同时具有P型输入对100及N型输入对102，需要较大的电路面积。相比之下，本发明可通过使用空乏型金氧半场效应晶体管作为输入对，而可仅使用一组输入对达到轨对轨输出电压而节省电路面积。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种运算放大器，其特征在于，包括：

一第一金氧半场效应晶体管，包括有一第一汲极、一第一闸极以及一第一源极；

一第二金氧半场效应晶体管，包括有一第二汲极、一第二闸极以及一第二源极，所述第二源极耦接于所述第一金氧半场效应晶体管的所述第一源极；以及

一偏压源，耦接于所述第一金氧半场效应晶体管的所述第一源极及所述第二金氧半场效应晶体管的所述第二源极与一第一准位之间；

其中，所述第一金氧半场效应晶体管及所述第二金氧半场效应晶体管为空乏型；

其中，所述运算放大器仅包括具有所述第一金氧半场效应晶体管及所述第二金氧半场效应晶体管的单一输入对，而未包括其它输入对；

其中，所述运算放大器中的单一输入对具备接收轨对轨电压的能力；

其中，当所述第一金氧半场效应晶体管及所述第二金氧半场效应晶体管为N型金氧半场效应晶体管时，所述第一准位为一接地准位，或当所述第一金氧半场效应晶体管及所述第二金氧半场效应晶体管为P型金氧半场效应晶体管时，所述第一准位为一系统电压。

2.如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，所述第一金氧半场效应晶体管的一第一基极及所述第二金氧半场效应晶体管的一第二基极耦接于一第二准位，所述第二准位等于所述第一准位或介于所述第一准位与所述第一金氧半场效应晶体管的所述第一源极及所述第二金氧半场效应晶体管的所述第二源极的一准位之间。

3.如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，还包括：

一主动负载，耦接于所述第一金氧半场效应晶体管的所述第一汲极及所述第二金氧半场效应晶体管的所述第二汲极；以及

一输出级，耦接于所述主动负载，用来产生一输出电压。

4.如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，所述运算放大器用于一液晶显示器驱动器中。