CN1197250C - 数模转换器 - Google Patents

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Abstract

一种数模转换器包括第一转换器级1，用于通过选择合适的低阻抗参考电压将一个k位输入信号中的m位最高有效位转换到上限电压VH和下限电压VL；第二转换器级2，在电压限VL和VH确定的电压范围内执行k位输入信号中n位最低有效位的线性转换；包括开关SW1和SW2的预充电电路，将级2与在预充电阶段充电至电压限VL的负载CLOAD断开连接。随后负载与电压限VL断开连接，并连至级2的输出，来完成将负载CLOAD充电至转换器的输出电压。

Description

数模转换器
技术领域
本发明涉及一种数模转换器(DAC)和一种安装了这种DAC的有源矩阵液晶显示器(AMLCD)。
背景技术
一种已知类型的DAC包括两个级联级，其中第一级从多个电压参考值中选择一对低阻抗的参考电压，并以此作为第二级线性DAC的输入值。这种类型的DAC，例如，可以用在带有数字接口的AMLCD的数据驱动控制电路中。这种转换器用来产生模拟图像元素(象素)的电压，并为象素电压和液晶象素的象素亮度传输之间的非线性关系提供补偿。这通常称作灰度系数校正，用于有效地使象素电压和象素传输之间的关系线性化。
附图1示出了已知类型的两级DAC，如在US5877717中所公开的。第一级1有2m+1个与提供一个零参考电压和2m个不同的参考电压的低阻抗参考电压源相连的输入端，该2m个不同的参考电压表示接近提供灰度系数校正功能的线性段的终点。第一级1的功能是用作DAC，并且接收k位并行输入信号的m位最高有效位(MSBs)。一个m位到2m的解码器用来转换m位MSBs，以提供与2m个输出中的一个对应的有效信号，这些用于控制两个2m到1的多路复用器。M位MSBs选择与一个线性段对应的参考电压VH和VL。
第二级2包括一个线性DAC，通过k位输入信号的n位最低有效位(LSBs)来选址，并在由上、下电压限VH和VL确定的电压范围内执行n位线性转换。DAC2包括一个n位到2n的解码器2a，2a的输出控制诸如3的n个开关，开关用来选择包括诸如4的串联于DAC接收电压VH和VL的输入端之间的电阻器的电阻性分压器的接头点。DAC2的输出直接或通过图1中断线表示的可选缓冲器5与负载相连，图示的为电容负载Cload。
附图2示出了EP0899884中公开的另一种已知类型的两级转换器。这种DAC与图1中所示DAC的区别在于第二级2使用电容转换器代替了电阻阶梯形转换器。n位最低有效位LSBs直接控制诸如6的n个电子开关，电子开关选择性的与各自的诸如7的电容的第一电极相连，以接收第一级DAC1的上限电压VH或下限电压VL。电容的第二电极连在一起，并直接或通过可选缓冲器5连到DAC的输出。此外，诸如8的开关，与电容交叉相连，开关9连接在电容7的第二电极和接收下限电压VL的输入端之间。
电容7具有二进制等级的电容，以至每个电容的电容量是表示下一个最低有效位的电容的两倍。开关6，8和9由包括图2所示的Φ1和Φ2的两段非重叠的时钟控制。在第一段Φ1，开关8和9闭合，以使电容7放电，并将转换器2的输出充电至下限电压VL。在第二时钟段Φ2，如果控制位为高，则每一个电容7连接接收上限电压VH；如果控制位为低，则每一个电容7连接接收下限电压VL。
DAC的两个重要的规格是输入的数字数据转换成相应的模拟值的精度及转换的速度(到给定的负载阻抗)。使用缓冲器5有利于提高驱动能力和整体转换速度。然而，对于驱动高电容负载的高速转换器，例如AMLCD中的转换器，会带来对缓冲器的高转换率及精度的需求。
为了提高转换过程的速度，可以将输出负载预充电到中间电平，例如在US5426447中公开的。这种设置在附图3中已说明，图3表示一种包括薄膜晶体管(TFT)阵列10的AMLCD。阵列10包括如11这样的薄膜晶体管，薄膜晶体管构成矩阵阵列，用来控制诸如12这样的单个液晶象素。每一行晶体管11的栅极被连接在一起，并与扫描驱动器相连，而每一列晶体管的漏极被连接在一起，并与各个输出缓冲器5相连。数字数据和控制信号提供给包括附图1或附图2所示类型的DAC的列数据驱动器14。
数据线同时被连接到接收预充电控制信号的预充电电路15。这一设置的目的是为减少对缓冲器5的转换率的需求。
为了保持液晶的DC平衡，通常用交流极电压驱动象素。例如，极性在每一个数据行或帧提供给显示器之后可以反向。这样，由于在一个刷新周期内所需的象素电压必须从前一个刷新周期的反向电极象素电压中获得，输出缓冲器5的最大转换率能力就限制了显示器的刷新频率。
在附图3所示的设置中，每一个刷新周期开始之前，预充电电路15对所有的数据线预充电到一个固定的电压，以便减小必须通过每一个象素获得的电压变化。这样减少了对输出缓冲器5的最大转换率的需求。
这种类型的技术已经在EP0899714、EP0899713、EP0899712中公开。在这种情况下，预充电电路15给数据线预充电到约为最大象素电压的一半。这样一来，在一个已提前充电到反向电极的最大象素电压的象素上建立最大象素电压的最坏情况下，最大转换率以4为因数减小。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种数模转换器，包括：第一转换器级，用于执行k位输入信号的m位最高有效位的第一数模转换；预充电电路，用于根据第一转换的结果给输出负载预充电到预充电电压；及第二转换器级，用来执行k位输入信号中n位最低有效位的第二数模转换。
m与n的和可以等于k。
根据m位最高有效位，第一级可以设置为选择多个参考电压中的第一和第二电压。
多个参考电压包括2m+1个参考电压。
第一和第二电压可以有连续值。
第一电压值大于第二电压值；并且预充电电压值小于或实际上等于第一电压值，大于或实际上等于第二电压值。
预充电电压值实际上等于第一和第二电压值的算术平均值。
预充电电压实际上等于第一和第二电压中的一个。预充电电压实际上等于第二电压。第一级有分别用于第一和第二电压的第一和第二输出，预充电电路包括一个用于在预充电阶段将转换器的输出与第一和第二输出之一相连的第一开关。
预充电电路包括一个用于在预充电阶段将第二级的输出与转换器的输出断开连接的第二开关。
输出缓冲器连接在第二级的输出和第二开关之间。输出缓冲器具有不同的输入端，第一输入端与第二级的输出相连，第二输入端与第一和第二输出之一相连。
第一级包括一个m位到2m的解码器及第一和第二2m到1的多路复用器。
第二级设置为将n位最低有效位转换为第一和第二电压之间的电压。
第二级设置为执行线性转换。
第二级包括一个分压器，一个n位到2n的解码器及一个2n到1的多路复用器。
第二级包括多个电容和多个用于根据n位最低有效位有选择地连接电容以接收第一或第二电压的开关。
根据本发明的第二个方面，提供了一种包括根据本发明第7一个方面的转换器的有源矩阵液晶显示器。
因此，可能提供一种实质上提高转换速度的DAC。在初始或第一转换过程的基础上，通过执行输出负载的预充电，第二转换级在最坏的情况下，需要提供比较小的电压变化，以使总体转换周期对于给定的驱动能力可以减小。在提供了输出缓冲器的地方，对于缓冲器的最大转换率的需求实际上减少了。或者，对于给定的速度需求，转换器的设计，当存在缓冲器的时候，缓冲器可以简化，也可以通过节省电力消耗来实现。
附图说明
下面参考附图，对本发明作进一步的描述：
图1为第一种已知类型的数模转换器(DAC)的电路框图；
图2为第二种已知类型的数模转换器(DAC)的电路框图；
图3为已知类型的包括预充电设置的AMLCD的原理框图；
图4为构成本发明一个实施例的DAC的电路框图；
图5为图4中的DAC产生的波形图；
图6为驱动负载时DAC的性能图；
图7为类似于图6的当驱动负载时DAC的转换率极限的结果图；
图8为构成本发明另一个实施例的DAC的电路框图；
图9为构成本发明又一个实施例的DAC的电路框图；
图10示出了应用于图9所示类型的DAC的偏移补偿技术的电路图；
图11为构成本发明又一个实施例的DAC的电路框图；
图12为构成本发明实施例的并包括图4中所示类型的DAC的AMLCD的原理图。
具体实施方式
附图中相同的标记指示相同的部分。
图4所示的是包括第一DAC级1和第二DAC级2的两级类型的DAC。第一级DAC1接收k位并行输入信号的m位最高有效位，而第二级2接收n位最低有效位，其中m+n＝k。第一级1与图1、2中所示的类型相同，在上文已经描述过，因此不再赘述。
级1根据m位最高有效位从参考电压选择电压的上限VH和下限VL，并将它们提供给第二DAC级2，第二DAC级2在电压VL和VH范围内执行n位最低有效位的线性转换。级2的输出通过上文描述的可选缓冲器5提供。
图4的转换器包括一个预充电电路，预充电电路由一个预充电开关SW1和一个隔离开关SW2组成。开关SW1连接在提供下限电压VL的第一级1的输出和与负载电容Cload相连的转换器的输出之间。开关SW2连接在转换器输出和级2的输出之间，或当存在缓冲器5的时候，连接在转换器输出与缓冲器5的输出之间。开关SW1和SW2由非重叠的两段时钟信号Φ1和Φ2控制，以至在预充电阶段，当时钟信号Φ1有效时，开关SW1闭合，SW2断开，而在当时钟信号Φ2有效时的第二时钟阶段，开关SW1断开，SW2闭合。
尽管开关SW1表示为被连接到提供下限电压VL的级1的输出，开关也可以选择性地与提供上限电压VH的输出或点相连，例如分压器的接头点，用来提供电压限VH和VL之间的电压。然而，为简单起见，下面将描述图4中将开关连接用来接收下限电压VL的设置。
图5示出了与公共时间坐标轴对照的图4中的时钟信号Φ1和Φ2以及转换器的输出电压。在零时刻，通过负载电容Cload的电压可以是转换器工作输出电压范围内的任意值。例如，在转换器被用作提供反向极性象素信号的AMLCD的一部分的地方，具有连续地刷新周期，初始电压在反向极性工作电压范围内可以取当前刷新周期内提供的任意值。然而，为简单起见，初始电压在零时间刻表示为零值。
此时，时钟信号Φ1转换到有效高电平，而时钟信号Φ2转换到无效低电平。开关SW1闭合，SW2断开。第一DAC级1根据当前k位输入信号的m位最高有效位选择两个输入参考电压提供具有连续值的电压限VL和VH。开关SW1与负载Cload相连，来接收下限电压VL，以便于负载向电压VL充电，并在一定精度内达到这个值，在由时钟信号Φ1定义的预充电阶段结束之前，开关SW1保持有效。
电压限VL和VH用来提供给第二DAC级2，第二DAC级2在由根据k位输入的n位最低有效位的电压限定义的电压范围内执行线性转换。表示k位输入信号完全转换到模拟输出信号的结果电压从级2的输出、或者直接或当存在缓冲器5时通过缓冲器5提供给开关SW2，开关SW2在定义预充电阶段的第一时钟阶段保持断开。
在t1时刻，时钟信号Φ1转换到无效或低状态来结束预充电。时钟信号Φ2变为有效，以便开关SW1断开，SW2闭合。负载Cload从下限电压VL上断开连接，然后被连接用来接收转换器的输出电压。正如图5所示，负载充电至转换器输出电压Vf，然后结束。在t2时刻，当时钟信号Φ1变成有效，时钟信号Φ2变成无效时重复操作周期。
图6示出了具有限值输出电阻R的DAC的输出操作，电阻R用于给带电容C的负载充电。电压V(t)表示t时刻无负载的输出电压(开路输出电压)，V0(t)表示t时刻通过负载的电压。V0(0)则表示零时刻通过负载的初始电压。
通过负载的电压由公式给出：
Vc(t)＝Vc(0)+[Vc(t)-Vc(0)](1-e-t/RC)
考虑到T时刻完成的转换，精度x定义为：
x＝Vc(T)/V(T)
完成转换所需的时间T由公式给出：
T＝RC In(V(T)-Vc(0))/(1-x)V(T)
这一公式可以通过以V代替V(T)，V0代替Vc(0)简化为：
T＝RC In(V-V0)/(1-x)V
作为实例，一种典型的AMLCD应用需要m＝3且n＝3的6位转换。在附图4所示的转换器的情况下，预充电电压V0等于7V/8，并且用于完全转换的一半的最低有效位的精度达到：
Tprg＝RC In(V-7V/8)/(1-63.5/64)＝2.77×RC
对于已知类型的DAC，例如附图1和2所示的，初始电压V0为零，且一半的最低有效位的精度达到：
Tprg＝RC In V/(1-63.5/64)＝4.85×RC
这样，对于给定的输出阻抗和负载电容，附图4中的转换器比附图1和2中已知类型的转换器几乎快两倍。此外，对于转换器的输入位k的数量在n＝m时，通常的结果是速度近似加倍。相反，对于给定的转换速度，使用电阻类型的DAC(例如附图1中的级2)用于直接驱动负载，由于使用较大值电阻实现同样的转换速度，级2的电力几乎消耗到一半。在这种情况下，尽管电阻类型的DAC具有依靠实际输出电压的可变输出电阻，在上述表达式中通常是这种结果。R代表可变输出电阻。
在存在输出缓冲器5的情况下，缓冲器5的最大输出转换率的有限值受负载电容C的最大充电率的限制，而不是受缓冲器5的输出电阻或阻抗的限制。这种对转换器的转换速度的影响在附图7中已说明，为简单起见，忽略缓冲器的小信号调整时间。
在这种情况下，通过负载电容C的电压由公式给出：
Vc(t)＝Vc(0)+S·t
其中S为缓冲器5在输出时的最大转换率。通过使用相同的精度参数x，由公式给出：
x＝Vc(T)/V(T)
转换时间T由公式给出：
T＝[xV(T)-Vc(0)]/S
上文给出的公式以同样的方式可以简化为：
T＝[xV-V0]/S
再者，对于m＝3和n＝3的完整规模的转换以及一半最低有效位的精度，附图4所示的转换器通过下面公式完成转换：
T＝[63.5V/64-7V/8]/S＝0.12×V/S
相反，已知类型的转换器，例如在附图1或2中所示的转换器具有一个由公式给出的转换时间：
T＝63.5V/64S＝0.99×V/S
这样，转换速度可以通过因数8增加。相反，对于相同的转换速度，由于对最大转换率的需求几乎是幅度下降的顺序，缓冲器的规格和电力消耗实际上减少了。
附图8所示的转换器是附图4中所示的类型，具有图1所示的电阻阶梯型第二DAC级2。类似的，图9中所示的转换器是图4中所示的类型，但是具有图2所示的二进制等级的DAC级2。
在转换器需要用在高精度电路或包含在诸如多硅薄膜晶体管的低性能电路中时，在给负载提供输出信号之前，需要偏移补偿电路来消除缓冲器5中对偏移的影响。偏移补偿装置的一个实例如图10所示，利用转换器的两段操作来提供偏移补偿，而不必拖延转换过程。偏移补偿装置包括一个输入电容C1，一个反馈电容C2，以及开关SW3至SW7。缓冲器5有不同的输入类型，作为一个电压输出器来操作，通过具有百分之百的负反馈到其反向输入端。开关SW3，SW5和SW7在时钟信号Φ1有效时闭合，在时钟信号Φ2无效时断开，而开关SW4和SW6在时钟信号Φ1无效时断开，在时钟信号Φ2有效时闭合。
缓冲器5的非反向输入端可以被连接用来接收下限电压VL或一个例如在AMLCD的计数器电极上的固定电压。当缓冲器5的非反向输入端接收了下限电压VL时，由于测量的偏移与需要的最终结果非常接近，电路的动态操作得到改善。然而，如果缓冲器5的普通模式的输入电压范围不够充分，非转换输入可与常量电压相连，缓冲器5的输入级实际上保持在常量操作点，如果缓冲器5需要以提供给它的上限和下限电压之间的输入电压操作，这样是有利的。
图11所示的转换器是图4所示的类型，而且，除了可选缓冲器5之外，可选的偏移补偿装置22由断线所示。例如，这可以是图10所示的类型。并且，开关SW1与分压装置24的输出相连，分压装置的输入连接接收上限电压VH和下限电压VL。例如，分压装置24可以被设置用来提供上限和下限电压的算术平均值(VL+VH)/2给开关SW1。这样，当时钟信号Φ1有效时，负载CLOAD向VL和VH电压间，最好是中间值充电。DAC级2必须产生的最大电压变化大约是前面所述实施例所需最大变化的一半。
图12示出了一种与图3所示类型相似的AMLCD，但是其中列数据驱动器14包括多个图4所示的转换器。特别是，每一列或诸如20的数据线，被连接到包括级1和2以及开关SW1和SW2的各个转换器上。其中包括使用低性能多硅晶体管的驱动器13和14，例如使用硅绝缘技术，应用这种转换器提供改进的操作速度和/或减少集成电路区域的需求，允许对设计依次进行简化和改进。

Claims (19)

1.一种数模转换器，其特征在于，包括；
第一转换器级，用于对k位输入信号的m位最高有效位进行第一数模转换，并且所述第一转换器级具有至少两个输出端；
第二转换器级，用来对k位输入信号的n位最低有效位进行第二数模转换；
和
预充电电路，用于根据第一数模转换的结果，给输出负载预充电到一预充电电压，所述预充电电路包括：
第一开关，用于在预充电阶段将第一转换器级的一个输出端与所述数模转换器的输出端相连；和
第二开关，用于在预充电阶段将第二转换器级的输出端与所述数模转换器的输出端断开。
2.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，m+n＝k。
3.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，根据m位最高有效位，第一转换器级设置为选择多个参考电压中的第一和第二电压。
4.如权利要求3所述的数模转换器，其特征在于，所述多个参考电压包括2m+1个参考电压。
5.如权利要求3所述的数模转换器，其特征在于，第一和第二电压具有连续值。
6.如权利要求3所述的数模转换器，其特征在于，第一电压值大于第二电压值，并且预充电电压值小于或基本上等于第一电压值，大于或基本上等于第二电压值。
7.如权利要求6所述的数模转换器，其特征在于，预充电电压值基本上等于第一和第二电压值的算术平均值。
8.如权利要求6所述的数模转换器，其特征在于，预充电电压基本上等于第一和第二电压中的一个。
9.如权利要求6所述的数模转换器，其特征在于，第一转换器级具有分别用于第一和第二电压的第一和第二输出端。
10.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，还包括一个输出缓冲器，所述输出缓冲器连接在第二转换器级的输出和第二开关之间。
11.如权利要求10所述的数模转换器，其特征在于，所述输出缓冲器具有不同的输入端，其中第一输入端与第二转换器级的输出相连，第二输入端与第一和第二输出中的一个相连。
12.如权利要求4所述的数模转换器，其特征在于，第一转换器级包括一个m-2m的解码器以及第一和第二2m-1的多路复用器。
13.如权利要求5所述的数模转换器，其特征在于，第一转换器级包括一个m-2m的解码器以及第一和第二2m-1的多路复用器。
14.如权利要求6所述的数模转换器，其特征在于，第一转换器级包括一个m-2m的解码器以及第一和第二2m-1的多路复用器。
15.如权利要求3所述的数模转换器，其特征在于，第二转换器级设置为将n位最低有效位转换为第一和第二电压之间的电压。
16.如权利要求15所述的数模转换器，其特征在于，第二转换器级设置为执行线性转换。
17.如权利要求15所述的数模转换器，其特征在于，第二转换器级包括一个分压器，一个n-2n的解码器以及一个2n-1的多路复用器。
18.如权利要求15所述的数模转换器，其特征在于，第二转换器级包括多个电容和多个开关，所述多个开关根据n位最低有效位有选择地连接所述电容器，以接收第一或第二电压。
19.一种有源矩阵液晶显示器，其特征在于，包括如权利要求1所述的数模转换器。
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