CN1658512A - 数/模转换器，显示驱动器及显示器 - Google Patents

Abstract

一种用于将n位的数字字转换为相应的电压的n位数/模转换器。该转换器包括具有直接连接到容性负载(C_LOAD)的输出端(V_out)的(n－1)位无缓冲器开关电容器型数/模转换器(10)。该(n－1)位转换器(10)还具有第一和第二参考电压输入端(V₁，V₂)和(n－1)位数字输入端。(n－1)位选择性反相器(13₁，…，3_n－1，14₁，…，14_n－1)提供(n－1)个最低有效位到数字输入端并且当最高有效位具有一定的值时对这些最低有效位进行反相。开关装置(11，12)连接到第一和第二参考电压输入端(V₁，V₂)以根据该最高有效位的值而接收第一和第二或第二和第一参考电压。

Description

数/模转换器，显示驱动器及显示器

技术领域

本发明涉及一种数/模转换器，一种包括这种转换器的显示驱动器，以及一种包括这种驱动器的显示器。这种转换器可能，例如，用于驱动液晶显示器的矩阵列。这种转换器的一个特定应用是，应用在能量消耗相当珍贵的便携式设备的小型显示板中。

背景技术

附图1示出一种公知类型的开关电容器数/模转换器(DAC)，其用于将n位的数字字转换为相应的模拟输出。该DAC包括n个电容器C₁，...，C_n，其中每一第i电容器的电容C_i等于2^(i-1)C₁。该DAC进一步包括连接在单位增益缓冲器1的输入端和接地之间的终端电容器C_TERM。电容器C₁，...，C_n的第一电极连在一起并连接到终端电容器C_TERM的第一终端。每一个电容器C₁，...，C_n的第二终端连接到相应开关，例如2，该开关根据数字字的相应位的状态或值选择性地连接该第二电极到第一或第二参考电压输入端V₁或V₂。缓冲器1的输出驱动容性负载C_LOAD，例如以液晶设备的有效矩阵的数据行或列电极的形式。

该DAC有两个操作阶段，即复位或“调零”阶段和转换或“解码”阶段，这些操作阶段由未在图1中示出的内部产生的时序信号所控制。在调零阶段中，电容器C₁，...，C_n的第一和第二电极和终端电容器C_TERM的第一电极通过电子开关3连在一起，并连接到第一参考电压输入端V₁。电容器C₁，...，C_n因而放电，使得在DAC中储存的总电荷量等于V₁C_TERM。

在解码阶段中，根据数字输入字的第i位的值，每一个电容器C_i的第二电极连接到第一参考电压输入端V₁或第二参考电压输入端V₂。DAC中存储的电荷量由下式给出：

$Q=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{b}_i{C}_i(V_{\mathrm{DAC}}-V_2)+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left({1-b}_i\right)C_i(V_{\mathrm{DAC}}-V_1)+V_{\mathrm{DAC}}{C}_{\mathrm{TERM}}$

其中b_i是输入数字字的第i位，并且V_DAC是电容器C₁，...，C_n和C_TERM的第一电极的电压。输出电压因而由下式给出：

$V_{\mathrm{DAC}}=V_{\mathrm{OUT}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{b}_i{C}_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i+C_{\mathrm{TERM}}}(V_1-V_2)+V_1$

通常，C_i＝2^(i-1)C₁并且C₁＝C_TERM。这就产生了一组输出电压，它们与输入数字字线性相关。

为了隔离负载电容于DAC并为了防止其影响转换过程，设有单位增益缓冲器1。然而，这种缓冲器是能量消耗的重要源。假如省略掉缓冲器1，终端电容将会随着负载电容的增加而增加，这使得来自DAC的最大输出电压由下式给出：

$V_{\mathrm{OUT}\left(\mathrm{MAX}\right)}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i+C_{\mathrm{TERM}}+C_{\mathrm{LOAD}}}(V_2-V_1)+V_1$

这种影响可以通过增加开关电容器的值而减小。然而，这增加了能量消耗以及DAC占用的集成电路的面积。为了获得接近该较高参考电压的电压，例如供应到参考电压输入端V₂的电压，电容必须大幅度增加。

补偿这种影响的另一种技术是增加供应到输入端V₂的该较高参考电压。然而，这也增加了DAC的电能消耗，并且这也需要更复杂或更大功率的电路来产生该较高的参考电压。

在一些应用中，需要DAC产生输出电压作为输入数字字的非线性函数。例如图2示出了当DAC用作液晶显示器的驱动装置的一部分时所需要的转移函数，并且附图3示出为了提供非线性校正这样的转移函数是如何被改变的。GB2388725公开了一种非线性DAC，其中非线性通过提供未二进制加权的开关电容器而实现。通过使用这种具有相对较大的终端电容器的装置，如附图4所示，可以将DAC直接连接到负载而不需要中间缓冲器。然而，如上文中所述的最大输出电压的限制同样存在于这种装置。进而，这种DAC被限制提供轴对称的转换特性。例如，如附图5所示，在输入字或代码的范围为0到63的6位转换器的情况下，V_b-V₀＝V₂-Vb’，其中b是6位数字代码，并且b’是其反码。因而，尽管这种类型的DAC能够接近图2所示的曲线，但通常它不能充分地接近如图3所示的非对称曲线。

现有技术的确认

附图6示出这种类型的一个非线性DAC，其公开在US6380917，以及在Matsueda等人的“一种具有积分数字数据驱动器的6位色低温polySiTFT-LCD”，SID’98提要，pp.879-882。这种非线性DAC可以用于接近液晶设备的转换特征曲线。图6所示的6位的例子不需要缓冲器或终端电容器，并且包括五个二进制加权电容器，它们的连接通过来自输入字的这五个最低有效位的信号而控制。最高有效位D5控制参考电压源VO1，VO2，VC1和VC2的选择。

在调零阶段中，根据最高有效位的值，负载电容(如图6所示的数据行电容)的第一电极被充电到参考电压VC1或VC2，并且类似地根据最高有效位的值，开关电容器的第一电极被放电到参考电压VO1或VO2。如果最高有效位D5的值是0，则提供五个未反相的最低有效位，反之，如果最高有效位的值是1，则五个最低有效位反相。在解码阶段中，负载电容的第一电极连接到选定的开关电容器的第一电极，其受该五个最低有效位的反相或未反相的值控制。DAC的所得到的输出电压由下式给出：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{V_{C1}{C}_{\mathrm{LOAD}}+V_{O1}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{b}_i{C}_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{b}_i{C}_i+C_{\mathrm{LOAD}}}$

该转移函数本质上是非线性的，并且该转移函数是附图7所示的形式。利用最高有效位来控制参考电压和最低有效位的反相有效地提供了两条轴对称输出曲线，该曲线可以结合附图8所示。

尽管通过在DAC中的电容值的适当选定可以选择倾斜度，但这种能通过DAC提供的转换特性或曲线的范围被限制到同样的通常形状的曲线。并且需要四个参考电压，其中一些电压会超过需要的输出电压的范围。这种类型的装置因而也具有上文中所提及的同样的缺点。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供一种转换n位数字字的n位数/模转换器，其中n是大于1的整数，包括：具有一个直接连接到容性负载的输出端、第一和第二参考电压输入端、以及(n-1)位数字输入端的(n-1)位无缓冲器开关电容器型数/模转换器；(n-1)位选择性反相器，当n位数字字的最高有效位具有第一值时提供给(n-1)位数字输入端未反相的n位数字字的(n-1)个最低有效位，并且当最高有效位具有不同于第一值的第二值时提供反相的(n-1)个最低有效位；以及开关装置，当最高有效位具有第一值时，连接第一和第二参考电压输入端以分别接收第一和第二参考电压，当最高有效位具有第二值时，分别接收第二和第一参考电压。

(n-1)位转换器可以包括(n-1)个电容器，其第一电极连在一起以连接到容性负载。当(n-1)个最低有效位的第i位具有第一或第二值时，可以配置每一第i电容器的第二电极分别连接到第一或第二参考电压输入端。(n-1)位转换器可以具有复位模式，在此模式中电容器的第一和第二电极连接到第一参考电压输入端。每一第i电容器具有由C_i＝a^(i-1)C₁，1＜i≤(n-1)给出的值C_i，其中a是正实数。例如，a可以等于2。

第一值可以是0。

第二参考电压可以大于第一参考电压。

选择性反相器可以包括多路复用装置。作为可选的，选择反相器可以包括容纳表示由n位数字字寻址的第一函数的第一查阅表的第一存储器。作为进一步可选的，选择性反相器可以包括(n-1)个异或门，每一异或门具有接收最高有效位的第一输入端和接收(n-1)最低有效位中相应一位的第二输入端。

转换器可以包括容纳表示由n位数字字寻址的第二非线性函数的第二查阅表的第二存储器。

根据本发明的第二方面，提供一种包括至少一个根据本发明第一方面的转换器的显示驱动器。

根据本发明的第三方面，提供一种包括根据本发明的第二方面的驱动器的显示器。

显示器可以包括液晶设备。

因此可以提供一种不需要缓冲器并因此低能耗的转换器。转换器的转移函数可以是线性的或非线性的，并且只需要两个参考电压。这些参考电压可以限制在需要的输出范围内，并且可以具有相对低能耗的简单地产生。转换器不需要“控制”容性负载的大小，这使得能够减小积分区域，减小能耗并且转换的速度能够增加。

附图说明

将参考附图以实施例的方式对本发明作进一步的描述，其中：

图1是熟知的DAC的简化电路图；

图2是相对于输入数字代码的DAC输出电压的曲线图，用于说明为驱动典型的液晶显示器所需要的转换特性；

图3与图2相似，但用于说明利用2.2的γ值进行的非线性校正；

图4是另一熟知的DAC的简化电路图；

图5与图2相似，但用于说明图4的DAC的转移函数的轴对称；

图6是另一熟知DAC的电路图；

图7和8是与图2相似的曲线，用于说明图6的DAC的典型的转移函数；

图9是构成本发明的一个实施例的DAC的电路图；

图10是图9的DAC中一部分的简化电路图；

图11是说明图9的DAC的输出范围的曲线图；

图12说明利用图9的DAC的查阅表提供非线性的转移特性；

图13是构成本发明另一个实施例的转换器的电路图；

图14是构成本发明再一个实施例的转换器的电路图。

具体实施方式

图9中所示的DAC将n位的输入字或代码转换为范围在较低参考电压V_L和较高参考电压V_H之间并且包括端点的输出电压。该DAC包括输出端V_OUT直接连接到容性负载C_LOAD的无缓冲器型(n-1)位开关电容器DAC10，例如包括带电矩阵液晶设备的数据行。该DAC10具有连接到2-输入多路复用器11和12的输出端的参考电压输入端V₁和V₂，该多路转换器作为受最高有效位(MSB)b_n控制的电子切换开关。多路复用器11和12的第一输入被连接以分别接收参考电压V_L和V_H，而其第二输入被连接以分别接收参考电压V_H和V_L。当最高有效位b_n的值是0时，该输入端V₁和V₂通过多路复用器而被连接以接收参考电压V_L和V_H。反之，当该最高有效位b_n是1时，该多路复用器分别提供参考电压V_H和V_L到输入端V₁和V₂。

该最高有效位还控制包括两输入多路复用器13₁，...，13_n-1和反相器14₁，...，14_n-1的(n-1)位选择反相器。每一个多路复用器有第一输入端，该输入端接收输入字的(n-1)最低有效位的对应位的值，以及第二输入端，其通过相应的反相器接收经过反相的位。多路复用器13₁，...，13_n-1作为受最高有效位的值控制的电子转换开关。因而，当最高有效位b_n的值是0时，(n-1)最低有效位不会被反相，当最高有效位b_n的值是1时，(n-1)最低有效位在被提供到DAC10之前被反相。

图10中更详细的示出DAC10，并且如图4所示该DAC是无缓冲器型。并且也没有提供内部终端电容器。代之，如图4中，容性负载C_LOAD作为终端电容器。除了第一电容器之外的每一个电容器的电容值C_i等于第一电容器C₁和2^(i-1)的乘积。并且，使DAC10中的开关电容器的电容值的总和等于负载电容C_LOAD。

图9中示出的转换器的最大输出电压由以下给出：

$V_{\mathrm{OUT}\left(\mathrm{MAX}\right)}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i+C_{\mathrm{LOAD}}}(V_2-V_1)+V_1$

$=\frac{1}{2}(V_1+V_2)$

所以转换器的输出在第一参考电压输入端V₁的电压和参考电压输入端V₁和V₂的电压总和的一半之间的范围。因此，当输入字的最高有效位b_n是0时，输出的范围为从V_L到 $\frac{1}{2}(V_H+V_L).$ 当最高位是1时，输出的范围为从V_H到 $\frac{1}{2}(V_H+V_L).$ 因此，图9中所示的转换器的输出电压的范围如图11所示从V_L到V_H，所以参考电压在该范围的端点。因此参考电压的产生相对简单，并且产生这些电压的所需要的电能大幅度减小了。设置该转换器以适应不同输出需要是相对简单的，并且只需要对参考电压作简单的变化就可以匹配所需要的输出范围。

不需要在转换器中设置通常消耗电能最大的输出缓冲器，例如，可以省去图1所示类型的输出缓冲器。

转换器的转移函数根据开关电容器值的选择可以是线性的或非线性的。例如，在上文中所述的二进制加权电容值可以被其他的值所代替，例如C_i＝a^(i-1)C₁，其中a是正实数，以及可以被非线性度量的值、相等值或用于所需应用的任何合适量来代替。能够提供非线性转移功能，例如，通过合适的电容值和/或上文中所述的查阅表的方法。

仅仅需要两个参考电压，并且转换器不需要“控制”负载的电容值。因此，可以减小这种转换器所需要的积分区域。电能的消耗也能大幅度减小，并且转换速度也能提高。

图12示出利用图9和10所示类型的n位DAC20提供非线性转移函数的技术。查阅表21，例如其存储在非易失性存储器中，被提供在接收m位数字字用以转换的m位输入端和转换器20的n位输入端之间。该查阅表21作为非线性转移函数，并结合转换器20的线性转换功能以提供非线性的总的转移函数。

假如m小于n，则转移函数有效地从可能的输出电压的范围中作出选择。假如m等于n，则查阅表可以记录和/或结合一些代码以提供非线性转移函数。假如m大于n，则查阅表允许在具有分辨率损失的高分辨率系统中使用低分辨率转换器。

转换器20的转移函数不需要一定为线性的，并因此可为非线性的。

图13中所示的转换器不同于图9和10中所示的，这是因为选择性变换输入字的(n-1)个最低有效位的装置包括另一个查阅表22，如其存储在非易失性存储器中。该查询表22由n位输入字寻址并表示如果最高有效位是1时反相(n-1)个最低有效位的函数。

作为可选的方式，该(n-1)最低有效位的选择性反相可以结合转换器中的其他逻辑函数。例如，可以结合用于控制转换器10内的开关的运行的时钟信号。

图14所示的转换器不同于图9、10和13中示出的转换器，这是因为选择性反相输入字的(n-1)个最低有效位的装置包括(n-1)个异或门25₁，...，25_n-1。每一个门具有接收最高有效位的第一输入端和接收相应的(n-1)个最低有效位中之一的第二输入端。当最高有效位是1时，门25₁，...，25_n-1反相n(n-1)个最低有效位，而当最高有效位是0时，门相应于下述真值表不反相的传递该(n-1)位最低有效位。

MSMbn	LSBbi	Ex-OR输出
			0	0	0
0	1	1
			1	0	1
1	1	0

Claims (15)

1.一种用于转换n位数字字的n位数/模转换器，其中n是大于1的整数，包括：(n-1)位无缓冲器开关电容器型数/模转换器，其具有直接连接到容性负载的输出端、第一和第二参考电压输入端和(n-1)位数字输入端；(n-1)位选择性反相器，其当n位数字字具有第一值时提供给(n-1)位数字输入端未反相的n位数字字的(n-1)个最低有效位，并且当最高有效位具有不同于第一值的第二值时提供给(n-1)位数字输入端反相的(n-1)个最低有效位；和开关装置，其用于连接第一和第二参考电压输入端，以当最高有效位具有第一值时分别接收第一和第二参考电压，当最高有效位具有第二值时分别接收第二和第一参考电压。

2.如权利要求1所述的转换器，其中(n-1)位转换器包括(n-1)个电容器，这些电容器的第一电极连在一起以连接到容性负载。

3.如权利要求2所述的转换器，其中每一第i电容器的第二电极设置成，当(n-1)个最低有效位的第i位具有第一或第二值时，分别连接到第一或第二参考电压输入端。

4.如权利要求2所述的转换器，其中(n-1)位转换器具有复位模式，在此模式中电容器的第一和第二电极连接到第一参考电压输入端。

5.如权利要求2所述的转换器，其中每一第i电容器具有由C_i＝a^(i-1)C₁，1＜i≤(n-1)给出的值C_i，其中a是正实数。

6.如权利要求5所述的转换器，其中a＝2。

7.如权利要求1所述的转换器，其中第一值是0。

8.如权利要求1所述的转换器，其中第二参考电压大于第一参考电压。

9.如权利要求1所述的转换器，其中选择性反相器包括多路复用装置。

10.如权利要求1所述的转换器，其中选择性反相器包括第一存储器，该第一存储器容纳第一查阅表，该第一查阅表表示由n位数字字寻址的第一函数。

11.如权利要求1所述的转换器，其中选择性反相器包括(n-1)个异或门，每一异或门具有接收最高有效位的第一输入端和接收(n-1)个最低有效位中相应一位的第二输入端。

12.如权利要求1所述的转换器，包括第二存储器，该第二存储器容纳表示被n位数字字寻址的第二非线性函数的第二查阅表。

13.一种包括至少一个权利要求1所定义的转换器的显示驱动器。

14.一种包括权利要求13所定义的驱动器的显示器。

15.一种如权利要求14所述的显示器，包括液晶设备。

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