CN1677861A - 驱动电路 - Google Patents

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河井周平
尾形贵重
铃木达也
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种减小用于得到发光元件的驱动电流的驱动电路的图案面积，并且谋求效率改善的驱动电路。在白色LED(25)的阳极(26)上外加正电源电压Vdd，在其阴极(27)上介由N沟道型MOS晶体管M(42)，外加从－0.5Vdd发生电路上得到的电压－0.5Vdd。－0.5Vdd发生电路(40)是根据来自时钟发生电路(30)的时钟φ，产生电压－0.5Vdd的电路。在白色LED(25)的阳极、阴极之间，外加与图6的驱动电路等价的1.5Vdd的电压。作为在－0.5Vdd发生电路(40)中多使用N沟道型MOS晶体管的结果，可使用于得到与以往同等的LED(25)的驱动电流的电路的图案面积变小。此外，由此可使寄生电容变小，实现驱动电路的效率改善。

Description

驱动电路
技术领域
本发明涉及驱动电路，特别是用于驱动发光元件的驱动电路。
背景技术
以往，常采用白色发光二极管(以下称白色LED)作为液晶显示板的背光光源(back light)用。由于这种白色LED具有3.2V～3.8V的VF(正向阈值电压)，为使白色LED发光，需要将这种VF左右的电压外加到白色LED的阳极、阴极之间。然而，由于作为白色LED的驱动电路的动作电源电压的规格，要求例如2.7V～5.5V的电源电压范围，在电源电压Vdd低于某值的情况下，需将电源电压Vdd升压1.5倍，再供给白色LED。
图6是用于驱动这种白色LED的驱动电路的电路图。在图6中，从1.5Vdd发生电路60将1.5Vdd的升压电压供给白色LED50的阳极，介由驱动晶体管70将接地电压Vss(0V)外加在白色LED50的阴极上。1.5Vdd发生电路60是从电源电压Vdd生成1.5Vdd的电路。这种1.5Vdd发生电路60在专利文献1中被公开。
专利文献1：特开2001-231249号公报
发明内容
然而，在1.5Vdd发生电路60中，由于电路构成上的制约多采用P沟道型MOS晶体管，所以具有驱动电路的图案面积变大的问题。本发明正是用于解决上述问题的发明。
在此，本发明的驱动电路的特征是，通过设计产生与正电源电压Vdd对应的负电压的负电压发生电路，在发光元件的阳极上外加正电源电压，介由驱动晶体管在发光元件的阴极上外加负电压。
此外，上述构成的特点是，负电压为-0.5Vdd。
还有，上述构成的特点是，上述负电压发生电路具备：外加接地电压的第1开关元件；与该第1开关元件串联连接的第2开关元件；在一方端子上供给时钟的第1电容器；一方端子连接在上述第1开关元件和上述第2开关元件之间的连接点上的第2电容器；连接在上述第2电容器的另一方端子和接地电压之间的第3开关元件；连接在上述第1电容器的另一方端子和上述第2电容器的另一方端子之间的第4开关元件；连接在上述第1电容器的另一方端子和上述第2开关元件的输出端子上的第5开关元件，当上述时钟为第1电压电平时，导通上述第1、第4开关元件，介由上述第1开关元件，将上述第1及第2电容器串联连接在上述第1电压电平和接地电压之间，进行充电；当上述时钟为第2电压电平时，导通上述第5开关元件，将上述第1电容器连接在接地电压和上述输出端子之间，进行放电，同时导通上述第2及第3开关元件，介由上述第2开关元件将上述第2电容器连接在接地电压和上述输出端子之间，进行放电，由N沟道型MOS晶体管构成至少上述第1、第2、第3及第5开关元件。
(发明效果)
根据本发明，作为发光元件的电源，由于采用负电压发生电路代替以往的正电压升压电路，因此作为多使用N沟道型MOS晶体管的结果是与正电压升压电路相比，可使MOS晶体管的图案面积变小。该部分可使驱动电路的图案面积变小。此外，由于MOS晶体管的图案面积变小，因此其上附带的寄生电容也会减小，那部分的消耗电流也会减小，从而可谋求提高驱动电路的效率。
附图说明
图1是有关本发明的实施方式的驱动电路的电路图。
图2是有关本发明的实施方式的驱动电路的-0.5Vdd发生电路的电路图。
图3是有关本发明的实施方式的-0.5Vdd发生电路的动作时序图。
图4是有关以往技术的1.5Vdd发生电路的电路图。
图5是有关以往技术的1.5Vdd发生电路的动作时序图。
图6是有关现有例中的驱动电路的电路图。
M1-第1开关用MOS晶体管；M2-第2开关用MOS晶体管；M3-第3开关用MOS晶体管；M4-第4开关用MOS晶体管；图5-第5开关用MOS晶体管；M6-P沟道型MOS晶体管；M7-N沟道型MOS晶体管；CD-时钟驱动器；C1-第1电容器；C2-第2电容器；20-端子；21-端子；25-白色LED；30-时钟发生电路；40--0.5Vdd发生电路。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明的实施方式进行说明。图1是有关本实施方式的驱动电路的电路图。在电压输出(voltage follower)用的运算放大器10的正输入端子(+)上外加电压Vset，其输出接到N沟道型MOS晶体管M30的栅极，负输入端子(-)连接N沟道型MOS晶体管M30的源极。该源极连接端子20，在端子20和接地电压Vss之间连接外加电阻R1。从而，由运算放大器10进行控制以使端子20的电压Vx与电压Vset相等，其结果在外加电阻R1上产生电流I(＝Vset/R)。该电流I流过构成第1电流镜电路的一对P沟道型MOS晶体管M31、M32(电流比1∶m)。
并且，将该电流mI输入到翻折第1电流镜电路后的第2电流镜电路中。第2电流镜电路由一对N沟道型MOS晶体管M41、M42(电流比1∶n)构成。而且，在作为驱动晶体管的N沟道型MOS晶体管M42上，流过电流I的m×n倍的电流mnI，该大电流mnI供给连接在端子21上的白色LED25。
在白色LED25的阳极26上外加正的电源电压Vdd，在其阴极27上介由N沟道型MOS晶体管M42，外加从-0.5Vdd发生电路40上得到的电压-0.5Vdd。-0.5Vdd发生电路40是根据来自时钟发生电路30的时钟φ，产生电压-0.5Vdd的电路。
因此，根据本实施方式，在白色LED25的阳极、阴极之间，外加了与图6的驱动电路等价的1.5Vdd的电压，而且通过作为驱动晶体管的N沟道型MOS晶体管M42，可流过大电流。此外，在-0.5Vdd发生电路40中，作为多使用如下所述的N沟道型MOS晶体管的结果，既可使用于得到与以往相等的LED25的驱动电流mnI的电路的图案面积变小，又可实现效率改善。
接着，参照附图，对-0.5Vdd发生电路40的具体的电路构成及动作进行说明。图2是-0.5Vdd发生电路40的电路图。图2(a)表示作为时钟驱动器CD的输入时钟的时钟φ为Low电平(低电平)的情况，图2(b)表示时钟φ为High电平(高电平)的情况。在第1开关用MOS晶体管M1的源极上外加接地电压Vss(0V)，该第1开关用MOS晶体管M1的漏极连接第2开关用MOS晶体管M2的源极。第1开关用MOS晶体管M1及第2开关用MOS晶体管M2发挥作为电荷转送元件的功能。
在此，第1开关用MOS晶体管M1及第2开关用MOS晶体管M2都是N沟道型。这是因为从同一电路内得到用于使第1开关用MOS晶体管M1及第2开关用MOS晶体管导通、截止的电压。为了使第1开关用MOS晶体管M1及第2开关用MOS晶体管M2导通，可将电源电压Vdd供给它们的栅极，在使它们截止情况下可将该电路的输出电压Vout(＝-0.5Vdd)供给它们的栅极。
此外，在第1电容器C1的一方端子上连接时钟驱动器CD的输出。时钟驱动器CD是在电源电压Vdd和接地电压Vss之间，串联连接P沟道型MOS晶体管M6和N沟道型MOS晶体管M7，作为CMOS反相器构成。而且，在时钟驱动器CD上，输入时钟φ，该时钟φ由时钟驱动器CD反相。将该反相时钟*φ作为时钟驱动器CD的输出，外加到第1电容器C1的一方端子上。
还有，为减小时钟驱动器CD的贯通电流，也可按照在P沟道型MOS晶体管M6的栅极上外加时钟φ，在N沟道型MOS晶体管M7的栅极上外加延迟时钟φ后的时钟φ′的方式构成。此外，第2电容器C2，其一方的端子连接第1及第2开关用MOS晶体管M1、M2的连接点。第3开关用MOS晶体管M3，连接在第2电容器C2的另一方端子和接地电压Vss(0V)之间。
此外，第4开关用MOS晶体管M4，连接在第1电容器C1的另一方端子和第2电容器C2的另一方端子之间。第5开关用MOS晶体管M5，连接在第1电容器C1的另一方端子和第2开关用MOS晶体管M2的漏极的输出端子上。并且，该电路是从第2开关用MOS晶体管M2的漏极得到输出电压Vout(＝-0.5Vdd)的电路。
在此，第3、第5开关用MOS晶体管M3，M5是N沟道型的。这是因为与第1开关用MOS晶体管M1及第2开关用MOS晶体管M2相同，从同一电路内得到用于使这些晶体管导通、截止的电压。即为了使第3开关用MOS晶体管M3及第5开关用MOS晶体管M5导通，可将电源电压Vdd供给它们的栅极，在使它们截止情况下，可将该电路的输出电压Vout(＝-0.5Vdd)供给它们的栅极。
关于第4开关用MOS晶体管M4，即可为P沟道型，也可为N沟道型。为使图案面积变小，优选N沟道型。当第4开关用MOS晶体管M4是N沟道型时，为了使它导通，可将电源电压Vdd供给其栅极，在截止情况下，可将该电路的输出电压Vout(＝-0.5Vdd)供给其栅极。当第4开关用MOS晶体管M4是P沟道型时，为了使它导通，可将接地电压Vss或者输出电压Vout供给其栅极，在使它截止的情况下，可将电源电压Vdd供给其栅极。
此外，第1及第2电容器C1、C2是互相具有相等的容量值的电容器。此外，第1、第2、第3、第4、第5开关用MOS晶体管M1、M2、M3、M4、M5，根据时钟φ的电压电平，通过图中未示出的控制电路控制栅极电压，象如下所述那样控制它们导通(ON)、截止(OFF)。
接着，参照图2(a)(b)、图3对该-0.5Vdd发生电路40的动作进行说明。图3是该-0.5Vdd发生电路40在定常状态的动作时序图。
首先，对时钟φ为Low电平时的充电泵电路的动作进行说明(参照图2(a)、图3)。此时，由于时钟驱动器CD的P沟道型MOS晶体管M6导通，N沟道型MOS晶体管M7截止，因此反相时钟*φ为High电平(Vdd电平)。此外，导通第1、第4开关用MOS晶体管M1、M4，截止第2、第3、第5开关用MOS晶体管M2、M3、M5。
于是，如图2(a)的粗线所示，在通过时钟驱动器CD的P沟道型MOS晶体管M6、第1电容器C1、第4开关用MOS晶体管M4、第2电容器C2、第1开关用MOS晶体管M1、接地电压Vss的路径上，第1电容器C1及第2电容器C2被串联连接，进行充电。
由此，第1电容器C1的一方端子被充电为Vdd，另一方端子的电压V1被充电为+0.5Vdd，第2电容器C2的另一方端子的电压V3也被充电为+0.5Vdd。
接着，对时钟φ为High电平时的电路动作进行说明(参照图2(b)、图3)。此时，由于时钟驱动器CD的N沟道型MOS晶体管M7导通，P沟道型MOS晶体管M6截止，因此反相时钟*φ为Low电平(Vss电平)。此外，截止第1、第4开关用MOS晶体管M1、M4，导通第2、第3、第5开关用MOS晶体管M2、M3、M5。
于是，如图2(b)中的粗虚线所示，从两个路径向输出端子供给电压-0.5Vdd。一个路径是从接地电压Vss，通过第3开关用MOS晶体管M3、第2电容器C2、第2开关用MOS晶体管M2，第2电容器C2的电荷被放电，将-0.5Vdd供给输出端子。这是因为第2电容器C2的另一方端子的电压V3，当时钟φ为Low电平时，被充电为+0.5Vdd，因此第3开关用MOS晶体管M3导通，随着电压V3从+0.5Vdd变化为Vss，通过第2电容器C2的电容耦合，第2电容器C2的一方端子的电压V2从Vss(0V)降压到-0.5Vdd。
另一个路径是从接地电压Vss，通过时钟驱动器CD的N沟道型MOS晶体管M7、第1电容器C1、第5开关用MOS晶体管M5，第1电容器C1的电荷被放电，将电压-0.5Vdd供给输出端子。这是因为虽然当时钟φ为Low电平时，第1电容器C1的另一方端子的电压V1被充电为+0.5Vdd，但是当时钟φ变化为High电平时，由于N沟道型MOS晶体管M7导通，随着第1电容器C1的一方端子的电压从Vdd变为Vss，通过第1电容器C1的电容耦合，第1电容器C1的另一方端子的电压V1从+0.5Vdd降压到-0.5Vdd。
通过交替反复该时钟φ为Low电平时的动作和High电平时的动作，作为输出电压Vout，得到将电源电压Vdd取-0.5倍后的-0.5Vdd。
由此，根据本实施方式，由于采用了-0.5Vdd发生电路40，作为多使用N沟道型MOS晶体管的结果，既可使用于得到与以往相同的LED25的驱动电流mnI的电路的图案面积变小，又可实现效率改善。
接着，为更明确本发明的效果，进行-0.5Vdd发生电路40与1.5Vdd发生电路60之间对比。为此，参照图4对1.5Vdd发生电路60的具体构成进行说明。图4(a)表示作为时钟驱动器CD的输入时钟的时钟φ为High电平时的情况，图4(b)表示时钟φ为Low电平时的情况。
在第1开关用MOS晶体管M11的源极上外加电源电压Vdd，该第1开关用MOS晶体管M11的漏极与第2开关用MOS晶体管12的源极连接。第1开关用MOS晶体管M11及第2开关用MOS晶体管M12发挥作为电荷转送元件的功能。
在此，第1开关用MOS晶体管M11及第2开关用MOS晶体管M12都是P沟道型的。其理由在于，从同一电路内得到用于使第1开关用MOS晶体管M11及第2开关用MOS晶体管M12导通、截止的电压。为了使第1开关用MOS晶体管M11及第2开关用MOS晶体管M12导通，可将接地电压Vss供给它们的栅极，在使它们截止的情况下，可将该电路的输出电压Vout(＝1.5Vdd)供给它们的栅极。
此外，在第1电容器C1的一方端子上，连接时钟驱动器CD的输出。时钟驱动器CD是在电源电压Vdd和接地电压Vss之间，将P沟道型MOS晶体管M16和N沟道型晶体管M17串联连接，作为CMOS反相器构成。而且，在时钟驱动器CD上外加时钟φ，该时钟φ由时钟驱动器CD反相。该反相时钟*φ，作为时钟驱动器CD的输出，外加到第1电容器C1的一方端子上。
此外，第2电容器C2，其一方端子连接第1及第2开关用MOS晶体管M11、M12的连接点。第3开关用MOS晶体管M13，连接在第2电容器C2的另一方端子和电源电压Vdd之间。
此外，第4开关用MOS晶体管M14，连接在第1电容器C1的另一方端子和第2电容器C2的另一方端子之间。第5开关用MOS晶体管M15，连接在第1电容器C1的另一方端子和作为输出端子的第2开关用MOS晶体管M12的漏极上。并且，该电路是从第2开关用MOS晶体管M12的漏极上得到输出电压Vout(＝1.5Vdd)的电路。
在此，第3及第5开关用MOS晶体管M13、M15是P沟道型，第4开关用MOS晶体管M14是N沟道型的。将第3及第5开关用MOS晶体管M13、M15作为P沟道型的理由在于，与上述相同，从同一电路内得到用于使第3开关用MOS晶体管M13及第5开关用MOS晶体管M15导通、截止的电压。
此外，第1及第2电容器C1、C2是相互具有相等容量值的电容器。此外，第1、第2、第3、第4、第5开关用MOS晶体管M11、M12、M13、M14、M15，根据时钟φ的电压电平，由图中未示出的控制电路控制栅极电压，象如下所述那样控制它们的导通(ON)、截止(OFF)。
接着，参照图4(a)(b)、图5，对该电路的动作进行说明。图5是该充电泵电路在定常状态时的动作时序图。
首先，对时钟φ为High电平时的充电泵电路的动作进行说明(参照图4(a)、图5)。此时，时钟驱动器CD的N沟道型MOS晶体管M17导通，反相时钟*φ变为Low电平(0V)。此外，导通第1、第4开关用MOS晶体管M11、M14，截止第2、第3、第5开关用MOS晶体管M12、M13、M15。于是，如图4(a)中的粗虚线所示，在从电源电压Vdd，通过第1开关用MOS晶体管M11、第2电容器C2、第4开关用MOS晶体管M1 4、第1电容器C1、时钟驱动器CD的N沟道型MOS晶体管M17的路径上，第1电容器C1及第2电容器C2被串联连接，进行充电。由此，第2电容器C2的一方端子的电压V11被充电为Vdd，另一方端子的电压V12被充电为0.5Vdd，第1电容器C1的另一方端子的电压V13也被充电为0.5Vdd。
接着，对时钟φ为Low电平时的充电泵电路的动作进行说明(参照图4(b)、图5)。此时，时钟驱动器CD的P沟道型MOS晶体管M16导通，反相时钟*φ变为High电平。此外，截止第1、第4开关用MOS晶体管M11、M14，导通第2、第3、第5开关用MOS晶体管M12、M13、M15。
于是，如图4(b)的粗线所示，从两个路径向输出端子供给1.5Vdd。一个路径是从电源电压Vdd，通过第3开关用MOS晶体管M13、第2电容器C2、第2开关用MOS晶体管M12，第2电容器C2的电荷被放电，向输出端子供给1.5Vdd。这是因为第2电容器C2的另一方端子的电压V12，当时钟φ为High电平时，被充电为0.5Vdd，因此第3开关用MOS晶体管M13导通，随着电压V12从0.5Vdd变化为Vdd，通过第2电容器C2的电容耦合，第2电容器的一方端子的电压V11从Vdd升压为1.5Vdd。
另一个路径是从电源电压Vdd，通过时钟驱动器CD的P沟道型MOS晶体管M16、第1电容器C1、第5开关用MOS晶体管M15，第1电容器C1的电荷被放电，向输出端子供给1.5Vdd。
这是因为当时钟φ为High电平时，第1电容器C1的另一方端子的电压V13被充电为0.5Vdd，当时钟φ变化为Low电平时，由于P型MOS晶体管M16导通，随着第1电容器C1的一方端子的电压从0V变化为Vdd，通过第1电容器C1的电容耦合，第1电容器C1的另一方端子的电压V13从0.5Vdd升压为1.5Vdd。
通过交替反复该时钟φ为Low电平时的动作和High电平时的动作的，作为输出电压Vout，得到了将电源电压Vdd取1.5倍后的1.5Vdd。
如上所述，已明确在-0.5Vdd发生电路40中，第1、第2、第3及第5的开关用MOS晶体管M1、M2、M3、M5需要为N沟道型，而在1.5Vdd发生电路60中，第1、第2、第3及第5开关用MOS晶体管M11、M12、M13、M15需要为P沟道型。因此，在-0.5Vdd发生电路40中的第4开关用MOS晶体管M4为P沟道型，在1.5Vdd发生电路60中的第4开关用MOS晶体管M14为N沟道型，时钟驱动器CD由P沟道型和N沟道型各一个构成。如果将两个电路中所使用的晶体管的种类的数目加以计算，如表1所示，在1.5Vdd发生电路60中，P沟道型为5个，N沟道型为2个，相反在-0.5Vdd发生电路40中，N沟道型为5个，P沟道型为2个，多使用N沟道型。因此，当P沟道型和N沟道型的图案面积比为3∶1时，1.5Vdd发生电路60和-0.5Vdd发生电路40之间的面积比(仅晶体管部分)变为17∶11。即-0.5Vdd发生电路40，与1.5Vdd发生电路60相比，能形成小35％左右的图案面积。那部分也可使驱动电路整体的面积变小。
此外，由于可使MOS晶体管的栅极电容等的寄生电容变小，因此减小了驱动电路的消耗电流，实现了其效率改善。
还有，本发明不限于白色LED，也可广泛适用于红色LED、绿色LED、蓝色LED，具有阳极和阴极的其他发光元件的驱动电路中。此外，在本实施方式中，虽然产生-0.5Vdd的负电压，在与电源电压Vdd之间得到1.5Vdd的电位差，但是负电压的大小不限于-0.5Vdd，也可取-0.4Vdd或-0.6Vdd，或是其它值。
[表1]
              图案面积的比较
    晶体管     1.5Vdd升压     -0.5Vdd升压
    P沟道     5     2
    N沟道     2     5
    图案面积比     17     11

Claims (7)

1、一种驱动电路，将电流供给发光元件，其特征在于，
具备：驱动晶体管，其将电流供给所述发光元件；和负电压发生电路，其产生与正电源电压Vdd对应的负电压，
在所述发光元件的阳极上外加所述正电源电压，在所述发光元件的阴极上，介由所述驱动晶体管外加所述负电压。
2、根据权利要求1中所述的驱动电路，其特征在于，
所述的负电压为-0.5Vdd。
3、根据权利要求2中所述的驱动电路，其特征在于，
所述的负电压发生电路，具备：
第1开关元件，其在输入端子上外加接地电压；
第2开关元件，其与所述的第1开关元件串联连接；
第1电容器，其在一方端子上供给时钟；
第2电容器，其一方端子连接在所述第1开关元件和所述第2开关元件之间的连接点上；
第3开关元件，其连接在所述第2电容器的另一方端子和接地电压之间；
第4开关元件，其连接在所述的第1电容器的另一方端子和所述第2电容器的另一方端子之间；和
第5开关元件，其连接在所述的第1电容器的另一方端子和所述第2开关元件的输出端子上，
当所述时钟为第1电压电平时，导通所述第1、第4开关元件，介由所述第1开关元件，将所述第1及第2电容器串联在所述第1电压电平和接地电压之间，进行充电；当所述时钟为第2电压电平时，导通所述第5开关元件，将所述第1电容器连接在接地电压和所述输出端子之间，进行放电，并且导通所述第2及第3开关元件，介由所述第2开关元件将所述第2电容器连接在接地电压和所述输出端子之间，进行放电，
由N沟道型MOS晶体管至少构成所述第1、第2、第3及第5开关元件。
4、根据权利要求3中所述的驱动电路，其特征在于，由N沟道型MOS晶体管构成所述第4开关元件。
5、根据权利要求3中所述的驱动电路，其特征在于，由P沟道型MOS晶体管构成所述第4开关元件。
6、根据权利要求1～5中任一项所述的驱动电路，其特征在于，由电流镜型的N沟道型MOS晶体管构成所述驱动晶体管。
7、根据权利要求1～6中任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述发光元件为白色发光二极管。
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