JP2005037897A - 増幅回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】サンプリングトランジスタによってサンプリングされた信号を低消費電力で増幅する。
【解決手段】 本発明の増幅回路はサンプリングトランジスタSTによってサンプリングされた表示電圧信号Vsigを増幅する増幅回路であり、表示電圧信号Vsigが出力されるドレイン信号ラインDLにMOS容量として機能する薄膜トランジスタT1を接続し、この薄膜トランジスタT1のゲートに昇圧パルスVP1を印加する。そして、上昇パルスの時間遷移の途中で薄膜トランジスタT1がオンからオフに変化するようにし、薄膜トランジスタT1のオンオフ時のゲート容量値の差を利用して信号を増幅するものである。
【選択図】 図1

Description

本発明は増幅回路に関し、特にサンプリングトランジスタによってサンプリングされた信号を増幅する増幅回路に関する。
従来、駆動回路を一体化したアクティブマトリクス型の液晶表示装置、有機EL表示装置が知られている。この種の表示装置では、m行n列の画素をマトリクスに配置した画素領域と、その周辺に配置された駆動回路から構成される。ここで、表示電圧信号は表示装置の外部から入力される。
係る表示装置では、LCDのコントラストの向上や有機EL素子の輝度向上を図るために、表示装置の必要表示電圧範囲が大きく設定される。そして、これに対応するために表示装置の外部回路(周辺LSI等)において表示信号出力電圧が大きく設定されていた。
以上のように大きな表示信号電圧が必要であるために、消費電力低減に不利である問題に対して、例えば以下の特許文献1には、コモン反転駆動や補助容量駆動といった駆動方式を用いることで、表示信号電圧を小さくして、外部駆動回路の電源電圧を低くし、低消費電力化を図るという技術が記載されている。
特開2000−81606号公報
表示装置に表示電圧信号を入力する際、表示装置側の入力負荷、例えば表示信号ラインを十分に駆動する必要がある。しかしながら、上記のように表示装置の必要表示電圧範囲が大きく設定されている場合、表示装置の外部回路において大きな電圧範囲及び駆動能力が必要となり、消費電力が大きくなってしまうという問題があった。
そこで、本発明は表示装置に内蔵することができる低消費電力の増幅回路を提供するものである。本発明の増幅回路は、サンプリングトランジスタによってサンプリングされた信号を増幅するものであり、その信号が出力される信号ラインにMOS容量として機能するMOSトランジスタを接続し、このMOSトランジスタのゲート、又はソース及びドレインにパルスを印加する。そして、パルスの時間遷移の途中でMOSトランジスタがオンからオフに変化するようにし、MOSトランジスタのオンオフ時のMOS容量の差を利用して信号を増幅するものである。
本発明の増幅回路によれば、サンプリングトランジスタによってサンプリングされた信号を低消費電力で増幅することができる。特に、表示装置に内蔵し、表示信号ラインに出力される表示電圧信号を増幅する増幅回路として好適である。
次に、本発明の第1の実施形態に係る増幅回路について図面を参照しながら説明する。図1はこの増幅回路の回路図である。この増幅回路は液晶表示装置や有機EL表示装置に適用されるものであり、サンプリングトランジスタSTのドレインである入力端子INに表示電圧信号Vsigが入力される。サンプリングトランジスタSTはPチャネル型の薄膜トランジスタ(thin film transistor)で構成されている。
サンプリングトランジスタSTのゲートにはサンプリング信号SPが印加され、そのソースはドレイン信号ラインDLに接続されている。ドレイン信号ラインDLの出力端子OUTは不図示の複数の画素に接続されている。Cはドレイン信号ラインDLが有する寄生容量である。
T1はMOS容量として機能するPチャネル型の薄膜トランジスタであり、ポリシリコン層から成る能動層内に形成されたチャネル領域と、チャネル領域に両端にそれぞれ形成されたソースS及びドレインDと、ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有している。薄膜トランジスタT1のソースS及びドレインDはドレイン信号ラインDLに接続され、そのゲートにはパルス発生回路PG1から発生される昇圧パルスVP1が印加される。なお、薄膜トランジスタT1のソースS及びドレインDを一体化した構造(ゲート下のチャネル領域と、引き出し電極としてソース(ドレイン)を有した構造)を使用してもよい。
図2はこの増幅回路の動作波形図である。サンプリング信号SPがロウレベルの期間、サンプリングトランジスタSTはオンし、表示電圧信号VsigはサンプリングトランジスタSTを通してドレイン信号ラインDLに入力される。サンプリング信号SPがハイレベルに戻ると、サンプリングトランジスタSTはオフする。これにより、ドレイン信号ラインDLはフローティング状態になり、サンプリングされた表示電圧信号Vsigはドレイン信号ラインDLの寄生容量Cによって保持される。
その後、パルス発生回路PG1から昇圧パルスVP1が発生し、薄膜トランジスタT1のゲートに上昇パルスが印加される。すると、薄膜トランジスタT1の有するゲート容量による容量結合によりドレイン信号ラインDLは昇圧される。この上昇パルスの時間遷移の過程で、入力された表示電圧信号Vsigのレベルによって、そのゲート容量値に差が生じることを利用して表示電圧信号Vsigの増幅を行うことができる。
すなわち、昇圧パルスVP1が上昇する前の表示信号電圧Vsig1とVsi2の電圧差をトV1とすると、昇圧パルスVP1が上昇後ではその電圧差はトV2(トV2>トV1)になる。この増幅された表示電圧信号Vsig、即ちドレイン信号ラインDLの電圧は出力端子OUTから出力され、ある画素に入力される。そして、昇圧パルスVP1が下降した後には電圧差はトV1に戻る。
図3はこの増幅回路の詳細な動作波形図である。この図を参照して、この増幅回路の増幅動作について詳しく説明する。図3において、表示電圧信号VsigのレベルをV1,V2,V3(V1>V2>V3)とする。また薄膜トランジスタT1のしきい値電圧(threshold voltage)の絶対値をVt1とする。薄膜トランジスタT1は、そのソース及びドレインの電位がしきい値電位Vth1=VP1+Vt1以上のときオンしている。上昇パルスの発生前では、薄膜トランジスタT1のソース・ドレイン電位は、しきい値電位Vth1のレベルより高いので薄膜トランジスタT1はオンしている。
そして、上昇パルスが上昇を始めると、しきい値電位Vth1はこれと同じように上昇する。一方、表示電圧信号Vsigはゲート容量の結合効果により上昇するがその勾配は、寄生容量C等の影響で、しきい値電位Vth1の勾配よりも小さいので、表示電圧信号Vsig対時間曲線はしきい値電位Vth1対時間曲線と交差することになる。
表示電圧信号Vsig対時間曲線がしきい値電位Vth1対時間曲線と交差した時点では薄膜トランジスタT1のゲート電位は表示電圧信号Vsigの各レベルV1,V2,V3よりしきい値電圧Vt1だけ低くなる。この時点で薄膜トランジスタT1はオンからオフに切り換わる。
そして、交差後は薄膜トランジスタT1はオフになるため、ゲート容量は小さくなる。これは、薄膜トランジスタT1がオンしている時は、チャネル領域に反転層が生じているので、ゲート容量はゲート絶縁膜で決まる容量値であるが、薄膜トランジスタT1がオフしている時はチャネル領域の反転層が消滅し、チャネル領域に空乏層が生じ、ゲート容量はゲート絶縁膜容量と空乏層容量の直列容量になるためである。ゲート容量が小さくなると、その分容量結合効果が弱くなるため、表示電圧信号Vsig対時間曲線の勾配が小さくなる。
ところで、図3に示すように、上昇パルスの遷移中に薄膜トランジスタT1がオンしている期間(又はオフしている期間)は表示電圧信号Vsigの入力時のレベルによって異なる。すなわち、時刻t1で一番レベルの低いV3がしきい値電位Vth1対時間曲線と交差し、次に、時刻t2でV2がこれと交差し、次に時刻t3で一番レベルの高いV1がこれと交差するので、薄膜トランジスタT1がオンしている期間は、V1,V2,V3の順番で短くなる。逆に、薄膜トランジスタT1がオフしている期間は、V1,V2,V3の順番で長くなる。
これにより、上昇パルス入力後の表示電圧信号Vsigの各レベルV1,V2,V3の差は、上昇パルス入力前のそれらの差に比べて大きくなる。すなわち、この増幅回路によれば、表示電圧信号Vsigの信号レンジを広げることができる。
なお、本実施形態ではPチャネル型の薄膜トランジスタT1を用いたが、その代わりにNチャネル型の薄膜トランジスタを用いてもよい。この場合には、昇圧パルスVP1と逆極性のパルスを印加する。すなわち、下降パルスの遷移の過程で、Nチャネル型の薄膜トランジスタがオンからオフに切り換わるように構成すればよい。
次に、本発明の第2の実施形態に係る増幅回路について図面を参照しながら説明する。図4はこの増幅回路の回路図である。第1の実施形態と異なる点は、薄膜トランジスタT2のゲートがドレイン信号ラインDLに接続され、ソースS及びドレインDにはパルス発生回路PG2から発生される昇圧パルスVP2が印加される。昇圧パルスVP2は、第1の実施形態の昇圧パルスVP1と逆極性である。
図5はこの増幅回路の詳細な動作波形図である。この図を参照して、この増幅回路の増幅動作について詳しく説明する。図5において、表示電圧信号VsigのレベルをV1,V2,V3(V1>V2>V3)とする。また薄膜トランジスタT2のしきい値電圧(th reshold voltage)の絶対値をVt2とする。表示電圧信号VsigのレベルがV1の場合、薄膜トランジスタT2は、そのソース及びドレインの電位がしきい値電位Vth2=V sig +Vt2以上のときオンしている。
本実施形態では薄膜トランジスタT2のゲート電位は表示電圧信号VsigのレベルV1,V2,V3に等しい。下降パルスの発生前では、薄膜トランジスタT2のソース・ドレイン電位は、いずれのレベルV1,V2,V3についても、しきい値電位Vth2より高いので、薄膜トランジスタT2はオンしている。
本実施形態では、しきい値電位Vth2のレベルは表示電圧信号VsigのレベルV1,V2,V3によって異なり、図5では一番高いレベルV1に対応したしきい値電位Vth2を示している。
下降パルスが下降を始めると、しきい値電位Vth2、表示電圧信号VsigのレベルV1,V2,V3もそれに伴って下降する。そして、表示電圧信号VsigのレベルがV 1の場合、レベルV1に対するしきい値電位Vth2対時間曲線と下降パルスとが交差する時刻t1で、薄膜トランジスタT2はオンからオフに切り換わる。
同様にして、表示電圧信号VsigのレベルがV2の場合、レベルV2に対するしきい値電位Vth2対時間曲線と下降パルスとが交差する時刻t2で、薄膜トランジスタT2はオンからオフに切り換わり、これに続いて表示電圧信号VsigのレベルがV3の場合、レベルV3に対するしきい値電位Vth2対時間曲線と下降パルスとが交差する時刻t3で、薄膜トランジスタT2はオンからオフに切り換わる。
したがって、薄膜トランジスタT2がオンしている期間は、第1の実施形態とは反対に、V1,V2,V3の順番で長くなる。一方、薄膜トランジスタT2がオフしている期間は、V1,V2,V3の順番で短くなる。これにより、下降パルス入力後の表示電圧信号Vsigの各レベルV1,V2,V3の差は、下降パルス入力前のそれらの差に比べて大きくなる。すなわち、この増幅回路によれば、表示電圧信号Vsigの信号レンジを広げることができる。
なお、本実施形態ではPチャネル型の薄膜トランジスタT2を用いたが、その代わりにNチャネル型の薄膜トランジスタを用いてもよい。この場合には、昇圧パルスVP2と逆極性のパルスを印加する。すなわち、上昇パルスの遷移の過程で、Nチャネル型の薄膜トランジスタがオンからオフに切り換わるように構成すればよい。
上記第1の実施形態において、薄膜トランジスタT1のしきい値電圧Vt1が異なる場合、増幅後のレベルが異なってしまうという問題がある。第2の実施形態でも同様である。そこで、図6を参照してその原因について説明する。第1の実施形態では、表示電圧信号sig対時間曲線としきい値電位対時間曲線との交点で薄膜トランジスタT1がオンからオフに切り換わる。
いま、しきい値電圧の絶対値が製造ばらつきによって回路間で、Vt1a、Vt1b(Vt1a>Vt1b)というように異なるとする。すると、しきい値電圧がVt1aの場合には、薄膜トランジスタT1はそのソース・ドレイン電位がしきい値電位Vth1a=VP1+Vt1a以上のときオンしている。従って表示電圧信号Vsig対時間曲線がしきい値電位Vth1a対時間曲線と交差する時刻t1で薄膜トランジスタT1がオンからオフに切り換わる。
しきい値電圧がVt1bの場合には、薄膜トランジスタT1はそのソース・ドレイン電位がしきい値電位Vth1b=VP1+Vt1b以上のときオンしている。従って表示電圧信号Vsig対時間曲線がしきい値電位Vth1b対時間曲線と交差する時刻t2(t2>t1)で薄膜トランジスタT1がオンからオフに切り換わる。このため、上昇パルス入力後のレベルはそれぞれVa、Vbと異なってしまう。
そこで、次の第3の実施形態では、この問題を解決した増幅回路を提供するものである。図7はこの増幅回路の回路図である。本実施形態の回路は、第1の実施形態の薄膜トランジスタT1と第2の実施形態の薄膜トランジスタT2を組み合わせたものである。パルス発生回路PG3は、昇圧パルスVP1,VP2を発生する。
図8はこの増幅回路の動作波形図である。この図を参照して、この増幅回路の増幅動作について詳しく説明する。ここで、薄膜トランジスタT1と薄膜トランジスタT2はオンオフ時にそれぞれ等しいゲート容量を有するものとする。また薄膜トランジスタT1と薄膜トランジスタT2は近接して配置され、互いに等しいしきい値電圧Vtを有するものとする。また、昇圧パルスVP1,VP2は互いに逆極性でかつ対称であるとする。
しきい値電圧Vt(絶対値)が大きい場合、時刻t1で薄膜トランジスタT1のしきい値電位対時間曲線と表示電圧信号Vsig対時間曲線が交差し、薄膜トランジスタT1がオンからオフに切り換わり、その後時刻t3で下降パルス時間曲線と薄膜トランジスタT2のしきい値電位時間曲線とが交差し、薄膜トランジスタT2がオンからオフに切り換わる。
したがって、時刻t1より前の期間は薄膜トランジスタT1、T2の両方がオンしており、時刻t1と時刻t3の間の期間は薄膜トランジスタT2がオン、薄膜トランジスタT1がオフする。
また、時刻t3より後の期間は、薄膜トランジスタT1、T2の両方がオフする。ここで、薄膜トランジスタT1、T2の両方がオン又はオフの場合には、薄膜トランジスタT1、T2のゲート容量は等しくなり、上昇パルスと下降パルスも逆極性で対称に変化することから、これらのパルスの表示電圧信号Vsigへの影響は互いに打ち消し合う結果、パルスの表示電圧信号Vsigの変化はない。
そして、時刻t1と時刻t3の間の期間は薄膜トランジスタT2のゲート容量が薄膜トランジスタT1のゲート容量より大きくなるので、下降パルスが強く現れ、表示電圧信号Vsigは下降する。
一方、しきい値電圧Vt(絶対値)が小さい場合、時刻t2で薄膜トランジスタT1のしきい値電位対時間曲線と表示電圧信号Vsig対時間曲線が交差し、薄膜トランジスタT1がオンからオフに切り換わり、その後時刻t4で下降パルス時間曲線と薄膜トランジスタT2のしきい値電位時間曲線とが交差し、薄膜トランジスタT2がオンからオフに切り換わる。
したがって、上記と同様の考察から、表示電圧信号Vsigは時刻t2と時刻t4の間の期間、下降する。表示電圧信号Vsigが下降する期間はしきい値電圧Vthの大小に応じて単純にシフトするだけであり、しきい値電圧Vthが異なってもパルス入力後の表示電圧信号Vsigのばらつきを小さくできる。
そして、薄膜トランジスタT1、T2の双方がオン状態またはオフ状態である場合に互いに影響を打ち消し合う期間が等しく、一方、薄膜トランジスタT2がオン、T1がオフとなる期間、すなわち、表示電圧信号Vsigが下降する期間も等しくなるため、パルス入力後の表示電圧信号Vsigをしきい値電圧Vthに係わらず一定にすることができる。
ここでは、表示電圧信号Vsigが昇圧パルスの中心値の下側にある状態を示したが、上側にある場合には図示しないが、薄膜トランジスタT2がオフ、T1がオンとなる期間が発生し、この場合には表示電圧信号Vsigが上昇する方向となる。ここでは説明の都合上、昇圧パルスVP1およびVP2は対称であるとしたが、パルスの影響は電圧変動によるものであり、パルスのずれや波形の歪みがあった場合でも同様の効果を奏するものである。
次に、本発明の第5、第6の実施形態について説明する。上記の各実施形態では、ドレイン信号ラインへ入力される表示電圧信号を増幅する増幅回路について説明したが、本発明は表示装置の画素に入力された表示電圧信号を増幅する増幅回路にも適用することができる。
図9は本発明の第5の実施形態に係る増幅回路の回路図である。この増幅回路は、液晶表示装置の画素に適用された増幅回路である。画素選択トランジスタGTのドレインに、ドレイン信号ラインからの表示電圧信号Vsigが印加される。Nチャネル型の薄膜トランジスタから成る画素選択トランジスタGTのゲートにはゲート走査信号が印加されている。画素選択トランジスタGTは一種のサンプリングトランジスタであり、画素内に入力された表示電圧信号Vsigは保持容量Cによって保持され、液晶10の画素電極11に印加される。
そして、薄膜トランジスタT1、パルス発生回路PG1が設けられ、パルス発生回路PG1によって発生された昇圧パルスVP1が薄膜トランジスタT1のゲートに印加される。その動作は第1の実施形態の増幅回路と同様である。また、第2の実施形態のように薄膜トランジスタT2を設けてもよし、第3の実施形態のように、薄膜トランジスタT1及び第2の薄膜トランジスタT2を併設してもよい。
図10は本発明の第6の実施形態に係る増幅回路の回路図である。この増幅回路は、有機EL表示装置の画素に適用された増幅回路である。画素選択トランジスタGTのソースは、有機EL画素駆動用トランジスタ30のゲートに印加されている。有機EL画素駆動用トランジスタ30はPチャネル型の薄膜トランジスタで構成され、そのソースは正電源電圧PVddに接続され、そのドレインは有機EL素子31のアノードに接続されている。有機EL素子31のカソードは負電源電圧CVに接続されている、その他の構成は、第5の実施形態と同様である。
本発明の第1の実施形態に係る増幅回路の回路図である。 本発明の第1の実施形態に係る増幅回路の動作波形図である。 本発明の第1の実施形態に係る増幅回路の動作波形図である。 本発明の第2の実施形態に係る増幅回路の回路図である。 本発明の第2の実施形態に係る増幅回路の動作波形図である。 本発明の第1の実施形態に係る増幅回路のしきい値変電圧動による影響を説明する動作波形図である。 本発明の第3の実施形態に係る増幅回路の回路図である。 本発明の第3の実施形態に係る増幅回路の動作波形図である。 本発明の第4の実施形態に係る増幅回路の回路図である。 本発明の第5の実施形態に係る増幅回路の回路図である。
符号の説明
T1,T2,T3 MOSトランジスタ
ST サンプリングトランジスタ
PG1,PG2,PG3 パルス発生回路

Claims (15)

  1. サンプリングトランジスタと、
    前記サンプリングトランジスタによってサンプリングされた信号が入力される信号ラインと、
    前記信号ラインにソース及びドレインが接続されたMOSトランジスタと、
    前記MOSトランジスタのゲートに印加されるパルスを発生するパルス発生回路と、を具備し、
    前記パルスの時間遷移の途中で前記MOSトランジスタがオンからオフに変化することにより前記信号を増幅することを特徴とする増幅回路。
  2. 前記パルスの時間遷移の途中で信号時間曲線と前記MOSトランジスタがオンからオフに切り替わるしきい値電位時間曲線とが交差するようにしたことを特徴とする請求項1記載の増幅回路。
  3. 前記MOSトランジスタが薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の増幅回路。
  4. 前記信号ラインが表示装置の表示信号ラインであることを特徴とする請求項1に記載の増幅回路。
  5. 前記信号ラインが表示装置の画素内の表示信号ラインであることを特徴とする請求項1に記載の増幅回路。
  6. サンプリングトランジスタと、
    前記サンプリングトランジスタによってサンプリングされた信号が入力される信号ラインと、
    前記信号ラインにゲートが接続されたMOSトランジスタと、
    前記MOSトランジスタのソース及びドレインに印加されるパルスを発生するパルス発生回路と、を具備し、
    前記パルスの時間遷移の途中で前記MOSトランジスタがオンからオフに変化することにより前記信号を増幅することを特徴とする増幅回路。
  7. 前記パルスの時間遷移の途中でパルス時間曲線と前記MOSトランジスタがオンからオフに切り替わるしきい値電位時間曲線とが交差するようにしたことを特徴とする請求項6記載の増幅回路。
  8. 前記MOSトランジスタが薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項6に記載の増幅回路。
  9. 前記信号ラインが表示装置の表示信号ラインであることを特徴とする請求項6に記載の増幅回路。
  10. 前記信号ラインが表示装置の画素内の表示信号ラインであることを特徴とする請求項6に記載の増幅回路。
  11. サンプリングトランジスタと、
    前記サンプリングトランジスタによってサンプリングされた信号が入力される信号ラインと、
    前記信号ラインにソース及びドレインが接続された第1のMOSトランジスタと、
    前記信号ラインにゲートが接続された第2のMOSトランジスタと、
    前記第1のMOSトランジスタのゲートと、前記第2のMOSトランジスタのソース及びドレインにそれぞれ印加される互いに逆極性の第1及び第2のパルスを発生するパルス発生回路と、を具備し、
    前記パルスの時間遷移の途中で前記第1及び第2のMOSトランジスタがオンからオフに変化することにより前記信号を増幅することを特徴とする増幅回路。
  12. 前記第1及び第2のパルスの時間遷移の途中で前記第1のMOSトランジスタがオンからオフに切り替わるしきい値電位時間曲線と信号時間曲線とが交差し、前記第2のMOSトランジスタがオンからオフに切り替わるしきい値電位時間曲線と前記第2のパルスのパルス時間曲線とが交差するようにしたことを特徴とする請求項11記載の増幅回路。
  13. 前記MOSトランジスタが薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項11に記載の増幅回路。
  14. 前記信号ラインが表示装置の表示信号ラインであることを特徴とする請求項11に記載の増幅回路。
  15. 前記信号ラインが表示装置の画素内の表示信号ラインであることを特徴とする請求項11に記載の増幅回路。
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