JP2006078731A - 階調電圧生成回路及び階調電圧生成方法 - Google Patents

階調電圧生成回路及び階調電圧生成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
階調電圧生成回路が備える演算増幅器に必要なチップ面積を削減する。
【解決手段】
本発明にかかる階調電圧生成回路10は、高電位基準電圧VDDと低電位基準電圧VSSとの間に直列接続された複数の抵抗R0乃至Rnを備えるラダー抵抗11と、ラダー抵抗11が備える抵抗間の電圧から1の電圧を選択するセレクタ回路12と、セレクタ回路12により選択された電圧を入力電圧とする入力段・駆動段回路13と、入力段・駆動段回路13に駆動されて階調電圧を出力する複数の出力段回路14及び15と、入力段・駆動段回路13から出力段回路14及び15に印加される駆動電圧を保持するコンデンサCP1、CN1、CP2及びCN2と、入力段・駆動段回路13の接続先を前記複数の出力段回路14及び15の間で切り替えるスイッチとを備えるものである。
【選択図】 図1

Description

本発明は、多階調の表示装置を駆動するための階調電圧生成回路及び階調電圧生成方法に関する。
薄膜トランジスタ(TFT)を用いたアクティブマトリクス方式の液晶表示装置における液晶パネルの輝度調整は、液晶パネルの各画素が備えるTFTのソース端子に対する印加電圧を変更することによって行われる。このため液晶表示装置は、所望の階調数に応じた印加電圧(以下、階調電圧と呼ぶ)を生成することができる階調電圧生成回路を備えている。
図3は、階調数が8階調の場合における階調番号とTFTのソース端子に対する印加電圧の関係の一例を示したものである。点21乃至点28は、8階調の階調電圧を示している。図3に示す8階調の輝度調整を行う液晶表示装置であれば、8階調の階調電圧を生成できる階調電圧生成回路を備える必要がある。同様に64階調の輝度調整を行う液晶表示装置であれば、64階調の階調電圧を生成可能な階調電圧生成回路が必要となる。このような階調電圧生成回路は、例えば特許文献1乃至3に開示されている。
階調電圧生成回路を備えた液晶表示装置の構成例を図4に示す。階調電圧生成回路41において生成された階調電圧信号は、信号線ドライバ42に入力される。信号線ドライバ42は、液晶パネル43の信号線、すなわち画素が備えるTFTのソース端子に電圧を印加するためのソース線に対して、階調電圧を供給する。信号線ドライバ42は、階調電圧生成回路41の出力する階調電圧信号から画像データ信号Sdに対応した階調電圧を選択し、選択した階調電圧を信号線に供給して液晶パネル43を駆動する。
図4において、走査線ドライバ44は、液晶パネル43の走査線、すなわちTFTにゲート電圧を印加するためのゲート線に電圧を供給する。上述した信号線ドライバ42が、走査線ドライバ44の走査タイミングに合わせて、全ての信号線に各画素の輝度に応じた階調電圧を印加していくことによって、液晶パネル43に1フレーム分の画像を表示することができる。
ここで、従来の階調電圧生成回路41の構成例を図5に示す。高電位基準電圧VDD及び低電位基準電圧VSSの間がラダー抵抗51によって分圧され、n点の階調電圧が生成される。ラダー抵抗51によって分圧された階調電圧は、演算増幅器OP1乃至OPnの非反転入力端子に入力される。演算増幅器OP1乃至OPnは、出力端子と反転入力端子とを接続する負帰還回路を備え、入力電圧と等しい電圧を出力することによって出力インピーダンスの変換を行う電圧フォロアである。演算増幅器OP1乃至OPnの出力電圧V1乃至Vnが、階調電圧信号として信号線ドライバ42に出力される。例えば、階調数が8の場合、8個の演算増幅器OP1乃OP8の出力電圧V1乃至V8が階調電圧として信号線ドライバ42に出力される。
さらに、図5の階調電圧生成回路41は、演算増幅器OP1乃至OPnの出力側に設けたラダー抵抗52によって演算増幅器OP1乃至OPnの出力電圧をさらに分圧して、より多階調の階調電圧を生成することもできる。特許文献3には、10個の演算増幅器の出力電圧をさらに抵抗分割することにより、64階調の階調電圧を得る構成例が示されている。
また、図5に示すように、ラダー抵抗51を構成している直列接続された抵抗を可変抵抗とした階調電圧生成回路もある(例えば特許文献1又は3を参照)。可変抵抗の抵抗値を変更すると演算増幅器のOP1乃至OPnに対する入力電圧が変化し、これによって演算増幅器OP1乃至OPnの出力電圧V1乃至Vnが変化する。したがって、ラダー抵抗51を構成する可変抵抗の抵抗値を変更することにより、所望の階調特性となるよう階調電圧を調整することができる。
特開平6−348235号公報 特開平11−281953号公報 特開2002−366112号公報
上述した従来の階調電圧生成回路では、階調電圧を出力するための演算増幅器を階調数に応じて多数用いる必要がある。通常、8階調の階調電圧生成回路であれば、8個の演算増幅器を用いて階調電圧を生成する。また、特許文献3に開示された64階調の階調電圧を生成する階調電圧生成回路は、10個の演算増幅器を用いている。このように多階調の階調電圧を生成する階調電圧生成回路は、チップ上に多数の演算増幅器を配置しなければならず、チップ面積が大きくなるという問題がある。
本発明は上述の事情を考慮してなされたものであり、階調電圧生成回路のチップ面積を削減可能な階調電圧生成回路及び階調電圧生成方法を提供することを目的とする。
本発明にかかる階調電圧生成回路は、高電位基準電圧と低電位基準電圧との間に直列接続された複数の抵抗を備えるラダー抵抗と、前記ラダー抵抗が備える抵抗間の電圧から1の電圧を選択するセレクタと、前記セレクタにより選択された電圧を入力電圧とする入力・駆動段と、前記入力・駆動段に駆動されて階調電圧を出力する複数の出力段と、前記入力・駆動段から前記出力段に印加される駆動電圧を保持するコンデンサと、前記入力・駆動段の接続先を前記複数の出力段の間で切り替えるスイッチとを備えるものである。このような構成により、階調電圧を出力するために必要な複数の演算増幅器の間で入力・出力段を共通化することができるため、チップ面積を削減できる。
なお、前記出力段は相補型トランジスタであり、前記コンデンサは前記相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けることとすればよい。
また、本発明にかかる階調電圧生成回路は、第1の階調電圧を出力する第1の相補型トランジスタと、第2の階調電圧を出力する第2の相補型トランジスタと、前記第1の相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けた第1のコンデンサと、前記第2の相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けた第2のコンデンサと、前記第1の相補型トランジスタ及び前記第2の相補型トランジスタを駆動可能な入力・駆動段と、前記入力・駆動段の接続先を、前記第1の相補型トランジスタ又は前記第2の相補型トランジスタの間で切り替えるスイッチとを備え、前記スイッチを切り替えて前記入力・駆動段と前記第1の相補型トランジスタを接続することにより、前記入力・駆動段と前記第1の相補型トランジスタが1の演算増幅器として動作して、前記第1の階調電圧を出力するとともに、前記第1のコンデンサを充電して前記第1の相補型トランジスタのゲート・ソース間電圧を保持し、前記スイッチを切り替えて前記入力・駆動段と前記第2の相補型トランジスタを接続することにより、前記入力・駆動段と前記第2の相補型トランジスタが1の演算増幅器として動作して、前記第2の階調電圧を出力するとともに、前記第2のコンデンサを充電して前記第2の相補型トランジスタのゲート・ソース間電圧を保持し、前記入力・駆動段の接続先を前記第2の相補型トランジスタに切り替えた後も、前記第1のコンデンサに保持されたゲート・ソース間電圧によって前記第1の相補型トランジスタを駆動し、前記第1の階調電圧を引き続き出力することを特徴とするものである。このような構成によっても、階調電圧を出力するために必要な複数の演算増幅器の間で入力・出力段を共通化することができるため、チップ面積を削減できる。
なお、前記階調電圧生成回路は、高電位基準電圧と低電位基準電圧の間を分圧して得られる複数の電圧から1の電圧を選択可能なセレクタを備え、前記セレクタにより選択された1の電圧を前記入力・駆動段の入力電圧とするよう構成することが望ましい。
さらに、前記高電位基準電圧と前記低電位基準電圧との間は、前記高電位基準電圧と前記低電位基準電圧との間に直列接続された複数の可変抵抗によって分圧することが望ましい。
一方、本発明にかかる階調電圧生成方法は、表示素子を駆動するための階調電圧の生成方法であって、前記階調電圧を出力する複数の相補型トランジスタのうちの第1の相補型トランジスタと前記複数の相補型トランジスタを駆動するための駆動回路とを接続し、前記第1の相補型トランジスタから第1の階調電圧を出力するとともに、前記第1の相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けた第1のコンデンサを充電してゲート・ソース間電圧を保持し、前記駆動回路の接続先を、前記複数の相補型トランジスタのうちの第2の相補型トランジスタに切り替え、前記第2の相補型トランジスタから第2の階調電圧を出力するとともに、前記第2の相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けた第2のコンデンサを充電してゲート・ソース間電圧を保持し、前記駆動回路の接続先を前記第2の相補型トランジスタに切り替えた後も、前記第1のコンデンサに保持されたゲート・ソース間電圧によって前記第1の相補型トランジスタを駆動して前記第1の階調電圧を引き続き出力するものである。このような方法により、階調電圧生成回路において階調電圧を出力するために必要な複数の演算増幅器の間で入力・出力段を共通化することができるため、階調電圧生成回路のチップ面積を削減できる。
本発明により、階調電圧生成回路において階調電圧を出力するために必要な複数の演算増幅器の間で入力・出力段を共通化することができるため、階調電圧生成回路のチップ面積を削減可能な階調電圧生成回路及び階調電圧生成方法を提供することができる。
発明の実施の形態1.
一般的な演算増幅器は、入力段回路、駆動段回路及び出力段回路から構成される。ここで入力段回路は、非反転入力端子の入力電圧と反転入力端子への入力電圧との差電圧を増幅して駆動段回路に出力する。駆動段回路は、入力段回路が出力する差電圧を出力段回路へ伝達する。また、出力段回路は、駆動段回路から入力された電圧信号に従って、液晶素子等の外部負荷を駆動するための電圧を出力する。本発明の実施の形態にかかる階調電圧生成回路10は、上述した従来の階調電圧生成回路41等が備える演算増幅器(電圧フォロア)の構成において、入力段回路及び出力段回路を複数の演算増幅器の間で共通化し、出力段回路のみを個別に設けたことを特徴としている。
本実施の形態にかかる階調電圧生成回路の構成を図1に示す。図1に示すラダー抵抗11は、直列接続された抵抗R0乃至Rnによって、高電位基準電圧VDDと低電位基準電圧VSSの間を分圧する。なお、抵抗R0乃至Rnは固定抵抗であってもよいが、図1に示すように可変抵抗としてもよい。抵抗R0乃至Rnを可変抵抗とすると、背景技術において説明したように、抵抗R0乃至Rnの抵抗値を変更することによって、所望の階調特性となるよう階調電圧を調整することができる。
セレクタ回路12は、抵抗R0乃至Rnによって分割された各点のいずれかを選択することにより、入力段・駆動段回路13の非反転入力端子131に入力する電圧を選択する回路である。なお、セレクタ回路12は、入力段・駆動段回路13に入力する電圧を選択できればよいから、例えば、抵抗R0乃至Rnによって分割された各点に対して設けたn個のスイッチのオン・オフ動作によって、入力段・駆動回路13への入力電圧を選択する構成としてもよい。
一方、入力段・駆動段回路13は、演算増幅器を構成する入力段回路及び駆動段回路に該当する回路である。入力段・駆動段回路13は、後述する出力段回路14又は15と組み合わせることによって、出力インピーダンスの変換を行う1台の電圧フォロアとして動作する。入力段・駆動段回路13の出力段駆動端子132及び133は、後述する出力段回路14又は15を構成するトランジスタのゲート端子に接続される。また、反転入力端子134は、後述する出力段回路14又は15の出力と接続される。
出力段回路14及び15は、演算増幅器を構成する出力段回路に該当する回路である。
出力段回路14は、PチャネルMOSトランジスタMP1のドレインとNチャネルMOSトランジスタMN1のドレインとを接続して構成されている。トランジスタMP1及びMN1のドレインが、ラダー抵抗16と接続され、かつ、入力段・駆動段回路13の反転入力端子134に接続される。また、トランジスタMP1のゲートが入力段・駆動段回路13の出力段駆動端子132と接続され、トランジスタMN1のゲートが、入力段・駆動段回路13の出力段駆動端子133と接続される。さらに、出力段回路14は、PチャネルMOSトランジスタMP1のゲートとソースの間にコンデンサCP1を備えており、NチャネルMOSトランジスタMN1のゲートとソースの間にコンデンサCN1を備えている。さらに出力段回路14は、入力段・駆動段回路13との接続をオン・オフするためのスイッチSW1を備えている。
なお、出力段回路15の構成は、出力段回路14の構成と同じであるため、説明を省略する。また、図1では説明の簡略化のために、出力段回路14及び15以外の出力段回路の記載を省略しているが、本実施の形態にかかる階調電圧生成回路10は、n階調の階調電圧V1乃至Vnを生成するために合計n個の出力段回路を備えている。つまり、階調電圧生成回路10は、1つの入力段・駆動段回路13に対してn個の出力段回路が接続される構成となっている。
図1に示した階調電圧生成回路10は、出力段回路の出力電圧の数と等しい階調数の階調電圧を出力する構成であるが、ラダー抵抗16によって出力段回路の出力電圧をさらに分圧することにより、さらに多階調の階調電圧を生成することとしてもよい。
続いて、階調電圧生成回路10の動作について説明する。以下では、セレクタ回路12において図1の端子T1を選択した場合の非反転入力端子131に入力される電圧を出力段回路14からの出力電圧V1として出力する場合の動作、及びセレクタ回路12において端子T2を選択した場合の非反転入力端子131に入力される電圧を出力段回路15からの出力電圧Vnとして出力する場合の動作について説明を行う。なお、端子T1の電圧をVin1、端子T2の電圧をVin2とする。
(1)まず始めに、セレクタ回路12において端子T1を選択する。さらに、出力段回路14が備えるスイッチSW1をオン状態とし、スイッチSW2を含む出力段回路14以外の出力段回路が備えるスイッチをオフ状態にする。これにより、入力段・出力段回路13と出力段回路14によって1つの演増増幅器、具体的には電圧フォロアが構成される。このとき、非反転入力端子131に入力された端子T1の電圧Vin1が、入力段・駆動段回路13及び出力段回路14を伝達して電圧V1として出力される。また、コンデンサCP1及びCN1が充電され、コンデンサCP1及びCN1は、それぞれトランジスタMP1、MN1のゲートとソース間の電圧VGSを保持する。
(2)次に、スイッチSW1をオフ状態として、出力段回路が備える全てのスイッチをオフ状態とする。このとき、コンデンサCP1及びCN1に保持された電圧によって、スイッチSW1をオフ状態にする前と同様のゲート・ソース間電圧がトランジスタMP1及びMN1に印加され、出力段回路14の出力電圧V1が保持される。
(3)セレクタ回路12において端子T2を選択する。さらに、出力段回路15が備えるスイッチSW2をオン状態とし、スイッチSW1を含む出力段回路15以外の出力段回路が備えるスイッチをオフ状態にする。これにより、入力段・出力段回路13と出力段回路15によって1つの演増増幅器、具体的には電圧フォロアが構成される。このとき、非反転入力端子131に入力された端子T2の電圧Vin2が、入力段・駆動段回路13及び出力段回路15を伝達して電圧Vnとして出力される。また、コンデンサCPn及びCNnが充電され、コンデンサCPn及びCNnは、それぞれトランジスタMPn、MNnのゲートとソース間の電圧VGSを保持する。
(4)スイッチSW2をオフして、全てのスイッチをオフ状態とする。このとき、コンデンサCPn及びCNnに保持された電圧によって、スイッチSW2をオフ状態にする前と同様のゲート・ソース間電圧がトランジスタMPn及びMNnに印加され、出力段回路15の出力電圧Vnが保持される。
上記の(1)から(4)の動作を行うことによって、出力段回路14及び15の出力電圧を所望の階調電圧に調整することができる。なお、上記の(1)から(4)の動作においては、出力電圧V1を調整すると出力電圧Vnにずれが生じ、逆に、出力電圧Vnを調整すると出力電圧V1にずれが生じるという状況が発生する。しかしながら、上記の(1)から(4)の動作を繰り返し実施することにより、上述のずれの発生は小さくなり、最終的な出力電圧は所望の電圧値に収束する。上記の(1)から(4)の動作をm回行った際の出力電圧V1及びVnの電圧値は以下の式により表すことができる。
V1=Vin1−(Vin1/4 − Vin2/(2・4m−1))
Vn=Vin2−(Vin2/4 − Vin1/(2・4))
これらの式から、上記の動作を繰り返すことによりV1はVin1に収束し、VnはVin2に収束することが分かる。
図2は、出力電圧V1及びVnが収束していく様子を示すシミュレーション波形である。なお、図2に示すシミュレーションでは、Vin1=+4V、Vin2=+3.5Vとし、(1)から(4)の一連の動作を0.04ms周期で繰り返し行った。図2から、数回の繰り返し動作によって、出力電圧V1及びVnが所望の電圧値に収束することが分かる。
以上に説明したように、従来の階調電圧生成回路は、階調数に応じた演算増幅器を必要としていたところ、本発明にかかる階調電圧生成回路は、1つの入力段・駆動段回路と複数の出力段回路で構成できる。このため、階調電圧生成回路に必要なチップ面積を削減することが可能となる。また、図4に示した従来の液晶表示装置の階調電圧生成回路41を本発明にかかる階調電圧生成回路10に置き換えることにより、階調電圧生成回路のチップ面積を削減した液晶表示装置を構成することができる。
本発明にかかる階調電圧生成回路10の構成図である。 本発明にかかる階調電圧生成回路の出力電圧を示す波形図である。 階調番号と液晶パネルへの印加電圧との関係を示す図である。 従来の液晶表示装置の構成図である。 従来の階調電圧生成回路の構成図である。
符号の説明
10 階調電圧生成回路
11、16 ラダー抵抗
12 セレクタ回路
13 入力段・駆動段回路
131 非反転入力端子
132、133 出力段駆動端子
134 反転入力端子
14、15 出力段回路
MP1、MP2 PチャネルMOSトランジスタ
MN1、MN2 NチャネルMOSトランジスタ
SW1、SW2 スイッチ
CP1、CN1、CP2、CN2 コンデンサ

Claims (6)

  1. 高電位基準電圧と低電位基準電圧との間に直列接続された複数の抵抗を備えるラダー抵抗と、
    前記ラダー抵抗が備える抵抗間の電圧から1の電圧を選択するセレクタと、
    前記セレクタにより選択された電圧を入力電圧とする入力・駆動段と、
    前記入力・駆動段に駆動されて階調電圧を出力する複数の出力段と、
    前記入力・駆動段から前記出力段に印加される駆動電圧を保持するコンデンサと、
    前記入力・駆動段の接続先を前記複数の出力段の間で切り替えるスイッチと、
    を備える階調電圧生成回路。
  2. 前記出力段は、相補型トランジスタであり、
    前記コンデンサは、前記相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けたことを特徴とする請求項1に記載の階調電圧生成回路。
  3. 第1の階調電圧を出力する第1の相補型トランジスタと、
    第2の階調電圧を出力する第2の相補型トランジスタと、
    前記第1の相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けた第1のコンデンサと、
    前記第2の相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けた第2のコンデンサと、
    前記第1の相補型トランジスタ及び前記第2の相補型トランジスタを駆動可能な入力・駆動段と、
    前記入力・駆動段の接続先を、前記第1の相補型トランジスタ又は前記第2の相補型トランジスタの間で切り替えるスイッチとを備え、
    前記スイッチを切り替えて前記入力・駆動段と前記第1の相補型トランジスタを接続することにより、前記入力・駆動段と前記第1の相補型トランジスタが1の演算増幅器として動作して、前記第1の階調電圧を出力するとともに、前記第1のコンデンサを充電して前記第1の相補型トランジスタのゲート・ソース間電圧を保持し、
    前記スイッチを切り替えて前記入力・駆動段と前記第2の相補型トランジスタを接続することにより、前記入力・駆動段と前記第2の相補型トランジスタが1の演算増幅器として動作して、前記第2の階調電圧を出力するとともに、前記第2のコンデンサを充電して前記第2の相補型トランジスタのゲート・ソース間電圧を保持し、
    前記入力・駆動段の接続先を前記第2の相補型トランジスタに切り替えた後も、前記第1のコンデンサに保持されたゲート・ソース間電圧によって前記第1の相補型トランジスタを駆動し、前記第1の階調電圧を引き続き出力する階調電圧生成回路。
  4. 高電位基準電圧と低電位基準電圧の間を分圧して得られる複数の電圧から1の電圧を選択可能なセレクタを備え、
    前記セレクタにより選択された1の電圧を前記入力・駆動段の入力電圧とする、請求項3に記載の階調電圧生成回路。
  5. 前記高電位基準電圧と前記低電位基準電圧との間は、前記高電位基準電圧と前記低電位基準電圧との間に直列接続された複数の可変抵抗によって分圧する、請求項4に記載の階調電圧生成回路。
  6. 表示素子を駆動するための階調電圧の生成方法であって、
    前記階調電圧を出力する複数の相補型トランジスタのうちの第1の相補型トランジスタと前記複数の相補型トランジスタを駆動するための駆動回路とを接続し、
    前記第1の相補型トランジスタから第1の階調電圧を出力するとともに、前記第1の相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けた第1のコンデンサを充電してゲート・ソース間電圧を保持し、
    前記駆動回路の接続先を、前記複数の相補型トランジスタのうちの第2の相補型トランジスタに切り替え、
    前記第2の相補型トランジスタから第2の階調電圧を出力するとともに、前記第2の相補型トランジスタのゲートとソースの間に設けた第2のコンデンサを充電してゲート・ソース間電圧を保持し、
    前記駆動回路の接続先を前記第2の相補型トランジスタに切り替えた後も、前記第1のコンデンサに保持されたゲート・ソース間電圧によって前記第1の相補型トランジスタを駆動して前記第1の階調電圧を引き続き出力する階調電圧生成方法。
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