JP2013207556A - 差動増幅回路及びこれを用いた液晶ドライバ - Google Patents

差動増幅回路及びこれを用いた液晶ドライバ Download PDF

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Abstract

【課題】オフセットの改善と、アンプの動作の安定とを両立させる。
【解決手段】2つの入力信号の差分を検出する入力段2と、浮遊電流I3により駆動され、前記入力段2により検出された差分を増幅する中間段3と、前記中間段3により増幅された信号を出力する出力段4と、前記出力段4から出力される信号の変動が所定の許容範囲内に収束するセトリングタイムの経過後に、前記浮遊電流I3を前記セトリングタイムの経過前の値より減少させる電流制御手段とを備える。
【選択図】図1

Description

液晶ドライバ等に用いられる差動増幅回路(以下、アンプと称する)に関し、特に出力オフセットを防止するための技術に関するものである。
液晶パネルの画素に所定の電圧を供給するデータ線(ソース線)駆動用ドライバにおいては、通常、ボルテージフォロア構成を有するアンプが用いられる。このようなアンプにおいては、これを構成するICの製造上のばらつきに起因する出力のオフセットが問題となる。
図13は、従来のデータ線駆動用ドライバ101の構成を例示している。ドライバ101は、アドレスセレクタ111、ラッチ112、レベルシフタ113、γ回路114、デコーダ115、アンプ116、及びバイアス回路121を有する。アドレスセレクタ111は、CLKに同期して駆動するデータ線のアドレスを指定する。ラッチ112は、指定されたアドレスのRGBデータをSTBに同期してレベルシフタ113へ出力する。デコーダ115は、ラッチ112の出力に合わせた階調をγ回路114から選択してアンプ116に出力する。バイアス回路121は、複数のアンプ116から構成されるアンプ部120にバイアスバスを介してバイアス信号を供給する。バイアス信号は、各アンプ116に共通に供給される。
また、特許文献1において、現在液晶ドライバの出力アンプとして広く用いられている、いわゆるレール・トゥ・レールのオペアンプが開示されている。
特開平6−326529号公報
上記特許文献1に示されるようなアンプをボルテージフォロワとして使用する際には、入力差動テール電流(入力段の差動電流)よりも中間段電流(浮遊電流)が多くなるような電流設計をする必要がある。しかしながら、浮遊電流が少ない場合、大振幅動作をした時に中間段の電流が全て入力段に流れ込み、中間段を駆動するための電流が一時的になくなる現象が生ずる。その結果、アンプの動作が不安定となり、正常な出力ができなくなる場合がある。
差動増幅回路のオフセットに関する周知の理論式(後述する式(1)〜(4))によれば、上記オフセットを小さくするためには、入力段の差動電流を増やし、中間段の浮遊電流を少なくすることが有効であることがわかる。しかしながら、上記特許文献1に開示されるようにアンプにおいて浮遊電流を減少させると、上記のように大振幅動作時におけるアンプ出力が不安定となる。即ち、アンプの電流設計において、オフセットの改善と大振幅動作時の安定性とはトレードオフの関係にあり、この関係が電流設計を困難にしている。
本発明の第1の態様は、2つの入力信号の差分を検出する入力段と、浮遊電流により駆動され、前記入力段により検出された差分を増幅する中間段と、前記中間段により増幅された信号を出力する出力段と、前記出力段から出力される信号の変動が所定の許容範囲内に収束するセトリングタイムの経過後に、前記浮遊電流を前記セトリングタイムの経過前の値より減少させる電流制御手段とを備える差動増幅回路である。
本発明の第2の態様は、上記差動増幅回路から出力される電圧を液晶パネルの画素に供給する液晶ドライバである。
上記態様によれば、オフセットの改善に有効な浮遊電流の減少が、セトリングタイムの経過後、即ちアンプ出力が安定した後に行われる。
本発明によれば、中間段を駆動する浮遊電流の減少によるオフセットの改善と、セトリングタイム経過前におけるアンプの動作の安定とを両立させることが可能となる。
本発明の実施の形態1に係るアンプの構成を示す図である。 実施の形態1に係るデータ線駆動用ドライバの構成を示す図である。 実施の形態1に係るアンプの具体的構成を示す図である。 実施の形態1に係るバイアス回路の構成を示す図である。 実施の形態1に係るデータ線駆動用ドライバにおけるタイミングチャートを示す図である。 一般的且つ基本的な差動増幅回路の構成を例示する図である。 本発明の実施の形態2に係るデータ線駆動用ドライバの構成を示す図である。 実施の形態2に係るバイアス回路の具体的構成を示す図である。 本発明の実施の形態3に係るバイアス回路の具体的構成を示す図である。 本発明の実施の形態4に係るアンプの具体的構成を示す図である。 本発明の実施の形態5に係るデータ線駆動用ドライバの構成を示す図である。 実施の形態5に係るバイアス回路の構成を示す図である。 従来のデータ線駆動用ドライバの構成を示す図である。
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係るアンプ1の構成を示している。アンプ1は、入力段2、中間段3、及び出力段4に区画され、入力差動N11、入力差動P12、カレントミラーP13、カレントミラーN14、カスコード段P15、カスコード段N16、AB級出力バッファ17、第1のテール可変電流源18、第2のテール可変電流源19、及び浮遊電流源20を有する。
入力段2には、入力差動N11及び入力差動P12が含まれ、これらはそれぞれ第1のテール可変電流源18及び第2のテール可変電流源19から供給される差動電流I1,I2により駆動される。中間段3には、カレントミラーP13、カレントミラーN14、カスコード段P15、及びカスコード段N16が含まれ、これらは浮遊電流源20から供給されるI3により駆動される。出力段4には、AB級出力バッファ17が含まれる。
第1のテール可変電流源18は、入力差動N11を駆動する差動電流I1を供給し、外部の回路から供給される信号であるOSDに応じてその電流値を変化させる。第2のテール可変電流源19は、入力差動P12を駆動する電流I2を供給し、OSDの反転信号であるOSDBに応じてその電流値を変化させる。浮遊電流源20は、カレントミラーP13、カレントミラーN14、カスコード段P15、及びカスコード段N16を駆動する浮遊電流I3を供給し、OSD及びOSDBに応じてその電流値を変化させる。
アンプ1の出力開始後又は入力値の変更後、当該出力の変動が所定の許容範囲内に収まるまでのセトリングタイムが経過するまでの期間においては、差動電流はI1,I2、浮遊電流はI3となる。一方、上記セトリングタイムの経過後においては、差動電流はI1+I1´,I2+I2´、浮遊電流はI3−I3´となる。尚、(I1´,I2´,I3´)>0である。
上記のように、本実施の形態に係るアンプ1においては、セトリングタイムの経過後に入力段2の差動電流I1,I2の増加及び中間段3の浮遊電流I3の減少が行われる。このような電流制御により、中間段3に配置されるカレントミラー13,14を構成するトランジスタの相対的なばらつきに起因するオフセットを軽減することができる。また、出力が不安定なセトリングタイム経過前の期間においては、浮遊電流I3が十分に保たれることにより、大振幅動作時における不具合等を抑制することができる。
図2は、上記アンプ1を用いたデータ線駆動用ドライバ31の構成を示している。当該データ線駆動用ドライバ31は、オフセット改善制御信号生成回路32を有している点で、上記図13に示す従来のデータ線駆動用ドライバ101と異なっている。オフセット改善制御信号生成回路32はOSD及びOSDBを出力する。OSD及びOSDBは、アンプ1内の電流制御を行うタイミングを決定する信号である。OSD及びOSDBは、複数の上記アンプ1により構成されるアンプ部120に対し、各アンプ1に共通に供給される。
図3は、上記アンプ1の具体的構成を示している。MN1及びMP1の各ゲートは、入力端子IN1と接続する。M2及びMP2の各ゲートは、入力端子IN2と接続する。MN1及びMN2のソースが接続していることにより、入力差動Nが形成されている。MP1とMP2のソースが接続していることにより、入力差動Pが形成されている。MN10及びMN12は、入力差動Nのテール電流源となる。MP10及びMP12は、入力差動Pのテール電流源となる。MN12のドレインと入力差動NMN1,MN2との間には、タイミングにより接続をON/OFFするスイッチとして働くMN11が直列に接続されている。また、MP12のドレインと入力差動PMP1,MP2との間には、タイミングにより接続をON/OFFするスイッチとして働くMP11が接続されている。
MP5及びMP6の各ゲートは、MP3のドレインと接続する。MP3及びMP4の各ゲートには、バイアス信号BP2が入力する。MP5のドレインとMP3のソースとが接続すると共に、MP6のドレインとMP4のソースとが接続していることにより、Pトランジスタによる低電圧カスコードカレントミラーが構成されている。同様に、MN3,MN4,MN5,MN6とバイアス信号BN2とにより、Nトランジスタによる低電圧カスコードカレントミラーが構成されている。
MN1のドレインは、MP5のドレインが接続するノードに接続する。MN2のドレインは、MP6のドレインが接続するノードに接続する。MP1のドレインは、MN5のドレインが接続するノードに接続する。MP2のドレインは、MN6が接続するノードに接続する。これにより、フォールテッドカスコードが形成されている。
電流I3を出力する浮遊電流源として働く並列接続したMP9及びMN9は、それぞれMP3のドレイン及びMN3のドレインに接続する。この電流I3を出力する浮遊電流源に並列となるように、電流I3´を出力する浮遊電流源として働くMP13、MN13、MP14、及びMN14が接続されている。
MP4のドレインは、MP7のソース及びMN7のドレインと接続する。MP7のゲートには、バイアス信号BP1が入力される。MN7のゲートには、バイアス信号BN1が入力される。MN4のドレインとMP7のドレインとMN7のソースとが互いに接続する。
MP8のゲートはMP4のドレインと接続し、MP8のドレインは出力端子Voutと接続し、MP8のソースはVDDと接続する。MN8のゲートはMN4のドレインと接続し、MN8のドレインは出力端子Voutと接続し、MN8のソースはVSSと接続する。
C1は、MP4のソースと出力端子Voutとの間に接続する。C2は、MN4のソースと出力端子Voutとの間に接続する。
図4は、上記オフセット改善制御信号生成回路32の構成を示している。オフセット改善制御信号生成回路32は、OSD及びOSDBを生成するものであり、遅延回路41、フリップフロップ42、及びレベルシフタ43を有する。
遅延回路41は、外部の回路から供給されるコントロール信号(DELAY CONT)に応じて任意の遅延を設定できるものである。フリップフロップ42は、ステートを保持するリセット付き同期式のフリップフロップ回路である。レベルシフタ43は、入力された信号をレベルシフトして正転信号OSD又は反転信号OSDBを出力する。STB信号は、カウンターとフリップフロップ42のリセットに入力される。
尚、本実施の形態に係るバイアス回路121(図2参照)は、周知の回路構成を用いて構成することができる。
図5は、オフセット改善制御におけるタイミングを示している。STB及びCLKは、外部から、又はチップ内部で生成されて入力される。OSDは、オフセット改善制御信号生成回路32から出力され、オフセット改善制御のON/OFFを切り換える信号である。
オフセット改善制御信号生成回路32内部のフリップフロップ42は、STBの立ち上がりエッジでリセットされてLレベルを出力する。その後、遅延回路41によって適切な遅延を受けた信号が、フリップフロップ42の同期入力及びレベルシフタ43を通り、OSDをHレベルにする。このHレベルのOSDにより、オフセット改善電流制御がONとなる。その後、次のラインのSTBが入力されると、フリップフロップ42は再びリセットされ、OSDはLレベルになる。
遅延回路41は、様々なパネル負荷に対応できるようにするために、オフセット改善制御のON/OFFを切り換えるタイミングを設計者の意図に応じて任意に設定できるべきである。そのために、図4中DELAY CONT端子のような端子を用意し、遅延時間を任意に調整できるようにすることが好ましい。この遅延量の設定は、オフセット改善制御が、アンプ1のセトリングタイムの経過後であってデータの書き込みが行われている期間に合わせて行われる。この遅延回路41の構築は、周知の技術を用いて行うことができる。
上記オフセット改善制御におけるアンプ1の動作を、図3を参照して説明する。OSDがLレベルの時、即ちオフセット改善制御がOFFの時には、MN11及びMP12によりI1´及びI2´がOFFとなり、MP13及びMN13によりI3´がONとなる。一方、OSDがHレベルの時、即ちオフセット改善制御がONの時には、MN11及びMP12によりI1´及びI2´がONとなり、MP13及びMN13によりI3´がOFFとなる。
ここで、差動増幅回路の出力オフセットを小さくするための方法を、当該オフセットに関する一般的な理論式(1)〜(4)を参照して説明する。図6は、一般的且つ基本的な差動増幅回路50の構成を例示している。このような差動増幅器50の出力オフセットは、下記式(1)で示される。
Figure 2013207556
式(1)中、第1項は、入力差動Ma及びMbの出力値Vtの相対誤差を示す。このVtの相対誤差を小さくするためには、相対精度が必要なトランジスタのサイズを合わせ、且つチャンネル長L×チャンネル幅Wの値を大きくするしかない。このような解決方法は、回路設計の段階でなされなければならないものであり、電流制御によってなされるものではない。
下記式(2)は、式(1)の第2項を示す。
Figure 2013207556
第2項は、カレントミラーMc及びMdのVtの差に入力差動の相互コンダクタンスgm及びカレントミラーの相互コンダクタンスgmの比をかけたものである。第2項は、gm比を制御することにより、カレントミラーのVt相対誤差を小さくすることが可能であることを示している。
式(1)の第3項は、W/Lのばらつきと入力差動トランジスタのVgs−Vtとをかけたものを示す。当該項の括弧内は、W/Lの誤差の差を示しており、非常に小さい値であることから、誤差項と考えることができる。
以上のことから、第2項のgm(Mc,Md)及びgm(Ma,Mb)を制御することにより、オフセットの改善が見込まれる。
下記式(3)は、トランジスタのgmを示す。
Figure 2013207556
式(3)を式(2)に代入し、展開すると、下記式(4)が与えられる。
Figure 2013207556
式(4)中、増幅率μは製造プロセス、W及びLは設計段階で決定されるが、電流値Idは回路制御により調整可能なものである。従って、カレントミラーの電流を小さくし、入力差動の電流を大きくすることにより、カレントミラーの相対誤差を抑制できることがわかる。
上記考えをアンプ1に適用すると、入力段2の差動電流I1,I2を大きくし、中間段3の浮遊電流I3を小さくする電流制御を行うことにより、オフセットを改善することができるということになる。
上述したように、差動電流I1,I2を大きくし、浮遊電流I3を小さくすることは、アンプ1が大振幅動作を行う際の不安定さの原因となるが、本発明によれば、上記オフセット改善のための電流制御は、セトリングタイムの経過後、即ちアンプ1の出力が安定した後に行われるので、オフセットの改善と動作の安定とを両立することが可能となる。
実施の形態2
図7は、本発明の実施の形態2に係るデータ線駆動用ドライバ51の構成を示している。本実施の形態においては、オフセット改善制御信号生成回路32は上記OSD及びOSDBをバイアス回路55に出力する。また、本実施の形態においては、図13に示す従来のアンプ116が使用される。
図8は、本実施の形態に係るバイアス回路55の構成を示している。バイアス回路55は、OSD又はOSDBによりON/OFFするスイッチとして動作するMP40,MP41,MN40,MN41を有し、このスイッチによりダイオード接続がON/OFFされるMP35,MP38,MN35,MN38を有する。
本実施の形態における制御タイミングは、上記実施の形態1と同様である(図5参照)。図8中、MN40,MN35,MN36,MN37で構成される部分において、OSDBによりオフセット改善制御がOFFとなる時、MN35がONになり、MN35及びMN36が並列化し、MN37のソース電圧が下がり、BN3の電圧が下がる。このBN3の電圧の上下に伴い、アンプ116内の浮遊電流I3が増減する。同様の動作により、BP3,BP4,BN4も変化させることができる。これらの電圧の上下により、アンプ116内の電流を調整する。
本実施の形態によれば、データ線駆動用ドライバ内に設けられる複数のアンプのそれぞれにスイッチを設けることなくオフセット改善制御を行うことが可能となる。これにより、液晶ドライバのチップ面積の増加等の問題を解消することができる。
実施の形態3
図9は、本発明の実施の形態3に係るバイアス回路56の構成を示している。当該バイアス回路56は、上記実施の形態2に係るバイアス回路55に替えて、図7に示すデータ線駆動用ドライバ51に適用可能なものである。
バイアス回路56においては、BP3,BP4,BN3,BN4の電圧値の調整は、電流源の接続のON/OFFにより行われる。当該構成による効果は、上記実施の形態2と同様である。
尚、図示しないが、バイアス回路56により浮遊電流I3のみを調整する、又は差動電流I1,I2のみを調整するといった変形も可能である。
実施の形態4
図10は、本発明の実施の形態4に係るアンプ57の構成を示している。当該アンプ57は、上記実施の形態1に係るアンプ1に替えて、図2に示すデータ線駆動用ドライバ31に適用可能なものである。
アンプ57は、差動電流I1,I2に対する電流制御は行わず、浮遊電流I3´のON/OFF制御だけを行うものである。このような構成によってもオフセット改善制御による効果を得ることができる。
また、実施の形態1に係るアンプ1は、浮遊電流I3,I3´を発生させる回路の構成について、様々な変更を許容するものである。例えば、アンプ1においては、浮遊電流I3,I3´を発生させる回路の一部を構成するトランジスタに、バイアス信号BP3又はBN3が共通に入力されるが、当該実施の形態4のように、BP3´,BN3´という別のバイアス信号が入力されてもよい。
実施の形態5
図11は、本発明の実施の形態5に係るデータ線駆動用ドライバ61の構成を示している。図12は、当該実施の形態5に係るバイアス回路63の構成を示している。
バイアス回路63は、アンプ1の出力を監視しその安定を検出するセトリング検出回路65を有し、その検出結果に応じてOSD及びOSDBを出力する。セトリング検出回路65は、例えばいずれかのアンプ1からフィードバックされる出力を参照し、当該出力の変動が所定の許容範囲内に収束したか否かを判定するものである。尚、セトリング検出回路65は、周知の技術を用いて構築することができる。
本実施の形態によれば、遅延時間を予め設定することなく、アンプ1の出力が安定した時を自動的に検出してオフセット改善制御を実行することが可能となる。
尚、本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能なものである。
1,55,56,57 アンプ(差動増幅回路)
2 入力段
3 中間段
4 出力段
31,51,61 データ線駆動用ドライバ
32 オフセット改善制御信号生成回路
41 遅延回路
42 フリップフロップ
43 レベルシフタ
63,121 バイアス回路
65 セトリング検出回路
I1,I1´,I2,I2´ 動作電流
I3,I3´ 浮遊電流

Claims (12)

  1. 2つの入力信号の差分を検出する入力段と、
    浮遊電流により駆動され、前記入力段により検出された差分を増幅する中間段と、
    前記中間段により増幅された信号を出力する出力段と、
    前記出力段から出力される信号の変動が所定の許容範囲内に収束するセトリングタイムの経過後に、前記浮遊電流を前記セトリングタイムの経過前の値より減少させる電流制御手段と、
    を備える差動増幅回路。
  2. 前記電流制御手段は、前記セトリングタイムの経過後に、前記入力段を駆動する差動電流を前記セトリングタイムの経過前の値より増加させる、
    請求項1に記載の差動増幅回路。
  3. 前記中間段は、前記浮遊電流を発生させる浮遊電流源を備え、
    前記電流制御手段は、所定の回路により生成され前記セトリングタイムが経過したことを示す制御信号が入力された場合に、前記浮遊電流が減少するように前記浮遊電流源を制御する回路である、
    請求項1に記載の差動増幅回路。
  4. 前記入力段は、前記差動電流を発生させる差動電流源を備え、
    前記電流制御手段は、所定の回路により生成され前記セトリングタイムが経過したことを示す制御信号が入力された場合に、前記差動電流が減少するように前記差動電流源を制御する回路、
    請求項2に記載の差動増幅回路。
  5. 前記浮遊電流の発生源を備えず、
    前記電流制御手段は、所定の回路により生成されるバイアス信号の変化に応じて前記浮遊電流を変化させる回路である、
    請求項1に記載の差動増幅回路。
  6. 前記差動電流の発生源を備えず、
    前記電流制御手段は、所定の回路により生成されるバイアス信号の変化に応じて前記差動電流を変化させる回路である、
    請求項2に記載の差動増幅回路。
  7. 前記入力段は、前記入力信号の差動を検出する第1の差動対と、前記入力信号の差動を検出する第2の差動対とを備え、
    前記中間段は、前記第1の差動対により検出された差分を入力する第1のカレントミラーと、前記第1の差動対により検出された差分を入力する第1のカスコード段と、前記第2の差動対により検出された差分を入力する第2のカレントミラーと、前記第2の差動対により検出された差分を入力する第2のカスコード段とを備える、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の差動増幅回路。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の差動増幅回路から出力される電圧を液晶パネルの画素に供給する液晶ドライバ。
  9. 請求項3又は4に記載の差動増幅回路から出力される電圧を液晶パネルの画素に供給する液晶ドライバであって、
    前記制御信号を生成する制御信号生成回路を備える、
    を備える液晶ドライバ。
  10. 請求項5又は6に記載の差動増幅回路から出力される電圧を液晶パネルの画素に供給する液晶ドライバであって、
    前記セトリングタイムの経過を示す制御信号を生成する制御信号生成回路と、
    前記バイアス信号を生成し、前記制御信号が検出に応じて前記バイアス信号を変化させるバイアス信号生成回路と、
    を備える液晶ドライバ。
  11. 前記制御信号生成回路は、予め設定された前記セトリングタイムに応じて前記制御信号を生成する、
    請求項9又は10に記載の液晶ドライバ。
  12. 前記制御信号生成回路は、前記出力段から出力される信号の変動を監視することにより前記セトリングタイムの経過を検出する、
    請求項9又は10に記載の液晶ドライバ。
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