JP3216604B2 - スイッチトキャパシタ型d/a変換器及びディスプレイ駆動回路 - Google Patents
スイッチトキャパシタ型d/a変換器及びディスプレイ駆動回路Info
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Description
タ型フィルタに関し、特に、オフセットキャンセル機能
を持つスイッチトキャパシタ型フィルタに関する。ま
た、本発明は、スイッチトキャパシタ型フィルタを備え
たディスプレイ駆動回路に関する。
クス状に配置した液晶ディスプレイ(TFT−LCD)
は、現在、モニタ用途として使用するために、高精細化
・広視野角化・多階調化が要求されている。
駆動するための電圧を供給する液晶ディスプレイ駆動回
路には、出力電圧の高精度化、10〜20Vの電圧範囲
と12〜15μs程度の出力期間が要求される。
5のような演算増幅器A1の持つオフセット電圧をキャ
ンセルする機能を持つスイッチトキャパシタ型D/A変
換器がディスプレイ駆動回路に使用されている。スイッ
チトキャパシタ型D/A変換器は、例えば、ディスプレ
イの上辺に1ライン分の画素の数だけ並んでいる。本従
来例は、アナログ入力としてレベル電圧V1、V2と基
準電圧Vr、入力デジタルデータのビット数と対応する
比を持つ入力容量C0〜Cnと、出力に接続される出力
容量Ccを持つ。さらに、前記入力容量と出力容量を並
列に接続した配線を反転入力とし、基準電圧Vrからの
配線を非反転入力とする演算増幅器A1と、入力デジタ
ルデータに従ってレベル電圧と入力容量との接続を切り
替えるスイッチS1〜Snと、スイッチトキャパシタ型
D/A変換器の動作を切り替えるスイッチSW1〜SW
5を持つ。入力容量C0〜Cnは、単位容量値をCuと
すれば、nビットデジタルデータを入力する場合、C0
=Cu、C1=Cu、C2=2×Cu、C3=2×2×
Cu、…という容量値を持ち、Cn(n≧1)は2の
(n−1)乗とCuの積で表される容量値を持つ。レベ
ル電圧V1、V2の大きさは、入力デジタルデータに従
って、図5のスイッチトキャパシタ型D/A変換器が出
力できる電圧範囲を規定する条件の一つである。出力容
量Ccの容量値は、入力容量の総和と本出力容量の比
が、希望のスイッチトキャパシタ型D/A変換器の出力
変化範囲を実現できるようにレベル電圧V1、V2(V
1>V2)とともに決定する。出力容量の容量値は、単
位容量Cuを用い、Cc=(x×Cu)と表す。基準電
圧Vrの電圧は、出力容量Ccと入力容量C0〜Cnの
総和の容量値比によって決まる増幅度に従って増幅され
て出力されるので、出力電圧の基準を定める電圧であ
る。
イッチトキャパシタ型D/A変換器の動作を説明する。
す。
Lとし、SW3とSW5はOFF、SW2とSW4をO
Nとする。また、入力デジタルデータに従って、S1〜
SnはH/L状態のいずれかを選択する。出力電圧Vo
は、後述するように、 Vo=(1+(n'/x))×Vr −(n'/x)×(V2+(α/n')×(V1−V2)) …(1) と表される。ここでn'は2のn乗であり、αは入力さ
れるnビットデータに対応する量で、1〜(n'−1)
までの数値をとる。
をHとし、SW3とSW5はON、SW2とSW4をO
FFとする。また、S1〜SnはLとする。本状態にお
いて、スイッチトキャパシタ型D/A変換器はボルテー
ジフォロワを構成しており、回路内のa点には演算増幅
器A1により、Vr+ΔVos(ΔVosはA1のオフ
セット電圧)という電圧が与えられる。従って、入力容
量C0〜Cn及び出力容量Ccのa点に接続されている
端子には電圧Vr+ΔVosが与えられる。また、入力
容量C0〜Cn及び出力容量Ccの他端にはVrが印加
される。
cには、 (Vr+ΔVos−Vr)×C0+…+(Vr+ΔVos−Vr)×Cn +(Vr+ΔVos−Vr)×Cc =ΔVos×(n'+x)×Cu …(2) という電荷が蓄積される。
すると、SW1はL、SW2、SW4はON、SW3、
SW5はOFFとなり、S1〜Snは入力デジタルデー
タに合わせてH又はLとなる。本状態において、入力容
量C0〜Cnと出力容量Ccには、a点の電圧をVaと
すれば、 (Va−V1)×α×Cu+(Va−V2)×(n‘−α)×Cn +(Va−Vo)×Cc …(3) という電荷が蓄積される。ここで、演算増幅器A1の非
反転入力にはVrが印加されているため、Va=Vr+
ΔVosとなり、リセットモードと出力モードでの電荷
は保存されるため、(2)式と(3)式は等号で結ば
れ、さらに、Va=Vr+ΔVosを代入し、Voにつ
いて解くと、(1)式が導出される。
のオフセット電圧ΔVosにより影響を受けない、つま
り、オフセットキャンセル機能を持つスイッチトキャパ
シタ型D/A変換器を構成できる。
T−LCD用ソースドライバへの要求の内、高精度出力
の要求を満足するための回路であるが、他に、出力範囲
を10〜20Vにする要求と出力期間を12〜15μs
程度にする要求とを同時に満足する必要がある。
求を満足させる場合、リセットモードの最終時点でボル
テージフォロワとして出力する出力電圧(Vr+ΔVo
s)とリセットモードの初めの時点の出力電圧Voの差
が大きく、リセットモードに入ってから出力電圧が(V
r+ΔVos)で安定するまでには、演算増幅器A1の
スルーレ―トがβ(V/μs)の場合では、最低でも
((Vo−(Vr+ΔVos))÷β)(μ/s)の期
間が必要となる。図5の従来回路における、a点とb点
での電圧の時間的変化を図7に示す。上記ボルテージフ
ォロワ出力が安定となるまでの期間は、リセット期間と
呼ばれる出力モードと出力モードの間に設定される必要
な期間であるが、本リセット期間が長いと、実際にTF
T−LCDに電圧を印加する出力モードの期間(出力期
間)が減少し、精度の高い電圧をTFT−LCDに印加
できないという問題が生ずる。
増幅器内を流れる電流を、上記リセット期間だけ増加さ
せ、演算増幅器のもつスルーレートを高めることで、リ
セット期間を短縮することが実施されてきた。このよう
な解決手段によると、現状、2〜3μsのリセット期間
を実現できる。ただし、上記解決手段では、 ・消費電流が増加する。 ・演算増幅器を再設計する必要がある。 ・演算増幅器の回路規模が大きくなる場合があり、レイ
アウトする際の面積が大きくなる。 という問題があった。また、今後、高精細化や大型化が
さらに進むことで、現状で12〜15μsである出力期
間が更に減少する可能性が高く、それに伴い、更なるリ
セット期間の短縮が必要とされる。
スイッチトキャパシタ型D/A変換器において、回路規
模を増やさずにリセット期間を短くすることができるス
イッチトキャパシタ型D/A変換器を提供することを目
的とする。
シタ型D/A変換器を備えるディスプレイドライバを提
供することを目的とする。
幅器と、片端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続さ
れる入力コンデンサ群と、片端が前記演算増幅器の前記
反転入力端子に接続される出力コンデンサと、第1の電
圧源と、第2の電圧源と、前記演算増幅器の非反転入力
端子に接続される第3の電圧源と、片端が前記第2の電
圧源に接続される第1のスイッチと、前記入力コンデン
サ群を前記第1の電圧源又は第1のスイッチの他端に接
続する第2のスイッチ群と、前記第1のスイッチの他端
と前記非反転入力端子とを接続する第3のスイッチと、
前記出力コンデンサの他端を前記非反転入力端子又は前
記演算増幅器の出力端子に接続する第4のスイッチと、
前記反転入力端子と前記演算増幅器の出力端子とを接続
する第5のスイッチと、前記演算増幅器の出力端子と最
終出力端子とを接続する第6のスイッチとを備えるスイ
ッチトキャパシタ型D/A変換器において、第4の電圧
源と、該第4の電圧源と前記演算増幅器の出力端子とを
接続する第7のスイッチとを更に備えることを特徴とす
るスイッチトキャパシタ型D/A変換器が提供される。
器において、前記第1から第6のスイッチは、出力モー
ドとリセットモードに応じて、接続が切り換わり、前記
第7のスイッチはリセットモードの初期において接続さ
れてもよい。
器において、前記第5のスイッチは前記リセットモード
の初期において切断されてもよい。
器は、出力電圧を検出する検出手段と、前記検出された
出力電圧により前記第7のスイッチをリセットモードの
初期において接続しない手段とを更に備えていてもよ
い。
器において、前記検出手段は、入力のディジタル値によ
り前記出力電圧を検出してもよい。上記のスイッチトキ
ャパシタ型D/A変換器において、前記第4の電圧源と
前記第7のスイッチとは複数組あってもよく、上記のス
イッチトキャパシタ型D/A変換器は、出力電圧を検出
する検出手段と、前記検出された出力電圧により前記組
を切り換える手段とを更に備えていてもよい。上記のス
イッチトキャパシタ型D/A変換器において、前記検出
手段は、入力のディジタル値により前記出力電圧を検出
してもよい。本発明によるディスプレイ駆動回路は、上
記のスイッチトキャパシタ型D/A変換器を備えること
を特徴とする。
フセットキャンセル機能を持つnビットスイッチトキャ
パシタ型のデジタル−アナログコンバータ(スイッチト
キャパシタ型D/A変換器)の実施形態を示す。本実施
形態は、アナログ入力としてレベル電圧V1、V2、基
準電圧Vr及び外部駆動電圧Vexを持ち、入力デジタ
ルデータのビット数と対応する比を持ち入力側に接続さ
れる入力容量C0〜Cnと、出力側に接続される出力容
量Ccを持つ。さらに、前記入力容量と出力容量を並列
に接続した配線を反転入力とし、基準電圧Vrからの配
線を非反転入力とする演算増幅器A1と、入力デジタル
データに従ってレベル電圧V1、V2と入力容量C0〜
Cnとの接続を切り替えるスイッチS1〜Snと、スイ
ッチトキャパシタ型D/A変換器の動作を切り替えるス
イッチSW1〜SW6を持つ。入力容量C0〜Cnは、
単位容量値をCuとすれば、nビットデジタルデータを
入力する場合、C0=Cu、C1=Cu、C2=2×C
u、C3=2×2×Cu、…という容量値を持ち、Cn
(n≧1)は2の(n−1)乗とCuの積で表される容
量値を持つ。レベル電圧V1、V2の電圧は、入力デジ
タルデータに従って、スイッチトキャパシタ型D/A変
換器が出力できる電圧範囲を規定する条件の一つであ
る。出力容量Ccの容量値は、入力容量の総和と本出力
容量の比が、希望のスイッチトキャパシタ型D/A変換
器の出力変化範囲を実現できるようにレベル電圧V1、
V2(V1>V2)とともに決定する。出力容量の容量
値は、単位容量Cuを用い、Cc=(x×Cu)と表
す。基準電圧Vrは、出力容量Ccと入力容量C0〜C
nの総和の容量値比によって決まる増幅度に従って増幅
されて出力されるので、出力電圧の基準を定める電圧で
ある。外部駆動電圧Vexは、従来技術には存在しない
電圧で、オフセットキャンセル動作を行う前に、演算増
幅器A1の出力に印加する事で、演算増幅器A1を強制
的・高速に動作させるための電圧である。スイッチトキ
ャパシタ型D/A変換器の動作を切り替えるスイッチの
内、SW6が本外部駆動電圧Vexの接続を制御する。
る。
ャートを示す。
出力電圧を発生している。本初期状態では、SW1がL
に接続され、SW3、SW5、SW6はOFF、SW
2、SW4はON状態である。また、入力デジタルデー
タに従い、S1〜Snはそれぞれレベル電圧V1又はV
2と入力容量C1〜Cnと接続している。
に式(1)で表される。
移行すると、SW1がL、SW2〜4がOFF、SW
5、SW6がONとなり、S1〜SnがLとなる。その
時、演算増幅器A1の出力に外部駆動電圧Vexが印加
され、入力容量C0〜Cnの演算増幅器A1の非反転入
力と接続されていない側に基準電圧Vrが印加される。
b点の電圧は、外部駆動電圧Vexが直接印加されてい
るのでVexとなる。一方、演算増幅器A1の反転入力
に接続しているa点の電圧Vaは、出力モードでの電圧
Vrから殆ど変動しない。また、b点つまり演算増幅器
A1の出力に外部駆動電圧Vexが印加されているた
め、演算増幅器A1の出力段に数100μA程度の電流
を流れるので、演算増幅器A1の内部状態は、演算増幅
器A1の持つスルーレートよりも早く変化する。よっ
て、本第一のリセットモードは非常に短時間(数10n
s)しか必要としない。
ットモードに移行すると、SW1がHとなり、SW3、
SW5がON、SW2、SW4、SW6がOFFとな
る。本状態において、スイッチトキャパシタ型D/A変
換器はボルテージフォロワを構成しており、a点とb点
は短絡している。a点には演算増幅器A1によりVr+
ΔVos(ΔVosは、A1のもつオフセット電圧)と
いう電圧が与えられる。従って、入力容量C0〜Cn及
び出力容量Ccのa点に接続されている端子には電圧V
r+ΔVosが与えられる。また、入力容量C0〜Cn
及び出力容量Ccの他端にはVrが印加される。
cには、式(2)で与えられる電荷が蓄積される。
一のリセットモードが終了した状態から、演算増幅器A
1のもつスルーレートに従って、a点の電圧がVr+Δ
Vosに安定するまでの期間である。第一のリセットモ
ードが終了した際の演算増幅器の内部状態によって第二
のリセットモードに必要な期間が異なる。第一のリセッ
トモードが終了した際に、演算増幅器A1の内部動作状
態が、第二のリセットモードでのボルテージフォロワで
Vrを出力する状態に近いほど、第二のリセットモード
で必要な期間を短縮することができる。よって、第一の
リセットモードで必要な外部駆動電圧Vexは、初期状
態の出力VoとVrとの差が最も大きい場合に、第二の
リセットモードの必要な期間が最も短くなるように設定
する。
に移行すると、SW1はL、SW2、SW4はON、S
W3、SW5、SW6はOFFとなり、S1〜Snはデ
ジタルデータにあわせてH又はLとなる。
と出力容量Ccには、a点の電圧をVaとすれば、式
(3)で与えられる電荷が蓄積される。演算増幅器A1
の非反転入力にはVrが印加されているため、Va=V
r+ΔVosとなる。
において電荷は保存されるから、(2)式と(3)式は
等しいとおけて、Va=Vr+ΔVosを代入し、Vo
について解くと、(1)式が導出される。
のオフセット電圧ΔVosにより影響を受けない、つま
り、オフセットキャンセル機能を持つスイッチトキャパ
シタ型D/A変換器を構成できる。
明する。
持っているだけであった。本発明の実施形態2として、
前記基準電圧Vrが前記スイッチトキャパシタ型D/A
変換器の出力電圧範囲の中央付近にあるような場合に
は、外部駆動電圧を2つ用意しておき、初期状態の出力
電圧Voが前記基準電圧Vrに比べ大きいか小さいかに
より外部駆動電圧を切り替えることにより、どちらの場
合にも第一のリセットモードと第二のリセットモードと
の期間の合計つまりリセット期間を短くすることが可能
となる。初期状態の出力電圧Voは(1)式によって表
されるので、この式を演算することにより出力電圧Vo
を算出することができる。
実現できる。図4に示すように、2つの基準電圧Vex
1とVex2(Vex>Vex2)と、それぞれの基準
電圧に対応した実施形態1のSW6に相当するスイッチ
SW6−1とSW6−2と、初期状態のデジタル入力デ
ータと式(1)よりVrに対する大小を演算して判定す
る演算器U1を用意しておく。演算器U1は、第1のリ
セットモードが開始したときに、Vo>Vrであれば、
SW6−1を閉じることにより基準電圧Vex1を選択
し、Vo<Vrであれば、SW6−2を閉じることによ
り、基準電圧Vex2を選択する。
説明する。
形態1の第一のリセットモードに必要な期間と第二のリ
セットモードに必要な期間の合計よりも、従来のように
第二のリセットモードでボルテージフォロワのみ実施し
た期間の方が短い場合がある。初期状態の出力電圧Vo
は、前記(1)式によって表されるので初期状態の入力
デジタルデータにより、初期状態の電圧Voが実施形態
1で実施される第一のリセットモードと第二のリセット
モードが必要とする期間の合計よりも、第二のリセット
モードでボルテージフォロワのみ実施した場合の期間が
短い場合には、第二のリセットモードのみを実施する。
それ以外の場合には、第一の実施形態に従い、第一のリ
セットモードと第二のリセットモードを実施する。本実
施形態に従えば、実施形態1で実施される第一のリセッ
トモードで必要な電流が削減され、実施形態1の長所を
損なうことなく、オフセットキャンセル機能を持つスイ
ッチトキャパシタ型D/A変換器を構成することができ
る。
説明する。
合わせた実施形態である。すなわち、初期状態の出力電
圧をVoとしたときに、Vo>Vr+α(α≧0)であ
れば、第一のリセットモードと第二のリセットモードで
動作し、外部駆動電圧としてはVex1を選択し、Vr
+α≧Vo≧Vr−β(β≧0)であれば、従来技術と
同様に、第二のリセットモードのみで動作し、Vo<V
r−βであれば、第一のリセットモードと第二のリセッ
トモードで動作し、外部駆動電圧としてはVex2を選
択する。αとβの値は、リセット期間がそれぞれの初期
状態の出力電圧Voにおいて最短となるように設定する
ことができる。本実施形態によれば、リセット期間を短
縮できる、更に、余分な電流の消費を抑えることもでき
る。
説明する。
施形態において、第二のリセットモードで動作する際
に、従来から実施している演算増幅器内に流れる電流を
増加することにより、演算増幅器の持つスルーレートを
高める。本実施形態に従えば、第一のリセットモードを
経ていることにより、従来の場合よりも第二のリセット
モードで駆動する必要があるレベルが小さいため、従来
と比べて、非常にリセット時間が短縮できる。
スイッチトキャパシタ型D/A変換器は、第一のリセッ
トモードで動作することなく、第二のリセットモードと
出力モードのみで動作していた。第二のリセットモード
が必要とする期間は、スイッチトキャパシタ型D/A変
換器の出力範囲と基準電圧Vrの大きさ、さらにスイッ
チトキャパシタ型D/A変換器に用いられる演算増幅器
の持つスルーレートによって決定されていた。
挿入した第一のリセットモードでスイッチトキャパシタ
型D/A変換器内の演算増幅器の内部状態を外部からの
電圧により変更させておき、その後第二のリセットモー
ドで演算増幅器をボルテージフォロワとして動作させる
ことにより、演算増幅器がボルテージフォロワとして駆
動する電圧が従来例に比べ小さくできるので、第二のリ
セットモードに必要な期間を短縮することができる。
点とb点の電圧の時間的変化を図3に示す。また、従来
例による図5に示す回路のa点とb点の電圧の時間依存
性を図7に示す。図3では、第一のリセットモードを数
10nsとることで、第二のリセットモードでのa点の
初期電圧は、図5に比べてVrに近い電圧となり、1〜
2μsで第二のリセットモードを終了することができ
る。従って、2つの出力モードの期間の間に必要なリセ
ット期間は従来と同程度または短くすることができる。
ード期間では、演算増幅器に通常動作時と異なる電流が
流れるが、第一のリセットモード期間の時間は数10n
s程度であるので、回路全体の消費電流はほとんど増加
すない。
ることにより本発明は実現できるため、演算増幅器内部
の回路を変更する必要がない。
成上はスイッチ1つが追加されているだけであり、本発
明のスイッチトキャパシタ型D/A変換器に必要な回路
面積は、従来例と比べてほとんど変わらない。なお、液
晶駆動回路内の全てのスイッチトキャパシタ型D/A変
換器が外部駆動電圧源を共有するので、これは1つだけ
あれば良く、これに回路面積はほとんど増加しない。
タ型D/A変換器の構成を示すブロック図である。
動作のタイミングチャートである。
点aと点bの電圧の時間的変化を示すグラフである。
タ型D/A変換器の構成を示すブロック図である。
換器の構成を示すブロック図である。
動作のタイミングチャートである。
点aと点bの電圧の時間的変化を示すグラフである。
イッチ C0,C1,Cn Cc 容量 U1 演算器
Claims (8)
- 【請求項1】 演算増幅器と、片端が前記演算増幅器の
反転入力端子に接続される入力コンデンサ群と、片端が
前記演算増幅器の前記反転入力端子に接続される出力コ
ンデンサと、第1の電圧源と、第2の電圧源と、前記演
算増幅器の非反転入力端子に接続される第3の電圧源
と、片端が前記第2の電圧源に接続される第1のスイッ
チと、前記入力コンデンサ群を前記第1の電圧源又は第
1のスイッチの他端に接続する第2のスイッチ群と、前
記第1のスイッチの他端と前記非反転入力端子とを接続
する第3のスイッチと、前記出力コンデンサの他端を前
記非反転入力端子又は前記演算増幅器の出力端子に接続
する第4のスイッチと、前記反転入力端子と前記演算増
幅器の出力端子とを接続する第5のスイッチと、前記演
算増幅器の出力端子と最終出力端子とを接続する第6の
スイッチとを備えるスイッチトキャパシタ型D/A変換
器において、 第4の電圧源と、該第4の電圧源と前記演算増幅器の出
力端子とを接続する第7のスイッチとを更に備えること
を特徴とするスイッチトキャパシタ型D/A変換器。 - 【請求項2】 請求項1に記載のスイッチトキャパシタ
型D/A変換器において、前記第1から第6のスイッチ
は、出力モードとリセットモードに応じて、接続が切り
換わり、前記第7のスイッチはリセットモードの初期に
おいて接続されることを特徴とするスイッチトキャパシ
タ型D/A変換器。 - 【請求項3】 請求項2に記載のスイッチトキャパシタ
型D/A変換器において、前記第5のスイッチは前記リ
セットモードの初期において切断されることを特徴とす
るスイッチトキャパシタ型D/A変換器。 - 【請求項4】 請求項2に記載のスイッチトキャパシタ
型D/A変換器において、出力電圧を検出する検出手段
と、前記検出された出力電圧により前記第7のスイッチ
をリセットモードの初期において接続しない手段とを更
に備えることを特徴とするスイッチトキャパシタ型D/
A変換器。 - 【請求項5】 請求項4に記載のスイッチトキャパシタ
型D/A変換器において、前記検出手段は、入力のディ
ジタル値により前記出力電圧を検出することを特徴とす
るスイッチトキャパシタ型D/A変換器。 - 【請求項6】 請求項1に記載のスイッチトキャパシタ
型D/A変換器において、前記第4の電圧源と前記第7
のスイッチとは複数組あり、出力電圧を検出する検出手
段と、前記検出された出力電圧により前記組を切り換え
る手段とを更に備えることを特徴とするスイッチトキャ
パシタ型D/A変換器。 - 【請求項7】 請求項6に記載のスイッチトキャパシタ
型D/A変換器において、前記検出手段は、入力のディ
ジタル値により前記出力電圧を検出することを特徴とす
るスイッチトキャパシタ型D/A変換器。 - 【請求項8】 請求項1乃至7の何れか1項に記載のス
イッチトキャパシタ型D/A変換器を備えることを特徴
とするディスプレイ駆動回路。
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