JP4116001B2 - レベルシフタ回路及びそれを用いた表示素子駆動回路 - Google Patents

レベルシフタ回路及びそれを用いた表示素子駆動回路 Download PDF

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Description

本発明は、レベルシフタ回路に関するものであり、特に、TFT−LCDソースドライバ回路において、異なる電源電圧の回路間でデジタル信号を伝送する際に必要となる、C−MOS構成のサンプリング回路を備えたレベルシフタ回路に関するものである。
TFT−LCDソースドライバ回路においては、3V程度の電源電圧で動作する論理回路で表示用の信号をデジタル処理し、その信号を、液晶パネルを駆動するために必要な10V程度の電圧に変換して液晶パネルを駆動する方法が一般的である。
図8にTFT−LCDモジュールの構成例を示す。当該TFT−LCDモジュールは、液晶パネル101を、コントロール回路102による制御で複数のゲートドライバ回路103…及び複数のソースドライバ104回路…により駆動する構成である。
図9に上記ソースドライバ回路104の構成を示す。各ソースドライバ回路104は、コントロール回路102側から液晶パネル101側へ向かって順に、シフトレジスタ104a…、サンプリングラッチ回路104b…、ホールドラッチ回路104c…、レベルシフタ回路104d…、DAコンバータ回路104e…、及び、出力アンプ104f…を備えている。
また、図10に、TFT−LCDソースドライバ回路104の1出力端子当たりの構成例を示す。図10では、表示データが6ビットである場合を例に説明している。サンプリングラッチ回路104b、ホールドラッチ回路104c、及び、レベルシフタ回路104dはそれぞれ、1ビット当たりに1つのサンプリングラッチ回路、ホールドラッチ回路、及び、レベルシフタ回路を備えている。
図示されていないが、シフトレジスタ104a内を転送されるスタートパルス信号により表示データの各ビットがサンプリングラッチ回路104bによりサンプリングされ、ホールドラッチ回路104cにおいて、図示されていないがラッチ信号(水平同期信号)により各6ビットがラッチされる。そして、レベルシフタ回路104dにより信号レベルが変換された後、DAコンバータ回路104eにおいて、表示データ(ここでは6ビット)に応じた階調表示用電圧が選択され、出力アンプ104f(図10ではボルテージフォロワ回路)により低インピーダンス化され、液晶パネル101に出力されるものである。
図10において、通常は、シフトレジスタ104a、サンプリングラッチ回路104b、及び、ホールドラッチ回路104cが、3V程度の電源電圧で動作する論理回路であり、DAコンバータ回路104e及び出力アンプ104fが、10V程度の電源電圧で動作するアナログ回路である。論理回路とアナログ回路との間には、3Vの論理信号を10Vの論理信号に変換するレベルシフタ回路104dが必要となっている。
次に、レベルシフタ回路の第1の従来例を図4に示す(例えば、特許文献1参照)。図4のレベルシフタ回路111は、Pチャネル型のMOSトランジスタMP111・MP112・MP113・MP114、Nチャネル型のMOSトランジスタMN111・MN112、及び、インバータ112を備えている。MOSトランジスタMP111のソースは10V電源に接続され、ドレインはMOSトランジスタMP113のソースに接続されている。MOSトランジスタMP111のゲートはMOSトランジスタ114とMOSトランジスタMN112との接続点bに接続されている。
MOSトランジスタMP113のドレインはMOSトランジスタMN111のドレインに接続され、MOSトランジスタMN111のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタMP113・MN111の両方のゲートは、レベルシフタ回路111の入力端子INに接続されている。
MOSトランジスタMP112のソースは10V電源に接続され、ドレインはMOSトランジスタMP114のソースに接続されている。MOSトランジスタMP112のゲートはMOSトランジスタ113とMOSトランジスタMN111との接続点aに接続されている。
MOSトランジスタMP114のドレインはMOSトランジスタMN112のドレインに接続され、MOSトランジスタMN112のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタMP114・MN112の両方のゲートは、インバータ112を介してレベルシフタ回路111の入力端子INに接続されている。
そして、MOSトランジスタMP112のゲート、及び、MOSトランジスタMP113とMOSトランジスタMN111との接続点が、レベルシフタ回路111の出力端子OUTとなっている。
上記レベルシフタ回路111では、入力端子INに例えば3V〜5Vといった小さい振幅の電圧が入力されると、出力端子OUTから振幅が10Vの電圧が出力される。入力端子INにローレベルが入力されるとき、MOSトランジスタMP111・MP113・MN112はON、MOSトランジスタMP112・MP114・MN111はOFFとなり、出力端子OUTからは10Vの電圧が出力される。
また、図4の回路構成をTFT−LCDソースドライバ回路に適用した例を図5に示す。当該TFT−LCDソースドライバ回路121は、サンプリングラッチ回路122、ホールドラッチ回路123、レベルシフタ回路111、及び、出力バッファ回路125を備えている。
サンプリングラッチ回路122は、トライステートインバータ122a・122b及びインバータ122cからなる。トライステートインバータ122aのクロック信号・クロック反転信号にはサンプリング信号SMP・サンプリング信号SMPの反転信号が用いられ、トライステートインバータ122bのクロック信号・クロック反転信号にはサンプリング信号SMPの反転信号・サンプリング信号SMPが用いられる。トライステートバッファ122aの出力はインバータ122cに入力され、インバータ122cの出力は、ホールドラッチ回路123に入力されるとともに、トライステートインバータ122bに入力され、トライステートインバータ122bの出力はインバータ122cに入力される。
ホールドラッチ回路123は、トライステートインバータ123a・123b及びインバータ123cからなる。トライステートインバータ123aのクロック信号・クロック反転信号にはストローブ信号SRT・ストローブ信号SRTの反転信号が用いられ、トライステートインバータ123bのクロック信号・クロック反転信号にはストローブ信号STRの反転信号・ストローブ信号STRが用いられる。トライステートバッファ123aの出力はインバータ123cに入力され、インバータ123cの出力は、インバータ124を介してレベルシフタ回路111に入力されるとともに、トライステートインバータ123bに入力され、トライステートインバータ123bの出力はインバータ123cに入力される。
レベルシフタ回路111は前述の動作を行い、その出力は出力バッファ回路125に入力される。出力バッファ回路125はインバータ126とインバータ127との縦続接続段からなる。インバータ126はPチャネル型のMOSトランジスタMP126及びNチャネル型のMOSトランジスタMN126からなるCMOSインバータである。MOSトランジスタMP126・MN126のゲートにはレベルシフタ回路111の出力が入力される。インバータ126の出力は出力信号/OUT(/はバーを表す。以下、同様。)として出力されるとともに、インバータ127に入力される。インバータ127はPチャネル型のMOSトランジスタMP127及びNチャネル型のMOSトランジスタMN127からなるCMOSインバータである。MOSトランジスタMP127・MN127のゲートにはインバータ127の出力が入力される。インバータ127の出力は出力信号OUTとして次の回路へ向けて出力される。
上記TFT−LCDソースドライバ回路121では、サンプリングラッチ回路122、ホールドラッチ回路123、及び、インバータ124・112が3V系のロジック回路を構成しており、レベルシフタ回路111のインバータ112以外、及び、出力バッファ回路125が10V系の中耐圧回路を構成している。
次に、レベルシフタ回路の第2の従来例として、プリチャージ方式を採用した、ダイナミックサンプリング回路を使用する構成のものがある。図6に、メモリのアドレスデコーダで多用されるダイナミックデコード回路131を示す。この回路をレベルシフタ回路として応用することができる。ダイナミックデコード回路131は、Pチャネル型のMOSトランジスタMP131、Nチャネル型のMOSトランジスタMN131、Nチャネル型のMOSトランジスタMN132(0)〜MN132(n−1)、及び、負荷容量C131を備えている。
MOSトランジスタMP131のソースは高電位側電源に接続され、ドレインはMOSトランジスタMN131のドレインに接続されている。MOSトランジスタMN131のソースは、MOSトランジスタMN132(n−1)のドレインに接続されている。MOSトランジスタMN132(0)〜MN132(n−1)は、GNDからMOSトランジスタMN131のソースへ向かって順に直列に接続されている。MOSトランジスタMP131・MN131のゲートにはプリチャージ信号/PREが入力され、MOSトランジスタMN132(0)〜MN132(n−1)のゲートには、順に、データD(0)〜D(n−1)が入力される。負荷容量C131はMOSトランジスタMP131とMOSトランジスタMN131との接続点から出力端子OUTへ延びる配線につながる容量であり、当該配線の寄生容量や、当該配線に接続される素子の寄生容量などの、回路の寄生容量をも含む。
上記ダイナミックデコード回路131をレベルシフタ回路として応用した技術を、例えば特許文献2に見ることができる。図7にその回路図を示す。図7のレベルシフタ回路141は、Pチャネル型のMOSトランジスタMP141・MP142、Nチャネル型のMOSトランジスタMN141・MN142・MN143・MN144、及び、負荷容量C1・C2を備えている。
MOSトランジスタMP141のソースは10V電源に接続され、ドレインはMOSトランジスタMN143のドレインに接続されている。MOSトランジスタMN143のソースはMOSトランジスタ142のドレインに接続され、MOSトランジスタ142のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタMN141は、入力端子INとMOSトランジスタMN142のゲートとの間に接続されている。MOSトランジスタMN142のゲートとMOSトランジスタMN141との間の配線には負荷容量C141が接続されている。負荷容量C141は当該配線の寄生容量をも含む。
MOSトランジスタMP141のソースは10V電源に接続され、ドレインはMOSトランジスタMN144のドレインに接続されている。MOSトランジスタMN144のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタMP141とMOSトランジスタMN143との接続点と、MOSトランジスタMP142・MN144のゲートとは互いに接続され、負荷容量C142は、それらを結ぶ配線につながる容量である。負荷容量C142は当該配線の寄生容量や、当該配線に接続される素子の寄生容量などの、回路の寄生容量をも含む。
MOSトランジスタMP142とMOSトランジスタ144との接続点は、出力端子OUTとなっている。入力端子INには例えば3V振幅の電圧が入力される。MOSトランジスタMP141及びMOSトランジスタMN143のゲートにはサンプリングパルス信号SMPが入力される。MOSトランジスタMN141のゲートにはサンプリングパルス信号SMPの反転信号XSMPが入力される。
次に、図7に示したレベルシフタ回路141の基本動作について説明する。サンプリングパルス信号SMPがLowレベルのとき、プリチャージ用のMOSトランジスタMP141がオンし、反転信号XSMPはHighレベル(10V)となるため、MOSトランジスタMN141もONとなる。一方、MOSトランジスタMN143はOFFとなる。このため、10V電源からMOSトランジスタMP141を通して負荷容量C142が充電され、電源電圧10Vにプリチャージされる。またMOSトランジスタMN141がONとなるため、負荷容量C141には、入力信号IN(0V−3V)の電位が、その端子電圧として印加されてチャージされる。
次に、サンプリングパルス信号SMPがHighレベルとなると(このとき、反転信号XSMPはLowレベル)、MOSトランジスタMN141はOFFとされ、負荷容量C141は入力端子INと電気的に切り離される。また、評価用のMOSトランジスタMN143がONとなり、プリチャージ用のMOSトランジスタMP141がOFFとなり、負荷容量C142は、MOSトランジスタMN143・MN142を介して、GNDに接続される。
このとき、負荷容量C141に保持されている、入力信号の電位(0Vまたは3V)に応じて、10Vにプリチャージされている負荷容量C2の端子電圧がそのまま保持されるか、又は、0Vに放電される。すなわち、負荷容量C141の端子電圧が3Vの場合には、負荷容量C141の端子電圧をゲートに受けるMOSトランジスタMN142がONとなり、負荷容量C142の蓄積電荷は放電され、負荷容量C142の端子電圧はGND電位となる。従って、0Vのゲート電位を受けるMOSトランジスタMP142がONとなり、MOSトランジスタMN144はOFFとなり、出力端子OUTはHighレベル(10V)となる。なお、負荷容量C142の蓄積電荷が放電される過程で、その端子電圧が、10VからMOSトランジスタMP142のしきい値電圧分下がった時点で、MOSトランジスタMP142がONとなり、出力端子OUTの信号電圧は立ち上がりを開始する。
一方、負荷容量C141の端子電圧が0Vの場合、MOSトランジスタMN142はOFFとなり、負荷容量C142の蓄積電荷は保持され、負荷容量C142の端子電圧は10Vとされ、10Vのゲート電位を受けるMOSトランジスタMP142はOFFとなり、MOSトランジスタMN144がオンし、出力端子OUTの信号電圧は0Vとなる。これにより、入力端子INの入力信号電位に応じて、出力端子OUTから10Vまたは0Vの信号が得られる。なお、負荷容量C142の蓄積電荷がプリチャージされる過程で、その端子電圧が、MOSトランジスタMN144のしきい値電圧を上回った時点で、MOSトランジスタMN144がONとなり、出力端子OUTの信号電圧は立ち下がる。
特開平4−284021号公報(1992(平成4)年10月8日公開) 特開2003−115758号公報(2003(平成15)年4月18日公開)
上記第1の従来例のレベルシフタ回路111では、入力端子INの電圧がローレベルからハイレベルに変化すると、上記MOSトランジスタのON・OFF状態が入れ替わろうとする。ここで、チャネルが抵抗として機能するMOSトランジスタMP113を挿入することにより、MOSトランジスタMP113とMOSトランジスタMN111との接続点aの電位が高くなることが抑えられ、ONとなる必要のあるMOSトランジスタMP112がOFFとなってしまったり、OFFからONに変化するのが遅延してしまったりすることを避けるようにしている。同様に、MOSトランジスタMP114もチャネルが抵抗として機能するように設けられたものである。
この第1の従来例では、図4に示したレベルシフタ回路を使用しているが、この回路は、電気的に正常な動作特性を得るために、抵抗として挿入されているMOSトランジスタMP113とMP114とにゲート長の大きいMOSトランジスタを使用する必要があり、また、ゲート信号の振幅が小さい(3V〜5Vの電圧レベル)MOSトランジスタMN111とMN112とには、十分低いオン抵抗を実現するためにゲート幅の大きいMOSトランジスタを使用する必要がある。これらのMOSトランジスタは、いずれも高い動作電圧に耐えられるように設計された素子サイズの大きなトランジスタであり、そのゲート長やゲート幅を大きく設計することは、回路の面積を著しく増大させることになり、LSI化した場合のチップサイズを増大させる。
また、図7に示した第2の従来例では、ダイナミックなサンプリング回路が使用されており、いわゆるダイナミックサンプリング型レベルシフタ回路が構成されている。この回路において、サンプリングパルス信号SMPは、プリチャージ期間においては、MOSトランジスタMN143をOFFとする電位であるGND電位まで下がる必要があり、また、データサンプリング期間においては、MOSトランジスタMP141をOFFとする電位である電源電位まで上がる必要がある。従って、サンプリングパルス信号SMPは、電源電位とGND電位との間で全振幅する必要がある。このサンプリングパルス信号の電位変化は、ゲートフィードスルーと呼ばれる現象により、MOSトランジスタMP141・MN143のゲートとドレインとの間に存在する寄生容量を通して、出力信号の電位を変動させる。負荷容量C142を小さくすると、フィードスルーによる出力電位の変動は大きくなり、信号の保持が困難となってくるため、負荷容量C142を小さくするには限界がある。
さらに、第2の従来例においては、データ信号(入力信号)と制御信号(サンプリングパルス信号)との組み合わせ論理回路を、MOSトランジスタMN142とMN143との2つのMOSトランジスタの縦積み回路で実現している。これらのMOSトランジスタには、いずれも高い動作電圧に耐えられるように設計された、素子サイズの大きなトランジスタが必要になる。従って、第2の従来例においては、信号保持に必要な負荷容量の確保と、耐圧の高い素子の数が多くなる点とから、回路面積の増大、LSI化した場合のチップサイズの増大が生じる。
例えば、表示素子駆動回路の1つである液晶駆動回路としてのソースドライバにこれらレベルシフタ回路を使用すると、1出力毎に表示データのビット数に相当する数のレベルシフタ回路を配置することになることからLSIチップ面積の増大に繋がってしまう。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路規模の小さなレベルシフタ回路及びそれを用いた表示素子駆動回路を実現することにある。
本発明のレベルシフタ回路は、上記課題を解決するために、ソースがGND電位よりも高い第1の電位の電源に接続されたPチャネル型の第1のMOSトランジスタと、ソースがGNDに接続されたNチャネル型の第2のMOSトランジスタとを備え、前記第1のMOSトランジスタのドレインと前記第2のMOSトランジスタのドレインとは互いに接続され、前記第2のMOSトランジスタのゲートにレベルシフトされる入力信号に応じたゲート信号が入力され、前記ドレインどうしの接続点に接続された負荷容量に対して、前記第1の電位とGND電位とにより充放電を行うことにより、前記入力信号のレベルシフトを行うレベルシフタ回路であって、前記第1のMOSトランジスタのゲートにゲート信号となる第1の制御信号が入力され、前記第2のMOSトランジスタのゲートにゲート信号となる第2の制御信号が入力され、前記第1の制御信号は、前記第1の電位と前記第1の電位よりも低い第2の電位とからなる2値の信号であり、前記第2の制御信号はGND電位と前記GND電位よりも高い第3の電位とからなる2値の信号であり、前記第1の制御信号に前記第2の電位が与えられ、前記第2の制御信号に前記GND電位が与えられたときに、前記負荷容量は前記第1の電位まで充電され、前第2の制御信号前記第3の電位が与えられ、前記第1の制御信号に前記第1の電位が与えられたときに前記負荷容量GND電位まで放電され、前記第1の制御信号と前記第2の制御信号とは、前記第1のMOSトランジスタと前記第2のMOSトランジスタとが同時にONとならないように制御されることを特徴としている。
上記の発明によれば、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタとに共通する制御信号を持たない。従って、制御信号の変化時に第1の電位の電源とGNDとの間で同時に各MOSトランジスタがONとなって貫通電流を生じる回路を持たない。
第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタとが同時にONとなる過渡状態が無いため、各々のMOSトランジスタのサイズを独立して設計することができ、従来のレベルシフタ回路に必要となる大きなゲート長や大きなゲート幅の素子を使用する必要が無い。また、上記レベルシフタ回路は、高い耐圧を必要とするが故に1素子あたりの面積が大きくなっているMOSトランジスタとして、Pチャネル型のMOSトランジスタ1つとNチャネル型のMOSトランジスタ1つとの計2つの素子だけでレベルシフト動作とサンプリング動作とを行うことができる。従って、レベルシフタ回路に対して、回路の面積を削減し、LSI化したときのチップサイズを小さくすることができる。
以上により、回路規模の小さなレベルシフタ回路を実現することができるという効果を奏する。
また、上記レベルシフタ回路は、貫通電流が発生することが無く、低消費電力の回路を構成することができるという効果を奏する。
本発明のレベルシフタ回路は、上記課題を解決するために、前記第2の電位及び前記第3の電位は、いずれも前記第1の電位とGND電位との間の電位であることを特徴としている。
上記の発明によれば、第2の電位及び第3の電位を、いずれも第1の電位とGND電位との間の電位とすると、第1の制御信号及び第2の制御信号の振幅は小さくなる。従って、MOSトランジスタのゲートとドレインとの間の寄生容量が原因となって生じるフィードスルーの影響が少ない、安定したサンプリングを実現することができるという効果を奏する。
また、フィードスルーが小さいので、サンプリングに必要な容量は小さなもので十分となり、回路規模をさらに小さくすることができるという効果を奏する。
本発明のレベルシフタ回路は、上記課題を解決するために、前記負荷容量は回路の寄生容量からなることを特徴としている。
上記の発明によれば、負荷容量が、配線の寄生容量やMOSトランジスタのゲート容量などの回路の寄生容量からなり、容量を別途付加しないので、回路規模をさらに小さくすることができる。
本発明のレベルシフタ回路は、上記課題を解決するために、前記負荷容量は、前記第1及び第2のMOSトランジスタの次段のMOSトランジスタのゲート容量であることを特徴としている。
上記の発明によれば、次段のMOSトランジスタのゲート容量のみをサンプリング用の容量とすることにより、配線を長くする必要がなくなり、回路規模を非常に小さくすることができるという効果を奏する。
本発明のレベルシフタ回路は、上記課題を解決するために、前記第2の制御信号は、2値のデータ信号と2値の第3の制御信号とを入力とする組み合わせ論理回路によって生成されることを特徴としている。
上記の発明によれば、第2の制御信号を、組み合わせ論理回路の電源電位を用いた小振幅の信号とすることができるという効果を奏する。
本発明のレベルシフタ回路は、上記課題を解決するために、前記データ信号及び前記第3の制御信号は、前記第3の電位とGND電位との2値からなることを特徴としている。
上記の発明によれば、データ信号及び第3の制御信号を、組み合わせ論理回路と同じ電源系の回路で生成することができるという効果を奏する。
本発明の表示素子駆動回路は、上記課題を解決するために、前記レベルシフタ回路を、表示素子に供給する表示データのレベルシフトに用いたことを特徴としている。
上記の発明によれば、回路規模が小さく低消費電力の表示素子駆動回路を実現することができるという効果を奏する。
本発明のレベルシフタ回路は、以上のように、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタとを備え、前記第1のMOSトランジスタのドレインと前記第2のMOSトランジスタのドレインとは互いに接続され、前記第2のMOSトランジスタのゲートにレベルシフトされる入力信号に応じたゲート信号が入力され、前記ドレインどうしの接続点に接続された、回路の寄生容量からなる負荷容量に対して、前記第1の電位とGND電位とにより充放電を行うことにより、前記入力信号のレベルシフトを行うレベルシフタ回路であって、前記第1のMOSトランジスタのゲートにゲート信号となる第1の制御信号が入力され、前記第2のMOSトランジスタのゲートにゲート信号となる第2の制御信号が入力され、前記第1の制御信号は、前記第1の電位と前記第1の電位よりも低い第2の電位とからなる2値の信号であり、前記第2の制御信号はGND電位と前記GND電位よりも高い第3の電位とからなる2値の信号であり、前記第1の制御信号に前記第2の電位が与えられ、前記第2の制御信号に前記GND電位が与えられたときに、前記負荷容量は前記第1の電位まで充電され、前第2の制御信号前記第3の電位が与えられ、前記第1の制御信号に前記第1の電位が与えられたときに前記負荷容量GND電位まで放電され、前記第1の制御信号と前記第2の制御信号とは、前記第1のMOSトランジスタと前記第2のMOSトランジスタとが同時にONとならないように制御される
以上により、回路規模の小さなレベルシフタ回路を実現することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態について図1ないし図3に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図1に、本実施の形態に係るダイナミックサンプリング型レベルシフタ回路(以下、レベルシフタ回路と称する)1の構成を示す。
レベルシフタ回路1は、Pチャネル型のMOSトランジスタMP1・MP2、Nチャネル型のMOSトランジスタMN1・MN2、及び、NOR回路2を備えている。
MOSトランジスタ(第1のMOSトランジスタ)MP1のソースはGND電位よりも高い第1の電位の電源に接続され、MOSトランジスタ(第2のMOSトランジスタ)MN1のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタMP1のドレインとMOSトランジスタMN1のドレインとは互いに接続され、接続点Kが形成されている。MOSトランジスタMP1のゲートにはゲート信号として制御信号(第1の制御信号)CTL1が入力され、MOSトランジスタMN1のゲートにはゲート信号として制御信号(第2の制御信号)CTL2が入力される。
MOSトランジスタMP2のソースは第1の電位の電源に接続され、MOSトランジスタMN2のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタMP2のドレインとMOSトランジスタMN2のドレインとは互いに接続され、当該接続点から出力端子OUTが引き出されている。MOSトランジスタMP2・MN2のゲートは前記接続点Kに接続されている。
NOR回路2は2入力の組み合わせ論理回路であり、データ信号DATA及び制御信号(第3の制御信号)CTL3が入力される。そしてNOR回路2の出力信号は前記制御信号CTL2となる。
また、前記接続点KとMOSトランジスタMP2・MN2のゲートとを結ぶ配線には、負荷容量C1が接続されている。負荷容量C1は上記配線の寄生容量や、MOSトランジスタMP1・MN1の次段のMOSトランジスタMP2・MN2のゲート容量などから構成される、回路の寄生容量である。ここでは、負荷容量C1がMOSトランジスタMP2・MN2のゲート容量からなるものとする。このように、レベルシフタ回路1は、MOSトランジスタMP1・MN1を用いて負荷容量C1で第1の電位及びGND電位のサンプリングを行うC−MOS構成のサンプリング回路を備えている。
上記レベルシフタ回路1では、NOR回路2から前段側は電源電圧の低いロジック回路であり、NOR回路2よりも後段側は電源電圧の高い中耐圧回路である。
制御信号CTL1は第1の電位とGND電位よりも高く第1の電位よりも低い第2の電位とからなる2値の信号である。また、制御信号CTL2・CTL3及びデータ信号DATAはGND電位よりも高く第1の電位よりも低い第3の電位とGND電位とからなる2値の信号である。
上記の構成のレベルシフタ回路1において、制御信号CTL3が”H”(すなわち第3の電位)のとき、データ信号DATAの値に関わらず、NOR回路2は”L”(すなわちGND電位)の制御信号CTL2を出力する。従ってこのときMOSトランジスタMN1はOFFであり、このときに制御信号CTL1が”L”(すなわち第2の電位)になるとMOSトランジスタMP1がONとなり、負荷容量C1が”H”(すなわち第1の電位)となるように充電される。負荷容量C1が”H”になると、MOSトランジスタMP2はOFFになるとともにMOSトランジスタMN2はONとなり、出力端子OUTからは”L”(すなわちGNDレベル)が出力される。
次に、制御信号CTL1を”H”(すなわち第1の電位)にするとMOSトランジスタMP1はOFFとなるので、このとき制御信号CL3を”L”(すなわちGND電位)にすると、NOR回路2はデータ信号DATAの反転信号を制御信号CTL2として出力する。データ信号DATAが”H”(すなわち第3の電位)のときは制御信号CTL2が”L”となるので、MOSトランジスタMN1はOFFとなる。従ってこのときは負荷容量C1は”H”を保持し、出力端子OUTからは”L”(すなわちGND電位)が出力される。一方、データ信号DATAが”L”(すなわちGND電位)のときは制御信号CTL2が”H”となるので、MOSトランジスタMN1はONとなる。従ってこのときは負荷容量C1は”L”(すなわちGND電位)となるように放電を行う。するとMOSトランジスタMP2はOFFになるととともにMOSトランジスタMN2はONとなり、出力端子OUTからは”H”(すなわち第1の電位)が出力される。
上記レベルシフタ回路1では、MOSトランジスタMP2・MN2のゲート容量からなる負荷容量C1で第1の電位あるいはGND電位をサンプリングすることによりレベルシフトを行っている。
次に、図2に、図1のレベルシフタ回路1をTFT−LCDソースドライバ回路(表示素子駆動回路)に応用した場合の構成を示す。なお、図2は図10のレベルシフタ回路104dの周辺に対応する部分のみを記載したものであり、シフトレジスタ回路やDAコンバータ回路、出力アンプなどは省略している。
図2において、TFT−LCDソースドライバ回路は、サンプリングラッチ回路3及びレベルシフタ回路4とを備えている。
サンプリングラッチ回路3は、トライステートインバータ3a・3b及びインバータ3cを備えている。トライステートインバータ3aには図10に示す表示データが入力され、その出力はインバータ3cに入力される。インバータ3cの出力は信号Aとしてレベルシフタ回路4に入力されるとともに、トライステートインバータ3bに入力される。トライステートインバータ3bの出力はインバータ3cに入力される。
トライステートインバータ3aのクロック信号・クロック反転信号には、サンプリング信号SMP・サンプリング信号SMPの反転信号が用いられる。トライステートインバータ3bのクロック信号・クロック反転信号には、ディスチャージ信号/DIS・ディスチャージ信号/DISの反転信号が用いられる。
レベルシフタ回路4は前記レベルシフタ回路1を変形させたものであり、Pチャネル型のMOSトランジスタMP1・MP3・MP4・MP5・MP6、Nチャネル型のMOSトランジスタMN1・MN3・MN4・MN5・MN6、及び、NOR回路2を備えている。レベルシフタ回路4には、負荷容量C1でサンプリングして得た出力信号を再度負荷容量C2でサンプリングし、次の回路に出力するためのサンプリング回路も備えている。
MOSトランジスタMP1・MN1及びNOR回路2の接続関係は図1の通りであるが、第1の電位の電源を10V電源とし、第1の制御信号をプリチャージ信号/PRE、第2の制御信号を信号B、第3の制御信号をディスチャージ信号/DIS、データ信号DATAを信号Aとする。また、負荷容量C1を、後述するMOSトランジスタMP3・MN3のゲート容量とする。
MOSトランジスタMP3のソースは10V電源に接続され、ドレインはMOSトランジスタMP4のソースに接続されている。MOSトランジスタMP4のドレインはMOSトランジスタMN4のドレインに接続されている。MOSトランジスタMN4のソースはMOSトランジスタMN3のドレインに接続されている。MOSトランジスタMN3のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタMP3及びMOSトランジスタMN3のゲートはMOSトランジスタMP1とMOSトランジスタMN1との接続点Kに接続されている。MOSトランジスタMP4のゲートにはゲート信号としてホールド信号HLDが入力され、MOSトランジスタMN4のゲートにはゲート信号としてホールド反転信号/HLDが入力される。また、MOSトランジスタMP4とMOSトランジスタMN4との接続点と、次段のMOSトランジスタMP5・MN5のゲートとを結ぶ配線には、負荷容量C2が接続されている。負荷容量C2は負荷容量C1と同様の寄生容量であり、ここではMOSトランジスタMP5・MN5のゲート容量からなるものとする。また、負荷容量C2の電圧からなる信号を信号Dとする。
MOSトランジスタMP5のソースは10V電源に接続され、ドレインはMOSトランジスタMN5のドレインに接続されている。MOSトランジスタMN5のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタMP5とMOSトランジスタMN5との接続点は出力端子OUTに接続されているとともに、次段のMOSトランジスタMP6・MN6のゲートに接続されている。
MOSトランジスタMP6のソースは10V電源に接続され、ドレインはMOSトランジスタMN6のドレインに接続されている。MOSトランジスタMN6のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタMP6とMOSトランジスタMN6との接続点は反転出力端子/OUTに接続されている。
出力端子OUT及び反転出力端子/OUTは次の回路に接続される。
図2では、NOR回路2から前段側がロジック回路であり、NOR回路2よりも後段側が中耐圧回路である。
次に、図3に、図2の回路のタイミングチャートを示す。以後、図2および、図3を用いて、レベルシフタ回路4の動作を詳細に説明する。
図2において、プリチャージ信号/PREは、Pチャネル型のMOSトランジスタがOFFとなる電位である10V(ここでは液晶パネルへの最大駆動電圧を10Vとする例で説明する。)を”H”レベルとし、Pチャネル型のMOSトランジスタがONとなる電位(ONとなる電圧以下であれば良い。ここでは例えば、7Vとする。)を”L”レベルとする2値の制御信号であり、ディスチャージ信号/DISは、ロジック電源電位(例えば3V)を”H”レベルとし、GND電位を”L”レベルとする2値の制御信号である。
同様にして、ホールド信号HLDは、Pチャネル型のMOSトランジスタがOFFとなる電位である10Vを”H”レベルとし、Pチャネル型のMOSトランジスタがONとなる電位(例えば、7V)を”L”レベルとする2値の制御信号であり、ホールド反転信号/HLDは、Nチャネル型のMOSトランジスタがONとなる電位(例えば、3V)を”H”レベルとし、GND電位を”L”レベルとする2値の制御信号である。また、信号AおよびBは、ロジック電源で動作する論理回路の出力信号であり、ロジック電源電位(例えば3V)を”H”レベルとし、GND電位を”L”レベルとする2値の論理信号である。
図2の回路の動作を、図3のタイミングチャートを用いて詳細に説明する。最初に、ホールド信号HLDが”H”、ホールド反転信号/HLDが”L”となることで、信号Dのレベルはどこからも駆動されないフローティング状態となり、負荷容量C2に蓄積された電荷によってそれまでの信号電位を保持する。次に、プリチャージ信号/PREが”L”レベルとなることで、MOSトランジスタMP1がONとなって負荷容量C1を充電し、信号Cは電源電位の10Vまで上がる。続いて、プリチャージ信号/PREが”H”レベルに戻ると、MOSトランジスタMP1がOFFとなって信号Cのレベルはどこからも駆動されないフローティング状態となり、負荷容量C1に蓄積された電荷により、信号Cは10Vの電位をそのまま保持する。
次に、ディスチャージ信号/DISが”L”になる。このとき、信号Aが”L”であれば、信号Bは”H”レベルとなり、MOSトランジスタMN1がONとなって、負荷容量C1に蓄積された電荷は放電され、信号Cは”L”レベルに下がる。逆に、信号Aが”H”であれば、信号Bは”L”のままであるので、MOSトランジスタMN1はOFFのままであり、信号Cはそれまでの電位である10Vを保持する。
その後、ホールド信号HLDが”L”、ホールド反転信号/HLDが”H”となることで、信号Dには信号Cの反転信号が出力される。最後に、ディスチャージ信号/DISが”H”レベルになると、信号Bは信号Aの状態にかかわらず”L”レベルになり、信号Cはどこからも駆動されないフローティング状態となり、負荷容量C1に蓄積された電荷によってそれまでの信号電位を保持する。
以上のようにして、信号Aが”H”レベルの場合には、信号Cに10Vがサンプリングされ、信号Aが”L”レベルの場合には、信号CにGND電位がサンプリングされる。従って、出力信号には、3Vの論理回路の出力信号である信号Aをレベルシフトした結果として、10Vを”H”レベルとしGND電位を“L”レベルとする2値の信号が得られる。
本実施の形態に係るレベルシフタ回路では、サンプリング動作を制御する信号CTL1、CTL2、/PRE、HLD、/HLD、及び、ロジック電源で動作する信号Bのすべてが、Pチャネル型のMOSトランジスタ用とNチャネル型のMOSトランジスタ用とで互いに独立しており、Pチャネル型のMOSトランジスタとNチャネル型のMOSトランジスタとに共通する制御信号を持たない。従って、MOSトランジスタMP1・MN1のように、Pチャネル型のMOSトランジスタがONとなっている場合は、対応するNチャネル型のMOSトランジスタがOFFとなっており、逆に、Nチャネル型のMOSトランジスタがONとなっている場合は、対応するPチャネル型のMOSトランジスタがOFFとなっている。このように、本実施の形態に係るレベルシフタ回路は、制御信号の変化時に第1の電位の電源とGNDとの間で同時に各MOSトランジスタがONとなって貫通電流を生じる回路を持たない。
Pチャネル型のMOSトランジスタとNチャネル型のMOSトランジスタとが同時にONとなる過渡状態が無いため、各々のMOSトランジスタのサイズを独立して設計することができ、従来のレベルシフタ回路に必要となる大きなゲート長や大きなゲート幅の素子を使用する必要が無い。また、本実施の形態に係るレベルシフタ回路は、高い耐圧を必要とするが故に1素子あたりの面積が大きくなっているMOSトランジスタとして、Pチャネル型のMOSトランジスタ1つとNチャネル型のMOSトランジスタ1つとの計2つの素子だけでレベルシフト動作とサンプリング動作とを行うことができる。従って、レベルシフタ回路に対して、回路の面積を削減し、LSI化したときのチップサイズを小さくすることができる。
以上により、回路規模の小さいレベルシフタ回路を実現することができる。
また、本実施の形態に係るレベルシフタ回路では、上述のように制御信号がPチャネル型のMOSトランジスタ用とNチャネル型のMOSトランジスタ用とで互いに独立しているので、全ての制御信号は、各々のMOSトランジスタがON及びOFFとなるだけの振幅を持てば良い。従って、第1の電位とGND電位との間といったように電源電圧の範囲を全振幅する必要が無いため、第2の電位及び第3の電位を、いずれも第1の電位とGND電位との間の電位とすることができる。このように制御信号の振幅を小さくすることにより、MOSトランジスタのゲートとドレインとの間の寄生容量が原因となって生じるフィードスルーの影響が少ない、安定したサンプリングを実現することができる。以下に、このことについて説明する。
本実施の形態や第2の従来例(図7)のような回路はデジタル信号を扱うため、アナログ信号のサンプリング回路のようなサンプリング精度は必要ないが、微小な負荷容量でサンプリング電圧の保持を行うためには、フィールドスルーの影響は無視できない。第2の従来例が使用されるメモリ回路では、多数のメモリーセルが接続されるビット線の充放電を行うため、配線が長く、フィールドスルーの影響が無視できる寄生容量が発生する。しかしながら、本実施の形態が対象とするLCDドライバ回路では、図9や図10から分かるように、サンプリング回路は1表示データにつき1回路必要である。このため、第2の従来例の構成をそのままLCDドライバ回路に応用した場合、寄生容量のみではフィールドスルーの影響を大きく受けて保持電圧が変動してしまうため、これに対するデータの保証を行うために、負荷容量を付加する必要がある。この付加する負荷容量も各表示データに必要になるため、チップサイズへの影響は無視できなくなる。
前述のように、本実施の形態ではフィードスルーが小さいので、サンプリングに必要な負荷容量は小さなもので十分となり、例えば、配線の寄生容量や次段のゲート容量だけで十分実用的な動作を得ることが可能である。この場合、容量を別途付加しないので、回路規模をさらに小さくすることができる。特に、ゲート容量のみを負荷容量とすることにより、容量を別途付加しないので、回路規模を非常に小さくすることができる。ただし、負荷容量を別途容量を付加して構成したとしても、前述したように、大きなゲート長や大きなゲート幅の素子を使用する必要が無く、2つの高耐圧MOSトランジスタだけでレベルシフト動作とサンプリング動作とを行うことができるので、レベルシフタの回路規模を小さくする効果は得られる。
また、第2の制御信号及び信号Bは、2値のデータ信号と2値の第3の制御信号あるいはディスチャージ信号/DISとを入力とするNOR回路2によって生成されるので、第2の制御信号及び信号Bを、組み合わせ論理回路の電源電位を用いた小振幅の信号とすることができる。さらに、データ信号DATA、信号A、第3の制御信号、及び、ディスチャージ信号/DISを、第3の電位とGND電位との2値の信号としているので、これらの信号を、NOR回路2という組み合わせ論理回路と同じ電源系の回路で生成することができる。
また、図4に示した従来のレベルシフタ回路では、その入力信号が反転する際に、10V電源とGNDとの間で一時的に大きな電流が発生する。例えば、図4において、入力信号が反転してMOSトランジスタMN111がオンした直後は、MOSトランジスタMP111・MP113がまだONのままであり、MOSトランジスタMP111・MP113・MN111を通して、10V電源とGNDとの間に貫通電流が流れる。これは、回路の動作時の消費電流を増大させることになる。これに対して本実施の形態に係るレベルシフタ回路では、従来技術によるレベルシフタ回路のような貫通電流が発生することが無く、低消費電力の回路を構成することができる。
また、以上のようなレベルシフタ回路を、表示素子に供給する表示データのレベルシフトに用いるTFT−LCDなどの表示素子駆動回路は、回路規模が小さく、低消費電力のものとなる。
以上、本発明の実施の形態を、TFT−LCDソースドライバ回路に適用した場合について説明したが、本発明は、レベルシフタ回路として独立して使用することができるため、レベルシフタ回路が必要な全ての論理回路に対しても、全く同様に適用できる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、液晶表示素子などの表示素子を駆動する回路に好適に使用することができる。
本発明の実施形態を示すものであり、レベルシフタ回路の構成を示す回路図である。 図1のレベルシフタ回路を適用したTFT−LCDソースドライバ回路の構成の一部を示す回路図である。 図2のTFT−LCDソースドライバ回路の各信号を示すタイミングチャートである。 従来技術を示すものであり、レベルシフタ回路の第1の例の構成を示す回路図である。 図4のレベルシフタ回路を適用したTFT−LCDソースドライバ回路の構成の一部を示す回路図である。 ダイナミックデコード回路の構成を示す回路図である。 従来技術を示すものであり、図6のダイナミックデコード回路を応用した、レベルシフタ回路の第2の例の構成を示す回路図である。 TFT−LCDモジュールの構成を示すブロック図である。 図8のTFT−LCDモジュールに備えられるソースドライバ回路の構成を示すブロック図である。 図9のソースドライバ回路の各ソース信号線に対応するブロックの構成を示すブロック図である。
符号の説明
1 ダイナミックサンプリング型レベルシフタ回路(レベルシフタ回路)
2 NOR回路(組み合わせ論理回路)
4 ダイナミックサンプリング型レベルシフタ回路(レベルシフタ回路)
A 信号(データ信号)
B 信号(第2の制御信号)
CTL1 制御信号(第1の制御信号)
CTL2 制御信号(第2の制御信号)
CTL3 制御信号(第3の制御信号)
DATA データ信号
MP1 MOSトランジスタ(第1のMOSトランジスタ)
MN1 MOSトランジスタ(第2のMOSトランジスタ)
C1 負荷容量(寄生容量)
K 接続点
/PRE プリチャージ信号(第1の制御信号)
/DIS ディスチャージ信号(第3の制御信号)

Claims (7)

  1. ソースがGND電位よりも高い第1の電位の電源に接続されたPチャネル型の第1のMOSトランジスタと、ソースがGNDに接続されたNチャネル型の第2のMOSトランジスタとを備え、前記第1のMOSトランジスタのドレインと前記第2のMOSトランジスタのドレインとは互いに接続され、前記第2のMOSトランジスタのゲートにレベルシフトされる入力信号に応じたゲート信号が入力され、前記ドレインどうしの接続点に接続された負荷容量に対して、前記第1の電位とGND電位とにより充放電を行うことにより、前記入力信号のレベルシフトを行うレベルシフタ回路であって、
    前記第1のMOSトランジスタのゲートにゲート信号となる第1の制御信号が入力され、前記第2のMOSトランジスタのゲートにゲート信号となる第2の制御信号が入力され
    記第1の制御信号は、前記第1の電位と前記第1の電位よりも低い第2の電位とからなる2値の信号であり
    記第2の制御信号はGND電位と前記GND電位よりも高い第3の電位とからなる2値の信号であり、
    前記第1の制御信号に前記第2の電位が与えられ、前記第2の制御信号に前記GND電位が与えられたときに、前記負荷容量は前記第1の電位まで充電され、
    第2の制御信号前記第3の電位が与えられ、前記第1の制御信号に前記第1の電位が与えられたときに前記負荷容量GND電位まで放電され、
    前記第1の制御信号と前記第2の制御信号とは、前記第1のMOSトランジスタと前記第2のMOSトランジスタとが同時にONとならないように制御されることを特徴とするレベルシフタ回路。
  2. 前記第2の電位及び前記第3の電位は、いずれも前記第1の電位とGND電位との間の電位であることを特徴とする請求項1に記載のレベルシフタ回路。
  3. 前記負荷容量は回路の寄生容量からなることを特徴とする請求項2に記載のレベルシフタ回路。
  4. 前記負荷容量は、前記第1及び第2のMOSトランジスタの次段のMOSトランジスタのゲート容量であることを特徴とする請求項3に記載のレベルシフタ回路。
  5. 前記第2の制御信号は、2値のデータ信号と2値の第3の制御信号とを入力とする組み合わせ論理回路によって生成されることを特徴とする請求項1に記載のレベルシフタ回路。
  6. 前記データ信号及び前記第3の制御信号は、前記第3の電位とGND電位との2値からなることを特徴とする請求項5に記載のレベルシフタ回路。
  7. 請求項1ないし6いずれかに記載のレベルシフタ回路を、表示素子に供給する表示データのレベルシフトに用いたことを特徴とする表示素子駆動回路。
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