TW200841589A - Voltage-limiting device and operational amplifier and design method thereof - Google Patents

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Description

rW3352PA 200841589 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電壓限制裝置，且特別是有關於 一種可降低運算放大器（Operational Ampl if ier)中電晶 體之基板（Substrate)電流及其產生之不良效應之電壓限 制裝置。 【先前技術】 液晶顯示器係包括源極驅動器（Source Driver)、閘極 驅動(Gate Driver)及液晶顯示面板，其中液晶顯示面板 - · · 中具有晝素陣列，而源極驅動器用以提供畫素資料至晝素 陣列中，配合閘極驅動器依序開啟畫素陣列中對應之晝素 • . - - . ' · . - 列而顯示出欲顯示之影像。請參照第1圖，其繪示乃運算 放大器中電晶體之基板電流與其偏壓的曲線圖。傳統技術 多以運异放大器（Operational Amplifier)實現源極驅動器之 輸出緩衝器，部分之電晶體(Transistor)會因閘極(Gate)與 源極（Source)之偏壓及汲極(Drain)與源極之偏壓產生較大 之基板(Substrate)電流及熱載子(Hot Electrons)。
J ' _ . * ...-4为之熱載子會流向電晶體之閘極並困在閘極氧化 層（Gate Oxide)中，導致電晶體之臨界|壓（Thresh〇ld voltage)、飽和電流及特性隨著使用時間而改變，最終使其 產生誤動作(Malfunction)，使得傳統運算放大器與應用其 之源極驅動器更具有產品壽命較短之缺點。 車父尚之基板電流亦會提高傳統運算放大器與應用其 2008415： 89 圆· • 之源極驅動器之直流工作電流，進而使傳統運算放大器及 應用其之源極驅動器具有耗電量較高之缺點；而若將其應 用在手持式(Portable)產品上，更將導致手持式產品之續航 力較差之缺點。 較高之基板電流更可能導致基板電壓不斷提升而使 其中之寄生電晶體被順向導通’發生检鎖(Latchup)效應或 突返(Snapback)效應而造成更大之基板電流及熱電子，使 上述缺點更加地嚴重。 【發明内容】 本發明有關於一種電壓限制裝置及應用其之運算放_ 大器（Operational Amplifier)，可有效地改善傳統運算 放大益基板(Substrate)電流較局、熱載子（Hot Electrons)、拴鎖(Latchup)及突返（Snapback)等效應較 嚴重、傳統運算放大器壽命較短及耗電量較高之缺點，而 ▲ 實質上可降低上述因基板電流較高導致電路中之不良效 應，並可使應用其之運算放大器及類比電路具有壽命較 長、耗電量較低而應用其之手持式（Portab 1 e)裝置之續航 力較佳之優點。 板據本發明提出一種電壓限制裝置，應用於運算放大 - · ... - 器中’其包括第一電晶體，閘極（Gate)與源極（Source)之 跨壓接近特定電壓且汲極(Drain)與源極之跨壓不等於 零’而導致較大之基板(Substrate)電流。電壓限制裝置 包括第二電晶體，源極與第一電晶體之汲極耦接，閘極揍
W3352PA 200841589 __^迁/晒肌.a 收偏壓訊號使弟二電晶體操作於飽和區（Saturation Region)，並使第二電晶體之源極電壓等於偏壓訊號與第 二電晶體臨界電壓（Threshold Voltage)之差。如此，經 由降低第一電晶體之汲極與源極之跨壓，以降低基板電 流。 根據本發明提出一種運算放大器，其中包括輸入級電 路及輸出級電路。輸入級電路用以接收差動訊號，並據以 產生中間訊號。輸出級電路回應於中間訊號來產生輸出訊 • 號，輸出級電路包括第一及第二電晶體。第一電晶體之閘 極與源振之跨壓接近特定電壓且没極與源極之跨廢不等 於零，而導致較大之基板電流。第二電晶體之源極與第'一 電晶體之汲極耦接，閘極接收偏壓訊號使第二電晶體操作 於飽和區’亚使第二電晶體之源極電壓等於偏壓訊氮與第 二電晶體臨界電壓之差。如此，以經由低第一電晶體之波 極與源極之跨壓，以降低第一電晶體之基板電流。 泰 根據本發明提衝-種運算放大器之電路設計方法，包 • # T ^ ^ ^ ^ ^ AII ^ ^ It ώ t ^ ^ 其中具有第-1晶體。第-電晶體之閘極與源極之跨壓接 近-特定電壓，没極與源極之跨壓不等於零而產生基板電 流。設置第二電晶體於運算放大器中，第二電 f雜與第-電晶體之汲_接。錢，提供偏壓訊號至 第二電晶體之Μ極來偏壓第二電晶體於飽和區，並使第二 電晶體之源極電壓等於偏壓訊號與第二電晶體臨界電壓: 之差。如此’經由降低第—電晶體之沒極與源極之跨壓，
2008415 89rW3352PA ‘ 以降低第一電晶體之基板電流。 為讓本發明之上述内容能更明顯易懂，下文特舉一較 佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下·· 又 【實施方式】 1參照第2 ®，其繪示依照本發明第—實施例的運管 放大斋的電路圖。在本實施例中以運算放大器]〇為兩級 (Stage)轨對軌（Rail—t〇—rai 輸出輸入運算放大器 • (Operational Amplif° i〇 ^ 括輸入級電路及輸出級電路，輸人級電例⑯為軌“ 電路，其用以接收差動輸入訊號Vid+及yid-，並根據差 動輸入訊號vid+及vid-產生中間訊號Vcl〜Vc4。輪出級㊉ 路例如為軌對軌AB類輪出電路，甩以回應於中間訊號包 Vcl〜Vc4來提供輸出訊號v〇 〇 輸入、級％路包括輸入電晶體黯1與M02及M05與M06, _輸入電晶體_與_例如為/型金養半(Metal 〇咖6 Sen^iconductor ’ M0S)電晶體，輸入電晶體遍5與M〇6例 如為N型金養半電晶體。輸入電晶體腿與搬及輸入带 晶體-與_分別形成第一與第二差動輸入電路，其= 別於呈動輪入訊號叫+及Vid_之共模訊號大小接近電壓 VSS及VDD時對其進行差動放大之操作，以實現出執對軌 輸?路。電壓修及vss分別例如為運算放大器1〇之 最咼電壓位準及最低電壓位準。 輸入級電路例如更包括加總電路（Summing 200841589 。
一进顧7/几· iW3352PA ^ Circuit)12 及浮接電流源（floating Current
Source) 14。加總電路12回應於中間訊號Vcl〜Vc4來驅動 輸出級電路提供輸出訊號Vo，加總電路12例如包括電晶 體ΜΗ、M13、M15及M17。浮接電流源14例如用以提供偏 壓電流來驅動加總電路12之偏壓電路，其中例如包括電 晶體M21與M23，分別接收偏壓訊號Vxl與Vx2以提供對 應之偏壓電流。 輸出級電路例如包括電晶體M31及M32及AB類輸出 _ 電路控制單元16 ° 類輸出電路控制單元16例如與加總 電路12相互串疊（Cascode)，並受到浮接電流源14之驅 動來控制輸出電晶體M31及M32之操作以提供輸出訊號 V〇。AB類輸出電路控制單元16例如包括電晶體奶與 M24，其亦接收偏壓訊號Vxi與vx2。 本實施例之AB類輸出電路控制單元〗6例如更包括電 壓限定裝置L1及L2，其分別與電晶體M22與M24之汲極 義輕接，並分別用以控制電晶體M22與M24之汲極電壓，以 達到降低電晶體M22與M24產生之基板電流。接下來以電 晶體MP1之偏壓設計及其操作為例作說明。 在運算放大器10運作時電晶體M22偏壓在飽和區 (Saturation Region)，因此電晶體M22會有閘極與源極 之跨壓及没極與源極之跨壓不全為零之偏壓狀況。此時電 ^體』22產生基板(Substrate)電流，電晶體M22之基板 電流、閘極與源極之跨壓及汲極與源極之跨壓之關如第i 圖所示。電晶體M22之閘極與源極跨壓例如接近3伏特，
‘W3352PA 200841589 而没極與源極之跨壓例如接近14· 85伏特。由第1圖可 知’此時電晶體Μ22產生之基板電流接近丨.4〇χ1 (Γ5安培。 本實施例之電壓限制裝置L1例如具有電晶體MP1，其 之源極與電晶體M22之汲極耦接，閘極接收偏壓訊號VM， 汲極耦接至電晶體M17之汲極。偏壓訊號Vbl例如用以偏 麗％ b曰體MP1於飽和區，並使其之源極，亦即是電晶體Mg? 之汲極電壓實質上等於偏壓訊號Vbl與電晶體Μρι之臨界 電壓（Threshold Voltage)之差。 如此，可藉由提供不同位準之偏壓訊號VM來控制電 晶體M22之汲極電壓，以降低電晶體、22之汲極源極跨 壓。這樣一來，本實施例之電壓限制裝置u可有效地經 由控制電晶體M22之汲極電壓來達到降低其基板電流，驾 而改善電晶體M22可能因基板電流較高而造成之熱截子 aotnrono、拴鎖㈤灿响、及突返 效應車又為嚴重、運异放大器1〇之壽命較短及耗電量較高 之缺點。電壓限定裝置L2亦具有實質上相近之操作，^ 降低電晶體M24之汲極源極跨壓及其基板電流。 本實施例之運算放大器10更具有電壓限制裝㈣ =，其分別包括電晶體MP2及眶，其之源極分別與輪出 I M32 ^ ^ Yb： “也®限制裝置L 3及L4與電麼限制褒置L)亦且肩 操作，可有效地分別經由降低電晶體 壓，來祕其基板。魏—來，本實施 狀運异放大器1〇及電壓限制裝置L1〜u可有效地分別 11 200841589
_.jfc^/iwiayu ' iW3352PA 經由降低電晶體M22、M24、M31及M32之沒極電壓之手段 來分別達到降低其之基板電流之效果。 本實施例之運算放大器10更具有偏壓電路，其中包 括電晶體M03、M04、M07、M08，其接收不同之偏壓訊號 Vx3〜Vx6來對輸入電晶體M〇1、M〇2、m〇5、M〇6、加總電路 12進行偏壓。而本實施例之運算放大器1〇更具有電容ci 及C2，其係為米勒（組1 ler)電容。 請參照第3圖，其繪示依照本實施例之運算放大器之 ❿ 電路設計方法的流程圖。如步驟302，提供運算放大器10 具有輸出笔路’其中之電晶體M22、M24、M31及M32之閘 極與源極之跨壓接近特定電壓，汲極與源極之跨壓不等於 零以產生較大之基板電流。本實施例之運算放大器1〇之 製程技術對應之特定電壓為3伏特。接著，如步驟3〇4， 設置電晶體MP1、MN1、MP2及丽2於運算放大器1〇中， 其之源極分別與電晶體M22、M24、M31及M32之汲極耦接。 之後，如步驟306，分別提供偏塵訊號Vbl〜Vb4至電 • 晶體MPl·、MN1、MP2及】似之閘極，來偏壓其於飽和區。 如此，使得電晶體MP1、丽1、MP2友丽2之源極電壓，亦 即是電晶體M22、M24、M31及M32之没極電壓分別等於偏 壓訊號 Vbl-Vthl、Vb2-Vth2、Vb3-Vth3 及 Vb4-Vth4，藉 此來降低電晶體M22、M24、M31及M32之汲極與源極之跨 壓及其之基板電流。其中Vthl〜Vth4分別為電晶體MP1、 MN1、MP2及MN2之臨界電壓。 在本實施例中，雖僅以運算放大器1〇設置有四個電 12
W3352PA 200841589 壓限制農置L1~L4為例作說明，然，本實施例之運算放大 态10係不侷限於設置四個電壓控制裝置L1〜L4，而可僅設 置其中部分之電壓限制裝置來達到降低降低運算放大器 1〇之整體電流消耗之功效。 _在本實施例中雖僅以軌對軌運算放大器10中之電晶 體M22 M24、M31及M32之閘極與源極間之跨壓及汲極與 ^極之跨麗條件導致其產生較高基板電流之情形為例作 說明，然，本實施例之電壓限制裝置不侷限於應用在本實 施例之執對軌運算放大器！ Q中，而更可制在其他不同’ ίϊ之?算放大㈣至是舰電路+，來控制其中有基板 2過间問題之電晶體之没極電壓，以達到降低其之基板 h效果。例如’與本實施例之電壓控制裝置L3及丄4 〃有貝質上相近之結構之電壓控制裝置15及[6可應用於 t雙級運算放大器20中，以對其中之輪出電晶體騰 及M34之汲極電壓進行控制。 ^在本實施例中雖僅以電壓控制裝置L1〜L6應用於用運 开放大益10及20中之操作情形為例作說明，然，本實施 例之電壓控制裝置不侷限於應用於運算放大器中，而^可 廣泛地應用在任何具有造成較高之基板電流之電晶體之 類比電路中。 本實施例之電壓限制裝置用以對應用其之運曾放大 器或類比電路中可能因閑極、没極與源極之偏^件而導 致，生較高之基板電流之—個或―個以上電晶體之没極 電堡進行控制’⑽由降低此些電晶體之汲極_電壓來 13 200841589
—rW3352PA 降低對應之基板電流。如此，本實施例之電壓限制裝置可 有效^改善傳統運算放大器或類比電路中基板電流較高 及其導致之熱載子、拴鎖及突返等效應較嚴重、使得其壽 中車乂短及耗％ 之缺點，而實質上可降低上述因基板 電流較高導致之不良效應，並可使應用其之運算放大器與 類比電路具有壽命較長、耗電量較低而應用其之手持式 (Portable)骏置之續航力較佳之優點。 細上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上， _ 然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通 常知識者’在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種 之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之嗜 專利範圍所界定者為準^ ^ ^ ^ ： · · ·. . . · . ·
14 200841589…
二達細肌-m52PA 兔 【圖式簡單說明】 第1圖繪示乃運算放大器中電晶體之基板電流與其偏 壓的曲線圖。 第2圖繪示依照本發明第一實施例的運算放大器的電 路圖。 第3圖繪示依照本實施例之運算放大器之電路設計方 法的流程圖。 第4圖繪示乃本實施例之另一運算放大器的電路圖。 【主要元件符號說明】 10、20 :運算放大器 12 :加總電路 14 :浮接電流源 16 : AB類輸出電路控制單元 U〜L6 :電壓限制裝置 M01、M02、M05、M06 :輸入電晶體 • M3卜M34 :輸出電晶體 -- . ....- . . - ^ . · - . ... M07、M08、Ml 1 〜M18、M21 〜M24， MP3、丽3 :電晶體 15

Claims (1)

  1. 2〇〇841J89rW3352PA • 十、申請專利範圍： 1· 一種電壓限制裝置，應用於一運算放大器 (Operational Amplifier)中，該運.算放大器包括—第— 電晶體，閘極（Gate)與源極（Source)之跨壓接近一特定電 壓且汲極（Drain)與源極之跨壓不等於零，導致一基板 (Substrate)電流，該電壓限制裝置包括： 一第二電晶體，源極與該第一電晶體之汲極耦接，閘 極接收一偏壓訊號使該第二電晶體操作於飽和區 Φ (Saturation Region) ’並使該第二電晶體之源極電壓等 於該偏壓訊號與該第二電晶體臨界電壓（Thresh〇ld Voltage)之差，藉此來降低該第一電晶體之汲極與源極之 跨壓，以降低該基板電流。 • - - - 2·如申請專利範圍第1項所述之電壓限制裝置，其 • .. . - - .· - . - 中该弟一及該弟二電晶體均為N型金養半（Metal Oxide Semiconductor，M0S)電晶體。 3·如申請專利範圍第1項所述之電壓限制裝置，其 鲁 中該第一及該第二電晶體均為Ρ型金養半電晶體。： 4· 一種運算放大器（Operational Amplifier)，包括： - - - . '· · .. . .. .. .. 一輸入級電路’用以接收一差動訊號，並據以產生一 中間訊號；以及 • . . *. * · 一輸出級電路，回應於該中間訊號來產生一輸出訊 . .. .... · ._ ·... 號，該輸出級電路包括： . · · .- . 一弟一電晶體’於該運鼻放大裔工作時閘極 (Gate)與源極（Source)之跨壓接近特定電壓且汲極 16 20081L1§9'W3352PA (Drain)與源棱之跨壓不等於零，而導致較大之基板 (Substrate)電流；及 一第二電晶體，源極與該第一電晶體之汲極耦 接，閘極接收一偏壓訊號使該第二電晶體操作於飽和區 (Saturation Region)，並使該第二電晶體之源極電壓等 於該偏壓訊號與該第二電晶體臨界電壓（Thresh〇ld Voltage)之差，藉此來降低該第一電晶體之汲極與源極之 跨壓，以降低該第一電晶體之基板電流。 籲 5·如申請專利範圍第4項所述之運算放大器，其中 該輪出級電路係為一 AB類（Class AB)輸出電路。 6· —種運算放大器（〇perati〇nai Amplifier)之電路 設計方法，包括: - -.-- · - - · . .· ' . . .. .- ... .... · ...... .... ..... 提供一運算放大器，包括一輸出電路，其中具有一第 . ...· · ' · - ...... . " · 一電晶體，該第一電晶體之閘極（Gate)與源極（Source)之 跨壓接近一特定電壓’没極（Drain)與源極之跨壓不等於 零而產生一基板（Substrate)電流； ® 設置一第二電晶體於該運算放大器中，該第二電晶體 -- . · -、 . _. * - - . . .. . : · . 之源極與該第一電晶體之汲極耦接;以及 - ... · ' ..: . 1.. ... . .. . · - 提供一偏壓訊號至該第二電晶體之閘極來偏壓該第 二電晶體於飽和區（Saturation Region)，並使該第二電 晶體之源極電壓等於該偏壓訊號與該第二電晶體臨界電 --- -- . - . .. ’ . ： 壓（Threshold Voltage)之差，藉此來降低該第一電晶體 之汲極與源極之跨壓，以降低該第一電晶體之基板電流。 17
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