TWI392202B - 具有低壓降穩壓電路之影像顯示系統 - Google Patents

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Description

具有低壓降穩壓電路之影像顯示系統
本發明係關於一種影像顯示系統，特別是一種以反相電路為主所組成之低壓降穩壓電路的影像顯示系統。
習知技術中，通常利用電壓調節電路來提供穩定的電壓源。電壓調節電路針對特定的應用可區分為不同的種類。舉例而言，電壓調節電路能產生壓降電壓(drop－out voltage)。壓降電壓是輸入電壓與輸出電壓間的差值，用以維持電路的正常運作。於電路中，若所提供的電壓高於所需的最小維持電壓時，將無形中造成功率上的浪費。於另一應用中，電壓調節電路亦可為低壓降穩壓電路(low drop－out voltage regulator，LDO)。低壓降穩壓電路是電壓調節電路的一種，其作用為產生較小的壓降電壓，以使得調節後的輸出電壓接近輸入電壓。低壓降穩壓電路主要用於低電壓源裝置，尤其是以電池作為電源的裝置，例如行動電話、數位相機、個人數位助理、筆記型電腦、桌上型電腦、電視、車用顯示器、航空用顯示器或全球定位系統等。
圖1A顯示習知低壓降穩壓電路100中，各電路區塊間連結關係的方塊圖。低壓降穩壓電路100包含調控電路102、分壓電路104及誤差放大器106。調控電路102接收來自外部的輸入電壓VIN ，並產生輸出電壓VOUT 。分壓電路104接收調控電路102所提供的輸出電壓VOUT ，並將其傳送至誤差放大器106，而誤 差放大器106再將此輸出電壓VOUT 饋入調控電路102。
圖1B顯示習知低壓降穩壓電路100的電路圖。低壓降穩壓電路100包含調控電路102(以P型金屬氧化半導體場效電晶體(PMOS)為例)、分壓電路104(由電阻110與112所組成)、誤差放大器106、以及其他電路元件。低壓降穩壓電路100在輸入端接收輸入電壓VIN ，並在輸出端提供經調節後之的輸出電壓VOUT 。PMOS 102的閘極接收來自誤差放大器106的輸出電壓。誤差放大器106的正輸入端接收參考電壓訊號VREF ，負輸入端接收來自分壓電路104所回授的電壓。分壓電路104依其所組成之電阻值，比例縮降低壓降穩壓電路100的輸出電壓VOUT ，將其饋入至誤差放大器106的負輸入端，供與參考電壓訊號VREF 作比較，誤差放大器106因而產生調控電壓，以補償低壓降穩壓電路100的不穩定輸出電壓。
若輸出電壓VOUT 上升到超過額定值，則產生於誤差放大器106負輸入端的電壓也隨之上升。因此，誤差放大器106的正負輸入端之間的電壓差會導致誤差放大器106的輸出電壓隨之上升，因而使得PMOS 102的閘極電壓亦隨之上升。此電壓變化，將控制PMOS 102源極與汲極間電流的流量，進而調節輸出電壓VOUT ，使其保持穩定。
然而，習知低壓降穩壓電路100所使用的誤差放大器106消耗相當高的功率，且分壓電路104的使用也影響輸出電壓 VOUT 的穩定度。由於上述元件的不利因素，限制了習知低壓降穩壓電路100於影像顯示系統設計上的應用性。
因此，本發明在影像顯示系統的設計中提供一種低壓降穩壓電路，以使用較少的元件解決上述所提及習知技術的缺失，而獲得較佳的節能效率、穩定輸出電壓以及降低操作溫度。
本發明提供一種具有低壓降穩壓電路之影像顯示系統，用以接收輸入電壓，並提供低於輸入電壓且穩定之輸出電壓。
於本發明的實施例中，影像顯示系統包含一低壓降穩壓電路，用以接收輸入電壓，並提供穩定的輸出電壓。低壓降穩壓電路包含調控電路、第一開關、電流源電路、以及反相電路。
調控電路具有調控電路輸入端、調控電路輸出端及調控電路控制端。第一開關藉由接通/切斷而選擇性地形成短路/開路。電流源電路提供定電流至調控電路控制端以及調控電路輸出端。反相電路具有反相電路輸入端與調控電路輸出端耦接，以及反相電路輸出端與調控電路控制端耦合，係將來自調控電路輸出端的輸出電壓反轉，其中調控電路控制端係根據所接收的控制電壓，調整輸出電壓。
當結合附隨的圖式閱讀時，藉由以下特定實施例的描述， 將會更加瞭解本發明的建構及操作的方法，以及其附加的目的與優點。
圖2A為本發明之實施例中，包含低壓降穩壓電路200與顯示面板201之影像顯示系統20的方塊圖，其顯示低壓降穩壓電路200與顯示面板201的連接關係，以及低壓降穩壓電路200中各電路區塊間的連結關係。影像顯示系統20可為行動電話、數位相機、個人助理(PDA)、筆記型電腦、桌上型電腦、電視、車用顯示器、全球定位系統(GPS)或可攜式DVD播放機。
低壓降穩壓電路200具有輸入電壓VIN 與輸出電壓VOUT ，並包含其調控電路202區塊與反相電路212區塊。調控電路202接收輸入電壓VIN ，並產生輸出電壓VOUT 。特別的是，輸出電壓VOUT 低於輸入電壓VIN ，而輸出電壓VOUT 值取決於不同的顯示應用。反相電路212接收來自調控電路202的輸出電壓VOUT ，將其極性反轉而後饋入調控電路202，以補償位於調控電路202輸出端的輸出電壓VOUT 變化。
圖2B為係圖2A中低壓降穩壓電路200之一實施例的詳細電路圖。於此實施例中，低壓降穩壓電路200包含調控電路202、第一開關204、電流源電路205以及反相電路212。
首先說明，第一觸發訊號22與第二觸發訊號24為週期一致 而邏輯準位相反的方波訊號，其中此兩個觸發訊號的每一週期均具有等長之第一時段與第二時段。舉例而言，於第一時段，第一觸發訊號22位於其高準位部分22a，而第二觸發訊號24位於其低準位部分24a，然於第一時段結束同時進入第二時段時，第一觸發訊號22轉變至其低準位部分22b，而第二觸發訊號24轉變至其高準位部分24b。
調控電路202具有調控電路輸入端202a、調控電路輸出端202b及調控電路控制端202c。調控電路輸入端202a接收來自外部電路的輸入電壓VIN ，控制端202c接收控制電壓，據以調整輸出端202b所提供的輸出電壓VOUT 。第一開關204設置於調控電路輸入端202a與調控電路控制端202c之間，根據第二觸發訊號24而接通或切斷。
於本實施例中，電流源電路205更包含第二開關206與第三開關208。第二開關206設置於調控電路控制端202c與接地之間，根據所接收的第一觸發訊號22而接通或切斷，當其接通時，調控電路控制端202c與接地之間形成定電流源偏壓迴路，並產生一特定閘極電壓。第三開關208設置於調控電路輸出端202b與接地之間，亦根據所接收的第一觸發訊號22而接通或切斷，當其接通時，調控電路輸出端202b與接地之間形成定電流源偏壓迴路，並產生一特定輸出電壓。
反相電路212具有反相電路輸入端212a與反相電路輸出端 212b。反相電路輸入端212a與調控電路輸出端202b耦接，並接收調控電路202的輸出電壓VOUT 。而反相電路輸出端212b與調控電路控制端202c耦接。
於本實施例中，反相電路212更包含第一反相器213、第四開關214與第一電容210。於其他實施例中，第一反相器213可以能達成相同功能的NOR(反或)閘或NAND(反及)閘置換之。第四開關214設置於第一反相器213的輸入端與輸出端之間，用以當其接收第二觸發訊號24而接通或切斷時，選擇性地使第一反相器213的輸入端與輸出端之間形成短路或開路，其中當短路形成時，設定偏壓並建立反相電路工作點。第一電容210設置於第一反相器213輸入端與反相電路輸入端212a之間，其接收來自調控電路輸出端202b的輸出電壓VOUT ，並將其傳送到反相電路212。
此外，於另一實施例中，低壓降穩壓電路200進一歩包含第二電容232與第三電容234。第二電容232設置於反相電路輸出端212b與接地之間，用以避免高頻響應。第三電容234設置於反相電路輸出端212b與調控電路控制端202c之間。需瞭解的是，取決於設計考量，第二電容232與第三電容234可設置於低壓降穩壓電路200的內部或外部。
綜上所述，於第一時段，第一觸發訊號22位於高準位部分22a，第二觸發訊號24位於低準位部分24a，此時，第一開關 204、第二開關206、第三開關208與第四開關214皆為接通；而於第二時段，第一觸發訊號22位於低準位部分22b，第二觸發訊號24位於高準位部分24b，此時，第一開關204、第二開關206、第三開關208與第四開關214皆為切斷。
於本實施例中，調控電路202實施為N型薄膜電晶體(NTFT)，其中N型薄膜電晶體202的汲極作為調控電路輸入端202a、源極作為輸出端202b、而閘極作為控制端202c。第二開關206與第三開關208可實施為N型或P型薄膜電晶體。於本實施例中的第二開關206實施為N型薄膜電晶體206，其源極連接至接地，汲極連接至調控電路控制端202c；第三開關208亦實施為N型薄膜電晶體，其源極同樣連接至接地，汲極則連接至調控電路輸出端202b。N型薄膜電晶體206的閘極與N型薄膜電晶體208的閘極分別接收第一觸發訊號22並據以接通或切斷，當第一觸發訊號22位於高準位部分22a時，第二開關206與第三開關208為接通，而當第一觸發訊號22位於低準位部分22b時，第二開關206與第三開關208為切斷。
反相電路212包含P型薄膜電晶體224與N型薄膜電晶體222所組成的第一反相器213。P型薄膜電晶體224的閘極與N型薄膜電晶體222閘極相連接，同時接收來自反相電路輸入端212a的電壓。當P型薄膜電晶體224與N型薄膜電晶體222的閘極端所接收的電壓為大於第一反相器213工作點的輸入電壓時，P型薄膜電晶體224阻抗較大，N型薄膜電晶體222阻抗較 小，造成反相電路輸出端212b輸出較低之電壓。反之，當P型與N型薄膜電晶體224與222的閘極端所接收的電壓為小於第一反相器213工作點的輸入電壓時，P型薄膜電晶體224阻抗較小，N型薄膜電晶體222阻抗較大，而造成反相電路輸出端212b輸出較高之電壓。
藉由歸納整理上述可知，如圖2B所示之實施例中，第一開關204與第四開關214的接通或切斷係由第二觸發訊號24所控制，而第二開關206與第三開關208的接通或切斷係由第一觸發訊號22所控制。第二觸發訊號24位於低準位24a時，第一開關204與第四開關214設定為接通，反之則為切斷。第一觸發訊號22位於高準位22a時，第二開關206與第三開關208設定為接通，反之則為切斷。
前段所述的觸發訊號控制方式，使得低壓降穩壓電路200可分為降壓與穩壓二種運作模式。降壓模式係進行輸入電壓VIN 的電壓降低操作，以產生具有低於輸入電壓VIN 的輸出電壓VOUT ；穩壓模式進行輸出電壓VOUT 的電壓穩定操作，以提供穩定且可供使用的電壓。第一開關204、第二開關206、第三開關208與第四開關214之接通/切斷和低壓降穩壓電路之降壓模式/穩壓模式之間的關係將詳述說明如下。
參考圖3A，係為本發明的實施例中低壓降穩壓電路200於降壓模式下的等效電路。於此降壓模式下，第二開關206為N 型薄膜電晶體，而第三開關208亦為N型薄膜電晶體。在此降壓模式期間，第一觸發訊號22位於高準位22a，而第二觸發訊號24位於低準位24a。因此，第一開關204、第四開關214、N型薄膜電晶體206、以及N型薄膜電晶體208全部為接通。第一反相器213(細節可參考圖2B)因第四開關214接通而發生短路，使得反相電路212輸入端的電壓等於反相電路212輸出端的電壓。
此外，當第一開關204接通時，可將其視為一等效電阻。因此，調控電路輸入端202a的輸入電壓VIN 通過第一開關204而發生壓降，並在調控電路控制端202c產生閘極電壓VG 。又根據場效電晶體電流與電壓間的數學關係式：ID ＝K*(VGS －VTH )2 其中ID 為汲極電流，從N型薄膜電晶體202的汲極202a流向源極202b，並與場效電晶體(NTFT屬此類)的實體尺寸，亦即寬度/長度比值成正比；K為一常數；VGS 為閘－源極電壓；VTH 為臨界電壓，乃為一常數。
因此，依據欲得的輸出電壓VOUT (VS )，可設定上述的閘極電壓VG 與通過N型薄膜電晶體202的電流ID 。需瞭解的是，ID 等於流經N型薄膜電晶體208的第三開關電流I3 ，故N型薄膜電晶體208的實體尺寸決定ID 。由上述之數學式可獲得VS ，即輸 出電壓VOUT 。
參考圖3B，其顯示上述實施例中低壓降穩壓電路200於穩壓模式下的等效電路。在此模式下，第一觸發訊號22位於低準位22b，而第二觸發訊號24位於高準位24b，因此，圖2B中所示的第一開關204、第四開關214、N型薄膜電晶體206及N型薄膜電晶體208全部切斷(為使實際發生作用之電路部份的連接關係能更清楚呈現，故圖3B中未顯示前述元件)。輸出電壓VOUT 會因其所驅動之負載而傾向上升或下降。當輸出電壓VOUT 下降時，位在耦接於調控電路輸出端202b與調控電路控制端202c之間的回授電路上的反相電路212，其輸入端的電壓隨著下降。根據反相器的作動原理、以及上述降壓模式下藉由第四開關214接通而產生偏壓所設定的工作點，當反相電路輸入端所接收的電壓下降時，第一反相器213隨即將反相電路輸出端的電壓提升至高電位，亦即，反相電路輸出端的電壓隨反相電路輸入端的電壓下降而上升。因此，與反相電路輸出端相連接的調控電路控制端202c所感測到的閘極電壓VG 也隨之上升。當閘極電壓VG 上升時，亦即閘源極電壓VGS 變大，根據前揭之數學式，汲極電流ID 因而增加以補償負載所引起輸出電壓VOUT 的下降，從而使得輸出電壓VOUT 回升至先前穩定的電壓值。當 輸出電壓VOUT 傾向上升時，根據相同的電路作動原理，從而使得輸出電壓VOUT 回降。
參考圖4，其顯示依據本發明另一實施例，影像顯示系統20之低壓降穩壓電路200的電路圖。結構上，圖4與圖2B電路結構相似，其差別在於圖4中的調控電路202’為P型薄膜電晶體，而非圖2B中所示的N型薄膜電晶體202，以及此實施例中提供另一個相同的第二反相器213’與第一反相器213相串接。再者，於電路運作上，圖4之低壓降穩壓電路200亦具有降壓與穩壓兩種運作模式，其差別在於P型薄膜電晶體202’運作所需的電壓極性係與N型薄膜電晶體202相反，故所增加的第二反相器213’即用於反轉電壓極性，使得圖4與圖2B的低壓降穩壓電路200達成同等的降壓與穩壓之效果。P型薄膜電晶體202’的源極耦接調控電路輸入端202’a，汲極耦接調控電路輸出端202’b，閘極耦接調控電路控制端202’c。第四開關214連接於第一反相器213輸入端與第二反相器213’輸出端之間。
根據本發明的實施例，所提出影像顯示系統的低壓降穩壓電路，相較於習知低壓降穩壓電路，具有簡單的電路設計，且不需要誤差放大器與分壓電路，因而擁有低耗電以及提供穩定輸出的特性。因此，此低壓降穩壓電路特別適合於低穩定電壓及低耗能的環境，例如此低壓降穩壓電路特別適合用於低溫多晶矽(LTPS)面板的設計。
上述之實施例係用以描述本發明，然本發明並不限於以上特定實施例的描述，本發明的申請專利範圍旨在包含所有符合本發明之精神與範圍的修改與變化。
習知低壓降穩壓電路‧‧‧100
調控電路(PMOS)‧‧‧102
分壓電路‧‧‧104
誤差放大器‧‧‧106
電阻‧‧‧110、112
影像顯示系統‧‧‧20
低壓降穩壓電路‧‧‧200
顯示面板‧‧‧201
調控電路(NTFT)‧‧‧202
調控電路輸入端‧‧‧202a
調控電路輸出端‧‧‧202b
調控電路控制端‧‧‧202c
調控電路(PTFT)‧‧‧202’
調控電路輸入端‧‧‧202’a
調控電路輸出端‧‧‧202’b
調控電路控制端‧‧‧202’c
第一開關‧‧‧204
第二開關(第一NTFT)‧‧‧206
第三開關(第二NTFT)‧‧‧208
第一電容‧‧‧210
反相電路‧‧‧212、212’
反相電路輸入端‧‧‧212a
反相電路輸出端‧‧‧212b
第一反相器‧‧‧213
第二反相器‧‧‧213’
第四開關‧‧‧214
N型薄膜電晶體‧‧‧222
P型薄膜電晶體‧‧‧224
第二電容‧‧‧232
第三電容‧‧‧234
圖1A為顯示習知低壓降穩壓電路之方塊圖；圖1B為顯示圖1A之習知低壓降穩壓電路之電路圖；圖2A為顯示本發明之影像顯示系統所包含之低壓降穩壓電路與顯示面板之方塊圖；圖2B為顯示根據本發明一實施例之影像顯示系統所包含之低壓降穩壓電路之電路圖；圖3A為說明圖2B中低壓降穩壓電路之降壓模式下之電路圖；圖3B為說明圖2B中低壓降穩壓電路之穩壓模式下之電路圖；以及圖4為根據本發明另一實施例之影像顯示系統所包含之低壓降穩壓電路之電路圖。
低壓降穩壓電路‧‧‧200
調控電路‧‧‧202
調控電路輸入端‧‧‧202a
調控電路輸出端‧‧‧202b
調控電路控制端‧‧‧202c
第一開關‧‧‧204
第二開關‧‧‧206
第三開關‧‧‧208
第一電容‧‧‧210
反相電路‧‧‧212
反相電路輸入端‧‧‧212a
反相電路輸出端‧‧‧212b
第一反相器‧‧‧213
第四開關‧‧‧214
N型薄膜電晶體‧‧‧222
P型薄膜電晶體‧‧‧224
第二電容‧‧‧232
第三電容‧‧‧234

Claims (17)

  1. 一種影像顯示系統，包含：一低壓降穩壓電路，接收一輸入電壓，並提供一輸出電壓，該低壓降穩壓電路包含：一調控電路，具有一調控電路輸入端以接收該輸入電壓，一調控電路輸出端以提供該輸出電壓，以及一調控電路控制端；一第一開關，設置於該調控電路輸入端與該調控電路控制端之間，對應該第一開關之接通/切斷，該調控電路控制端選擇性地接收該輸入電壓；一電流源電路，用以提供定電流至該調控電路控制端以及該調控電路輸出端；以及一反相電路，具有一反相電路輸入端與該調控電路輸出端耦接，以及一反相電路輸出端與該調控電路控制端耦接，該反相電路將來自該調控電路輸出端的該輸出電壓反轉，以提供與該輸出電壓之電位相反的一控制電壓至該調控電路控制端；其中該調控電路控制端根據自該反相電路輸出端所接收的該控制電壓，調整該輸出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示系統，其中該電流源電路包含：一第二開關，設置於該調控電路控制端與接地之間，對應該第二開關之接通/切斷，當接通時在該調控電路控制端與接地之間產生定電流；以及一第三開關，設置於該調控電路輸出端與接地之間，對應該第三開關之接通/切斷，當接通時在該調控電路輸出端與接地之間產生定電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像顯示系統，其中該第二開關與該第三開關分別為一第一N型薄膜電晶體與一第二N型薄膜電晶體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之影像顯示系統，其中該第一N型薄膜電晶體具有一源極連接至接地，一汲極連接至該調控電路控制端，以及一閘極。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之影像顯示系統，其中該第二N型薄膜電晶體具有一源極連接至接地，一汲極連接至該調控電路輸出端，以及一閘極。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示系統，其中該反相電路更包含：一第一反相器，具有一第一反相器輸入端與該反相電路輸入端耦接，以及一第一反相器輸出端與該反相電路輸出端耦接；一第一電容，具有二節點，一節點與該反相電路輸入端耦接，另一節點與該第一反相器輸入端耦接；以及一第四開關，設置於與該第一反相器輸入端與該第一反相器輸出端之間，對應該第四開關之接通/切斷，選擇性地致使該第一反相器輸入端與該第一反相器輸出端之間形成短路/開路。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像顯示系統，其中該調控電路為一P型薄膜電晶體，且於該低壓降穩壓電路中更包括一第二反相器與該第一反相器串聯相接。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之影像顯示系統，其中該第一反相器包含一N型薄膜電晶體與一P型薄膜電晶體。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之影像顯示系統，其中該第一反相器係為一反及閘或一反或閘。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之影像顯示系統，其中當該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關於一第一時段皆呈現接通狀態，致使該調控電路輸出端產生小於該輸入電壓之該輸出電壓；而當該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關於一第二時段皆呈切斷狀態，致使該調控電路控制端補償該輸出電壓的變化。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之影像顯示系統，更包含一第一觸發訊號與一第二觸發訊號，分別具有一第一準位與一第二準位，其中該第一與該第四開關的接通/切斷取決於該第二觸發訊號，該第二與第三開關的接通/切斷取決於該第一觸發訊號。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之影像顯示系統，其中於該第一時段，該第一觸發訊號係呈該第一準位，且該第二觸發訊號係呈該第二準位，而於該第二時段，該第一觸發訊號係呈該第二準位，且該第二觸發訊號係呈該第一準位。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之影像顯示系統，其中該第一觸發訊號與第二觸發訊號係週期一致且相位相反之方波訊號。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示系統，其中該調控電路係為一薄膜電晶體。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示系統，更包含一第二電容，耦接於該反相電路輸出端與一接地之間，以避免高頻響應。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示系統，更包含一顯示面板與該低壓降穩壓電路耦接，供接收該輸出電壓。
  17. 如申請範圍第1項所述之影像顯示系統，其中該影像顯示系統為行動電話、數位相機、個人助理、筆記型電腦、電視、車用顯示器、航空用顯示器、全球定位系統或可攜式DVD播放機。
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