TWI392226B - 運算放大器、顯示器之源極驅動器及其相關控制該運算放大器之方法 - Google Patents

運算放大器、顯示器之源極驅動器及其相關控制該運算放大器之方法 Download PDF

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Description

運算放大器、顯示器之源極驅動器及其相關控制該運算放大器之方法
本發明係有關一種運算放大器，尤指一種源極驅動器之運算放大器及其相關方法。
液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)為一種外型輕薄的平面顯示裝置(Flat Panel Display，FPD)，其具有低輻射、體積小及低耗能等優點，已逐漸取代傳統的陰極射線管顯示器(Cathode Ray Tube Display，CRT)，因而被廣泛地應用在筆記型電腦(Notebook Computer)、個人數位助理(Personal Digital Assistant，PDA)、平面電視或行動電話等資訊產品上。液晶顯示器通常包含一液晶顯示面板(Liquid Crystal Panel)、一時序控制器(Timing Controller，TCON)、一閘極驅動器(Gate Driver)及一源極驅動器(Source Driver)。其中，時序控制器係用以產生影像資料訊號、控制訊號以及時脈訊號來驅動液晶顯示面板；而閘極驅動器係用以產生掃描訊號來開啟或者關閉畫素電路；源極驅動器則係根據這些影像資料訊號、控制訊號以及時脈訊號來產生驅動訊號。
通常源極驅動器中之運算放大器的驅動能力與迴轉率(slew-rate)係與其偏壓電流I1 、補償電容CC 有關，也就是說，運算放大器的迴轉率係受限於I1 /CC 。為了提升運算放大器的驅動能力與迴轉率，通常需要增加偏壓電流I1 或者減少補償電容CC (或者直接將補償電容CC 移除)，但倘若直接將補償電容CC 移除，運算放大器在高阻抗狀態時會變得十分不穩定。因此，目前的運算放大器仍需加以改善，以期能夠在不增加偏壓電流I1 的前提下，解決前述之迴轉率不足以及不穩定等問題。
因此，本發明的目的之一在於提出一種運算放大器及其相關之源極驅動器與方法，以解決上述之問題。
本發明係揭露一種運算放大器。運算放大器包含一第一級電路、一第二級電路以及一切換單元。第一級電路係接收一類比輸入訊號。第二級電路具有一輸出端點耦接於一輸出開關。切換單元係耦接於第一級電路與第二級電路之間，其包含一電容性元件以及一第一開關，且第一開關係以串聯方式耦接於電容性元件。其中，當輸出開關導通時，第一開關係為關閉。
本發明另揭露一種顯示器之源極驅動器。源極驅動器包含一數位類比轉換器、一輸出開關以及一運算放大器。數位類比轉換器係將一數位輸入訊號轉換成一類比輸入訊號。運算放大器係耦接於數位類比轉換器，用以根據類比輸入訊號並藉由輸出開關來驅動該顯示器之至少一條資料線。運算放大器包含一第一級電路、一第二級電路以及一切換單元。第一級電路係接收一類比輸入訊號。第二級電路具有一輸出端點耦接於一輸出開關。切換單元係耦接於第一級電路與第二級電路之間，其包含一電容性元件以及一第一開關，且第一開關係以串聯方式耦接於電容性元件。其中，當輸出開關導通時，第一開關係為關閉。
本發明另揭露一種控制一運算放大器之方法。該運算放大器包含：一第一級電路，用來接收一類比輸入訊號；一第二級電路，具有一輸出端點；以及一切換單元，具有一電容性元件以及一第一開關，第一開關係以串聯方式耦接於電容性元件。該方法包含有：將切換單元連接於第一級電路以及第二級電路之間；將第二級電路之輸出端點連接至一輸出開關；以及於輸出開關導通時，關閉第一開關。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
第1圖為一顯示器之源極驅動器100的方塊圖。源極驅動器100包含(但不侷限於)一數位類比轉換器(DAC)120、一輸出開關SW2以及一運算放大器140。數位類比轉換器120係將一數位輸入訊號S1 轉換成一類比輸入訊號S2 。運算放大器140係耦接於數位類比轉換器120，用以根據類比輸入訊號S2 並藉由輸出開關SW2來驅動該顯示器之至少一條資料線，該資料線係可模擬成由運算放大器140所驅動之一輸出負載160，其包含一電容C。
第2圖為第1圖所示之運算放大器140之一實施例的示意圖。運算放大器140包含一第一級電路210、一第二級電路220以及一切換單元250。第一級電路210係接收第1圖所示之類比輸入訊號S2 。第二級電路220具有一輸出端點224耦接於輸出開關SW2，而輸出開關SW2則另耦接至輸出負載160。切換單元250係耦接於第一級電路210與第二級電路220之間。此外，第一級電路210包含四個電晶體Q1～Q4以及一偏壓電流源230，其中偏壓電流源230係提供一偏壓電流I11 給第一級電路210。關於電晶體Q1～Q4以及偏壓電流源230的連接方式已如第2圖所示，為簡潔起見於此不再贅述。第二級電路220包含一第五電晶體Q5以及一電流源240，其中電流源240係耦接於第五電晶體Q5。切換單元250則包含一電容性元件C1 以及一第一開關SW1，且第一開關SW1係以串聯方式耦接於電容性元件C1 。其中，當輸出開關SW2由一輸出開關控制訊號C_SW2所導通時，可透過一第一開關控制訊號C_SW1來關閉第一開關SW1；且當輸出開關SW2由輸出開關控制訊號C_SW2所關閉時，可透過第一開關控制訊號C_SW1來導通第一開關SW1。
上述之實施例僅用來說明本發明之技術特徵，並非用來侷限本發明之範疇。而熟知此項技藝者該可了解，以其他設計方式來實現運算放大器140皆是可行的。
當輸出開關SW2由輸出開關控制訊號C_SW2所導通時，運算放大器140會開始驅動輸出負載160；而當輸出開關SW2由輸出開關控制訊號C_SW2所關閉時，運算放大器140會停止驅動輸出負載160，此時，運算放大器140係處於高阻抗的狀態下。而為了在不增加偏壓電流I11 的前提下，能夠解決運算放大器140之迴轉率不足以及不穩定等問題，因此本發明揭露了一種控制運算放大器140的機制，亦即：在驅動輸出負載160的同時，關閉第一開關SW1；而當運算放大器140處於高阻抗的狀態下，導通第一開關SW1。
請注意，上述之第一開關SW1、輸出開關SW2可由一金氧半導體電晶體(MOSFET)所實現，但亦可為其他種類之開關。此外，該顯示器係可為一液晶顯示裝置，但此並非本發明之限制條件。
請再注意，於本實施例中，第一開關SW1係耦接於第一級電路210與電容性元件C1 之間，且電容性元件C1 係耦接於第一開關SW1與第二級電路220之間，但本發明並不侷限於此。於其他的實施例中，電容性元件C1 亦可耦接於第一級電路210與第一開關SW1之間，而第一開關SW1則可耦接於電容性元件C1 與第二級電路220之間，此亦應隸屬本發明所涵蓋之範疇。也就是說，第一開關SW1與電容性元件C1 的位置係可互相交換。
第3圖說明第1圖所示之源極驅動器100的第一開關控制訊號C_SW1、輸出開關控制訊號C_SW2、類比輸入訊號S2 以及輸出訊號Vout的訊號波形之第一實施例的示意圖。在一第一行掃描週期1H之內，源極驅動器100會驅動該顯示器的一條水平線。如第3圖所示，在第一行掃描週期1H剛開始的一段期間T1 內，運算放大器140會接收一個新的類比輸入訊號S2 ，而此時可透過輸出開關控制訊號C_SW2來關閉輸出開關SW2，並可透過第一開關控制訊號C_SW1來導通第一開關SW1，如此一來運算放大器140會停止驅動輸出負載160。由於這個時候電容性元件C1 係連接於運算放大器140之第一級電路210與第二級電路220之間，因此運算放大器140仍然可維持在穩定狀態。
而在接下來的一段期間T2 內，可透過輸出開關控制訊號C_SW2來導通輸出開關SW2，並透過第一開關控制訊號C_SW1來關閉第一開關SW1，此時運算放大器140會開始驅動輸出負載160以產生輸出訊號Vout。由於在期間T2 內，第一開關SW1係關閉且運算放大器140並沒有連接至電容性元件C1 ，因此運算放大器140的迴轉率並不會受到I11 /C1 的限制。換言之，當類比輸入訊號S2 轉換時，第一開關SW1係為關閉；而當類比輸入訊號S2 處於穩定狀態時，第一開關SW1係為導通。
如此一來，可以解決前面所提及之運算放大器140的迴轉率不足以及不穩定等問題。請注意，於本實施例中，第一開關控制訊號C_SW1係視為輸出開關控制訊號C_SW2之反相訊號。
第4圖說明第1圖所示之源極驅動器100的第一開關控制訊號C_SW1、輸出開關控制訊號C_SW2、類比輸入訊號S2 以及輸出訊號Vout的訊號波形之第二實施例的示意圖。第4圖的波形係與第3圖的波形類似，兩者不同之處在於第一開關SW1在一段期間T3 內係為關閉，且此段期間T3 係小於期間T2 。換句話說，期間T2 與期間T3 之間相差了一個延遲時間(T2 -T3 )。請注意，於本實施例中，第一開關SW1的關閉期間(turn-off period)係小於輸出開關SW2的導通期間(turn-on period)，亦即T3 ＜T2 。
第5圖說明第1圖所示之源極驅動器100的第一開關控制訊號C_SW1、輸出開關控制訊號C_SW2、類比輸入訊號S2 以及輸出訊號Vout的訊號波形之第三實施例的示意圖。第5圖的波形係與第3圖的波形類似，兩者不同之處在於第一開關SW1在一段期間T4 內係為關閉，且此段期間T4 係小於期間T2 。換句話說，在輸出開關SW2關閉之前，第一開關SW1就已經導通了。請注意，於本實施例中，第一開關SW1的關閉期間係小於輸出開關SW2的導通期間，亦即T4 ＜T2 。
當然，上述之實施例僅用來說明本發明之技術特徵，並非用來侷限本發明之範疇。而熟知此項技藝者該可了解，在不違背本發明之精神下，關於期間T1 、T2 、T3 、T4 之各種變化皆是可行的。
請參考第6圖，第6圖為本發明控制一運算放大器之方法之一操作範例的流程圖，其包含(但不侷限於)以下的步驟(請注意，假若可獲得實質上相同的結果，則這些步驟並不一定要遵照第6圖所示的執行次序來執行)：
步驟602：開始。
步驟604：將切換單元連接於運算放大器之第一級電路以及第二級電路之間。
步驟606：將第二級電路之輸出端點連接至一輸出開關。
步驟608：於輸出開關關閉時，導通第一開關。
步驟610：於輸出開關導通時，關閉第一開關。
接下來，將搭配第2圖所示之各元件，第6圖所示之各步驟以及第3圖所示之訊號波形圖來詳細說明各元件如何運作。於步驟608中，當運算放大器140在期間T1 內係處於高阻抗狀態下時，此時可藉由第一開關控制訊號C_SW1來導通第一開關SW1，並藉由輸出開關控制訊號C_SW2來關閉輸出開關SW2。如此一來，在期間T1 內，當輸出開關SW2係為關閉且沒有將運算放大器140連接至輸出負載160的同時，由於電容性元件C1 仍連接至運算放大器140，因此可維持運算放大器140的閉迴路穩定度。而於步驟610中，當運算放大器140在期間T2 內驅動輸出負載160的同時，此時可藉由第一開關控制訊號C_SW1來關閉第一開關SW1，並藉由輸出開關控制訊號C_SW2來導通輸出開關SW2。如此一來，由於在期間T2 內，第一開關SW1係為關閉且沒有將運算放大器140連接至電容性元件C1 ，因此運算放大器140的迴轉率並不會受到I11 /C1 的限制。
請注意，第6圖所示之方法僅為本發明所舉可行的實施例，並非限制本發明的限制條件。此外，上述步驟之順序僅為本發明之一較佳實施例，換言之，上述步驟之順序可視實際情況而調整之，並不侷限於前述之順序。
以上所述的實施例僅用來說明本發明之技術特徵，並非用來侷限本發明之範疇。由上可知，本發明提供一種源極驅動器之運算放大器及其相關之源極驅動器與方法。透過控制第一開關SW1來決定何時要將電容性元件C1 連接至運算放大器140、何時不將電容性元件C1 連接至運算放大器140，如此一來，在不增加偏壓電流I11 的前提下，可解決前述所提及之運算放大器140的迴轉率不足以及不穩定等問題。當在期間T2 內驅動輸出負載160的同時(亦即導通輸出開關SW2)，此時關閉第一開關SW1且不連接電容性元件C1 ，因此可提升運算放大器140的迴轉率。而當運算放大器140處於高阻抗狀態下時(亦即關閉輸出開關SW2)，此時導通第一開關SW1且連接電容性元件C1 ，以維持運算放大器140的閉迴路穩定度。此外，本發明所揭露之機制於成本的考量上是相當經濟的，僅需要增加一個電晶體(亦即第一開關SW1)的成本，即可達到上述的各項優點。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100．．．源極驅動器
120．．．數位類比轉換器
140．．．運算放大器
160．．．輸出負載
C．．．電容
S1 ．．．數位輸入訊號
S2 ．．．類比輸入訊號
Vout．．．輸出訊號
210．．．第一級電路
220．．．第二級電路
250．．．切換單元
Q1～Q4．．．電晶體
230．．．偏壓電流源
I11 ．．．偏壓電流
240．．．電流源
Q5．．．第五電晶體
C1 ．．．電容性元件
SW1．．．第一開關
C_SW1．．．第一開關控制訊號
224．．．輸出端點
SW2．．．輸出開關
C_SW2．．．輸出開關控制訊號
1H．．．第一行掃描週期
2H．．．第二行掃描週期
T1 、T2 、T3 、T4 ．．．期間
602～610．．．步驟
第1圖為本發明一顯示器之源極驅動器的方塊圖。
第2圖為第1圖所示之運算放大器之一實施例的示意圖。
第3圖說明第1圖所示之源極驅動器的第一開關控制訊號、輸出開關控制訊號、類比輸入訊號以及輸出訊號的訊號波形之第一實施例的示意圖。
第4圖說明第1圖所示之源極驅動器的第一開關控制訊號、輸出開關控制訊號、類比輸入訊號以及輸出訊號的訊號波形之第二實施例的示意圖。
第5圖說明第1圖所示之源極驅動器的第一開關控制訊號、輸出開關控制訊號、類比輸入訊號以及輸出訊號的訊號波形之第三實施例的示意圖。
第6圖為本發明控制一運算放大器之方法之一操作範例的流程圖。
140．．．運算放大器
210．．．第一級電路
220．．．第二級電路
250．．．切換單元
Q1～Q4．．．電晶體
230．．．偏壓電流源
I11 ．．．偏壓電流
240．．．電流源
Q5．．．第五電晶體
C1 ．．．電容性元件
SW1．．．第一開關
C_SW1．．．第一開關控制訊號
224．．．輸出端點
SW2．．．輸出開關
C_SW2．．．輸出開關控制訊號
160．．．輸出負載
C．．．電容
Vout．．．輸出訊號

Claims (17)

  1. 一種運算放大器，包含有：一第一級電路，用以接收一類比輸入訊號；一第二級電路，具有一輸出端點耦接於一輸出開關；以及一切換單元，耦接於該第一級電路與該第二級電路之間，該切換單元包含有：一電容性元件；以及一第一開關，以串聯方式耦接於該電容性元件；其中，當該輸出開關導通時，該第一開關係為關閉，且在一顯示器之一掃描線的一全部掃描週期內，該第一開關之一關閉期間(turn-off period)係小於該輸出開關之一導通期間(turn-on period)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器，其中當該類比輸入訊號轉換時，該第一開關係為關閉。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之運算放大器，其中當該類比輸入訊號處於穩定狀態時，該第一開關係為導通。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器，其中當該輸出開關關閉時，該第一開關係為導通。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器，其中該第一開關係耦 接於該第一級電路與該電容性元件之間；以及該電容性元件係耦接於該第一開關與該第二級電路之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器，其中該電容性元件係耦接於該第一級電路與該第一開關之間；以及該第一開關係耦接於該電容性元件與該第二級電路之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器，其中該第一開關以及該輸出開關各為一金氧半導體電晶體(MOSFET)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器，其中該第一級電路包含：一第一電晶體；一第二電晶體，具有一第一端耦接於該第一電晶體之一第一端，一控制端耦接於該第一電晶體之一控制端，以及一第二端耦接於該切換單元之一第一端；一第三電晶體，具有一第一端耦接於該第一電晶體之一第二端、該第一電晶體之該控制端以及該第二電晶體之該控制端；一第四電晶體，具有一第一端耦接於該第二電晶體之該第二端以及該切換單元之該第一端；以及一第一電流源，耦接於該第三電晶體之一第二端以及該第四電晶體之一第二端。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之運算放大器，其中該第二級電路包含有：一第五電晶體，具有一第一端耦接於該第一電晶體之該第一端與該第二電晶體之該第一端，一控制端耦接於該第二電晶體之該第二端與該切換單元之該第一端，以及一第二端耦接於該切換單元之一第二端；以及一第二電流源，耦接於該第五電晶體之該第二端、該切換單元之該第二端以及該第三電晶體之一控制端。
  10. 一種顯示器之源極驅動器，包含有：一數位類比轉換器，用以將一數位輸入訊號轉換成一類比輸入訊號；一輸出開關；以及一運算放大器，耦接於該數位類比轉換器，用以根據該類比輸入訊號並藉由該輸出開關來驅動該顯示器之至少一條資料線，該運算放大器包含有：一第一級電路，用以接收該類比輸入訊號；一第二級電路，具有一輸出端點耦接於該輸出開關；以及一切換單元，耦接於該第一級電路與該第二級電路之間，該切換單元包含有：一電容性元件；以及一第一開關，以串聯方式耦接於該電容性元件； 其中，當該輸出開關導通時，該第一開關係為關閉，且在一顯示器之一掃描線的一全部掃描週期內，該第一開關之一關閉期間(turn-off period)係小於該輸出開關之一導通期間(turn-on period)。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之源極驅動器，其中當該類比輸入訊號轉換時，該第一開關係為關閉。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之源極驅動器，其中當該類比輸入訊號處於穩定狀態時，該第一開關係為導通。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之源極驅動器，其中當該輸出開關關閉時，該第一開關係為導通。
  14. 一種控制一運算放大器之方法，該運算放大器包含一第一級電路用以接收一類比數入訊號、一第二級電路具有一輸出端點以及一切換單元具有一電容性元件以及一第一開關以串聯方式耦接於該電容性元件，該方法包含有：將該切換單元連接於該第一級電路與該第二級電路之間；將該第二級電路之該輸出端點連接至一輸出開關；以及於該輸出開關係為導通時，關閉該第一開關，其中在一顯示器之一掃描線的一全部掃描週期內，該第一開關之一關閉期間(turn-off period)係小於該輸出開關之一導通期間(turn-on period)。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其另包含：當該類比輸入訊號轉換時，關閉該第一開關；以及當該類比輸入訊號處於穩定狀態時，導通該第一開關。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其另包含：當該輸出開關關閉時，導通該第一開關。
  17. 一種運算放大器，包含有：一第一級電路，用以接收一類比輸入訊號；一第二級電路，具有一輸出端點耦接於一輸出開關；以及一切換單元，耦接於該第一級電路與該第二級電路之間，該切換單元包含有：一電容性元件；以及一第一開關，以串聯方式耦接於該電容性元件，其中該電容性元件係耦接於該第一級電路與該第一開關之間，該第一開關係耦接於該電容性元件與該第二級電路之間，且該電容性元件只有在該第一開關導通時才會電性連接到該第二級電路的該輸出端點；其中，當該輸出開關導通時，該第一開關係為關閉。
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