TWI404010B - 顯示器之源極驅動器、運算放大器以及控制此運算放大器之方法 - Google Patents

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Description

顯示器之源極驅動器、運算放大器以及控制此運算放大器之方 法
本發明係有關於一運算放大器及其相關方法，尤指一種用於顯示器中可提昇迴轉率(slew rate)之運算放大器。
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)。時序控制器係用來產生影像資料訊號，及驅動液晶顯示面板所需之控制訊號和時脈訊號。閘極驅動器係用來產生開啟或關閉畫素電路陣列的掃描訊號，而源極驅動器則依據影像資料訊號、控制訊號和時脈訊號來產生液晶顯示面板之驅動訊號。
第1圖為傳統源極驅動器之運算放大器110之示意圖。運算放大器110係根據一輸入電壓Vin來產生一輸出電壓Vout，當經由一開關控制訊號C_SW來導通一開關SW時，此時運算放大器110會驅動源極驅動器之一輸出負載120。通常，為了節省電力，會將 運算放大器110的偏壓電流I設計得很小，然而，較小的偏壓電流I會限制住運算放大器110的驅動能力及其迴轉率。
為了提升運算放大器110的驅動能力及其迴轉率，會在驅動輸出負載120的同時，提高運算放大器110的偏壓電流I。第2圖為第1圖所示之運算放大器110的開關控制訊號C_SW以及偏壓電流I的波形圖。如第2圖所示，於時間T1 期間內，開關SW係為關閉狀態，此時運算放大器110之偏壓電流I係維持在電流值I1 。而於時間T2 期間內，開關SW係為導通狀態，且運算放大器110之偏壓電流I係提高至電流值I1 ’，其中電流值I1 ’係大於電流值I1 。
然而，上述提高偏壓電流I的步驟會造成電流上的迅速轉變，而導致輸出波形中產生突波干擾(glitch)，在輸出波形中的突波干擾會在該液晶顯示裝置上引起電壓跳動(bouncing)並造成顯示畫面之亮度不均(mura)，而此將大大地降低其顯示的畫面品質。
因此，本發明的目的之一在於提出一種顯示器之源極驅動器及其相關運算放大器與方法，以解決上述之問題。
本發明係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。數位類比轉換器將一數位畫素(pixel)訊號轉換成一類比畫素訊號。運算放大器 係耦接於數位類比轉換器，用來根據類比畫素訊號以經由該輸出開關來驅動顯示器之至少一資料線。運算放大器接收一偏壓電流，其中偏壓電流僅有在輸出開關係為關閉狀態時才會被提高。
本發明另揭露一種源極驅動器之運算放大器。運算放大器包含第一級、偏壓電流源、第二級以及電容元件。第一級用以接收一類比畫素訊號。偏壓電流源用以提供偏壓電流給第一級，其包含有：一第一電流源、一第二電流源以及一偏壓開關。第一電流源提供一第一偏壓電流，而第二電流源經由該偏壓開關來提供一第二電流源。其中，當偏壓開關係為關閉時，偏壓電流係等於第一偏壓電流；而當偏壓開關係為導通時，偏壓電流係等於第一偏壓電流與第二偏壓電流之總和。第二級係經由輸出開關來耦接於源極驅動器之一輸出負載，而電容元件則耦接於第一級與第二級之間。偏壓電流僅有在輸出開關係為關閉時才會被提高。當輸出開關係為關閉時，導通偏壓開關；且於輸出開關導通之前，關閉偏壓開關。
本發明另揭露一種控制源極驅動器的運算放大器之方法。該方法包含有：提供該運算放大器，其包含第一級、偏壓電流源、第二級以及耦接於第一級與第二級之間的電容元件，並提供一輸出開關，其中偏壓電流源包含第一電流源、第二電流源以及偏壓開關；將第二級經由輸出開關耦接於源極驅動器之輸出負載；以及提供偏壓電流給第一級，其中當偏壓開關係為關閉時，偏壓電流 係等於第一電流源所提供之第一偏壓電流，而當偏壓開關係為導通時，偏壓電流係等於第一偏壓電流與第二電流源所提供之第二偏壓電流之總和。其中，偏壓電流僅有在輸出開關係為關閉時才會被提高。
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3圖為本發明顯示器之一源極驅動器300之一實施例的方塊圖。源極驅動器300包含(但不侷限於)一數位類比轉換器320、一輸出開關SW2以及一運算放大器340。數位類比轉換器320將一數位畫素訊號S1 轉換成一類比畫素訊號S2 ，而運算放大器340係耦接於數位類比轉換器320，用來根據類比畫素訊號S2 以經由 輸出開關SW2來驅動顯示器上之至少一資料線，此資料線則是模擬成一輸出負載360，例如由運算放大器340所驅動之電容C。
第4圖為第3圖所示之運算放大器340的詳細電路圖，運算放大器340包含第一級410、偏壓電流源460、第二級420以及電容元件C1 。電容元件C1 係耦接於第一級410以及第二級420之間，而輸出開關SW2則是耦接於第二級420以及輸出負載360之間。其中，第一級410係用來接收來自數位類比轉換器320之類比像素訊號，其包含有四個電晶體Q1~Q4，關於電晶體Q1~Q4的連接方式已顯示於第4圖中，為簡潔起見於此不再贅述。偏壓電流源460提供偏壓電流給第一級410，其包含一第一電流源430、一第二電流源440以及一偏壓開關SW1。第一電流源430係耦接於電晶體Q3、Q4，用來提供第一偏壓電流I11 ；而第二電流源440係經由偏壓開關SW1來提供一第二偏壓電流I22 ，其中偏壓開關SW1係與第二電流源440串聯耦接，且偏壓開關SW1、第二電流源440係與第一電流源430並聯耦接。當偏壓開關SW1係為關閉時，此時偏壓電流I會等於第一偏壓電流I11 ；當偏壓開關SW1係為導通時，偏壓電流I會等於第一偏壓電流I11 與第二偏壓電流I22 的總和(亦即I＝I11 ＋I22 )。第二級420包含一第五電晶體Q5以及一第三電流源450，其中第三電流源450係耦接於第五電晶體Q5。
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。熟知此項技藝者應可了解，在不違背本發明之 精神下，採用其他設計來實現運算放大器340皆是可行的。
當輸出開關控制訊號C_SW2導通輸出開關SW2時，運算放大器340會開始驅動輸出負載360；當輸出開關控制訊號C_SW2關閉輸出開關SW2時，運算放大器340會停止驅動輸出負載360。為了在不造成輸出波形中突波干擾的情況下，達到提昇運算放大器340之扭轉率的目的，本發明揭露了一種用以控制運算放大器340之機制。於關閉輸出開關SW2時，提高運算放大器340的偏壓電流I；換言之，於關閉輸出開關SW2時，經由一偏壓開關控制訊號C_SW1來導通偏壓開關SW1。
請注意，偏壓開關SW1與輸出開關SW2係可由一金屬氧化半導體電晶體(MOSFET)來實現之，或者由其他種類之開關來實現之。再者，上述之顯示器亦可為一液晶顯示裝置，但本發明並不侷限於此。
第5圖為第4圖所示之運算放大器340的偏壓開關控制訊號C_SW1、輸出開關控制訊號C_SW2以及偏壓電流I之第一實施例的波形圖。如第5圖所示，於時間T11 期間內，輸出開關SW2係為關閉且偏壓開關SW1係為導通，此時由於偏壓開關SW1係為導通，所以運算放大器340的偏壓電流I會被提高至電流值(I11 ＋I22 )；於時間T22 期間內，輸出開關SW2係為導通而偏壓開關SW1係為關閉，此時由於偏壓開關SW1係為關閉，所以運算放大 器340的偏壓電流I會保持在電流值I11 。如此一來，因為電流的迅速轉變而產生的突波干擾可透過輸出開關SW2而減輕。此外，於時間T11 期間之內，當偏壓開關SW1係為導通時，電容元件C1 可被充電至一目標電壓，因此，運算放大器340的扭轉率將不會被限制住。而於時間T22 期間內，當輸出開關SW2係為導通時，電容元件C1 可輕易地維持在一固定值，並擁有較好的穩壓能力。請注意，於本實施例中，偏壓開關SW1之導通時間(turn－on period)(亦即T11 )係等於輸出開關SW2之關閉時間(turn－off period)。
第6圖為第4圖所示之運算放大器340的偏壓開關控制訊號C_SW1、輸出開關控制訊號C_SW2以及偏壓電流I之第二實施例的波形圖。第6圖之波形圖係與第5圖之波形圖類似，兩者不同之處在於：於第6圖中，偏壓開關SW1係於時間T11 ’期間內導通，且時間T11 ’係小於時間T11 。換言之，時間T11 與時間T11 ’之間存在著一延遲時間(T11 －T11 ’)。請注意，於本實施例中，偏壓開關SW1之導通時間係小於輸出開關SW2之關閉時間(亦即T11 ’<T11 )。
請參考第7圖，第7圖為第4圖所示之運算放大器340的偏壓開關控制訊號C_SW1、輸出開關控制訊號C_SW2以及偏壓電流I之第三實施例的波形圖。第7圖之波形圖係與第5圖之波形圖類似，兩者不同之處在於：於第7圖中，偏壓開關SW1係於時間T12 ’期間內導通，並於時間T11 結束前關閉。換言之，在輸出開關SW2導通前，便會關閉偏壓開關SW1。請注意，於本實施例中， 偏壓開關SW1之導通時間係小於輸出開關SW2之關閉時間(亦即T12 ’<T11 )。
當然，上述之實施例僅為用來描述本發明特徵之例子，而非本發明之限制條件。孰知此項技藝者應可瞭解，時間T11 、T22 之各式各樣變化皆是可行的。舉例而言，時間T11 與時間T22 可以重疊(overlap)一小段時間，此亦隸屬於本發明所涵蓋之範圍。
請參考第8圖，第8圖為本發明控制一源極驅動器的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8圖所示的執行次序來執行)： 步驟802：開始。
步驟804：提供一運算放大器，其包含第一級、偏壓電流源、第二級及耦接於第一級與第二級之間的一電容元件，並提供一輸出開關，其中偏壓電流源包含第一電流源、第二電流源以及偏壓開關。
步驟806：將第二級經由輸出開關耦接於源極驅動器之一輸出負載。
步驟808：提供一偏壓電流給第一級，其中當偏壓開關係為關閉時，偏壓電流係等於第一電流源所提供之一第一偏壓電流，而當偏壓開關係為導通時，偏壓電流係等於第一偏 壓電流與第二電流源所提供之第二偏壓電流之總和。
步驟810：僅在輸出開關係為關閉時，才導通偏壓開關以提高運算放大器的偏壓電流。
步驟812：關閉偏壓開關，接著導通輸出開關。
接下來，將配合第8圖所示之各步驟、第4圖所示之各元件以及第5圖、第7圖的波形圖來進一步說明詳細運作方式。於步驟804~806中，提供運算放大器340，由於運算放大器340的內部架構以及耦接方式已詳述於前，為簡潔起見，故於此不再贅述。於步驟808中，提供偏壓電流I給第一級410，其中在關閉偏壓開關SW1時，偏壓電流I等於第一偏壓電流I11 ；否則，偏壓電流I等於第一偏壓電流I11 與第二偏壓電流I22 的總和。於步驟810，偏壓開關SW1僅有在關閉輸出開關SW2時才會導通，如第5圖所示之時間T11 ，此時偏壓電流I才會被提高。於步驟812，當導通輸出開關SW2時，才會關閉偏壓開關SW1，如第5圖所示之時間T22 。如第7圖所示，先關閉偏壓開關SW1後再導通輸出開關SW2。
請注意，第8圖之方法僅為本發明可行實施例之一，並非用來侷限本發明之範疇，此外，上述步驟順序僅為本發明方法之一較佳實施例。換言之，上述之步驟順序可視情況而調整之，並不限定要依據實施例所示之順序來執行。
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，本發明提供一種顯示器之源極驅動器及其相關運算放大器與方法。僅在輸出開關SW2係為關閉時才將運算放大器340的電流I提高，如此一來，可以達到改善運算放大器340之迴轉率的目的而不會導致輸出波形中產生突波干擾。假使提高運算放大器340的偏壓電流I的動作在開始驅動輸出負載360前就結束了，可以避免液晶顯示裝置上發生亮度不均的現象，此外，電容元件C1 可以很輕易地維持在一固定值內，並擁有較好的穩壓能力。本發明所揭露之控制運算放大器340的機制尤其適用於輕負載裝置，例如筆記型電腦等要求低功耗的裝置。如此一來，不僅輕負載裝置的顯示品質可以提昇，且可以達到節省功率的目的。
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。
110、340‧‧‧運算放大器
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
C_SW‧‧‧開關控制訊號
SW‧‧‧開關
120、360‧‧‧輸出負載
C‧‧‧電容
I‧‧‧偏壓電流
I1 、I1 ’、I11 ＋I22 、I11 ‧‧‧電流值
T1 、T2 、T11 、T22 、T11 ’、T12 ’‧‧‧時間
300‧‧‧源極驅動器
320‧‧‧數位類比轉換器
SW2‧‧‧輸出開關
S1 ‧‧‧數位畫素訊號
S2 ‧‧‧類比畫素訊號
C_SW2‧‧‧輸出開關控制訊號
C_SW1‧‧‧偏壓開關控制訊號
410‧‧‧第一級
420‧‧‧第二級
460‧‧‧偏壓電流源
C1 ‧‧‧電容元件
Q1~Q4、Q5‧‧‧電晶體
430‧‧‧第一電流源
440‧‧‧第二電流源
SW1‧‧‧偏壓開關
450‧‧‧第三電流源
802~812‧‧‧步驟
第1圖為傳統源極驅動器之運算放大器之示意圖。
第2圖為第1圖所示之運算放大器的開關控制訊號以及偏壓電流的波形圖。
第3圖為本發明顯示器之一源極驅動器之一實施例的方塊圖。
第4圖為第3圖所示之運算放大器的詳細電路圖。
第5圖為第4圖所示之運算放大器的偏壓開關控制訊號、輸出開關控制訊號以及偏壓電流之第一實施例的波形圖。
第6圖為第4圖所示之運算放大器的偏壓開關控制訊號、輸出開關控制訊號以及偏壓電流之第二實施例的波形圖。
第7圖為第4圖所示之運算放大器的偏壓開關控制訊號、輸出開關控制訊號以及偏壓電流之第三實施例的波形圖。
第8圖為本發明控制一源極驅動器的運算放大器之方法之一操作範例的流程圖。
C_SW2‧‧‧輸出開關控制訊號
C_SW1‧‧‧偏壓開關控制訊號
I‧‧‧偏壓電流
I11 ＋I22 、I11 ‧‧‧電流值
T11 、T22 ‧‧‧時間

Claims (18)

  1. 一種應用於顯示器之源極驅動器，包含有：一數位類比轉換器，用以將一數位畫素(pixel)訊號轉換成一類比畫素訊號；一輸出開關；以及一運算放大器，耦接於該數位類比轉換器，用來根據該類比畫素訊號以經由該輸出開關來驅動該顯示器之至少一資料線，且該運算放大器接收一偏壓電流；其中，該偏壓電流僅有在該輸出開關係為關閉時才會被提高，以及該輸出開關係設置於該運算放大器之一輸出端與該至少一資料線之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之源極驅動器，其中該運算放大器另包含：一第一級，用以接收該類比畫素訊號；一偏壓電流源，用以提供該偏壓電流給該第一級，該偏壓電流源包含有：一第一電流源，用以提供一第一偏壓電流；一偏壓開關；及一第二電流源，用以經由該偏壓開關來提供一第二電流源；其中，當該偏壓開關係為關閉時，該偏壓電流係等於該第一偏壓電流；而當該偏壓開關係為導通時，該偏壓電流係等於該第一偏壓電流與該第二偏壓電流之總和；以及 一第二級，經由該輸出開關來耦接於該資料線；以及一電容元件，耦接於該第一級與該第二級之間；其中，該偏壓開關僅有在該輸出開關係為關閉時才會導通。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之源極驅動器，其中該偏壓開關之一導通時間(turn-on period)係不大於該輸出開關之一關閉時間(turn-off period)。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之源極驅動器，其中該偏壓開關係於導通該輸出開關時被關閉。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之源極驅動器，其中該偏壓開關係於導通該輸出開關前被關閉。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之源極驅動器，其中該偏壓開關以及該輸出開關各為一金屬氧化半導體電晶體(MOSFET)。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之源極驅動器，其中該第一級另包含：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電容元件； 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以及該第一、第二電晶體之該控制端，以及一第二端耦接於該第一電流源以及該偏壓開關；以及一第四電晶體，具有一第一端耦接於該第二電晶體之該第二端以及該電容元件，以及一第二端耦接於該第三電晶體之該第二端、該第一電流源以及該偏壓開關。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之源極驅動器，其中該第二級另包含：一第五電晶體，具有一第一端耦接於該第一、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以及該電容元件之一第一端，以及一第二端耦接於該電容元件之一第二端；以及一第三電流源，耦接於該第五電晶體之該第二端以及該電容元件之該第二端。
  9. 一種源極驅動器之運算放大器，該運算放大器接收一偏壓電流，其包含有：一第一級，用以接收一類比畫素訊號；一偏壓電流源，用以提供該偏壓電流給該第一級，該偏壓電流源包含有：一第一電流源，用以提供一第一偏壓電流；一偏壓開關；及 一第二電流源，用以經由該偏壓開關來提供一第二電流源；其中，當該偏壓開關係為關閉時，該偏壓電流係等於該第一偏壓電流；而當該偏壓開關係為導通時，該偏壓電流係等於該第一偏壓電流與該第二偏壓電流之總和；以及一第二級，經由該輸出開關來耦接於該源極驅動器之一輸出負載；以及一電容元件，耦接於該第一級與該第二級之間；其中，該偏壓電流僅有在該輸出開關係為關閉時才會被提高，以及該輸出開關係設置於該運算放大器之一輸出端與該輸出負載之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之運算放大器，其中該偏壓開關之一導通時間係不大於該輸出開關之一關閉時間。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之運算放大器，其中該偏壓開關係於導通該輸出開關時被關閉。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之運算放大器，其中該偏壓開關係於導通該輸出開關前被關閉。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之運算放大器，其中該偏壓開關以及該輸出開關各為一金屬氧化半導體電晶體。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之運算放大器，其中該第一級另包含：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電容元件；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以及該第一、第二電晶體之該控制端，以及一第二端耦接於該第一電流源以及該偏壓開關；以及一第四電晶體，具有一第一端耦接於該第二電晶體之該第二端以及該電容元件，以及一第二端耦接於該第三電晶體之該第二端、該第一電流源以及該偏壓開關。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之運算放大器，其中該第二級另包含：一第五電晶體，具有一第一端耦接於該第一、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以及該電容元件之一第一端，以及一第二端耦接於該電容元件之一第二端；以及一第三電流源，耦接於該第五電晶體之該第二端以及該電容元件之該第二端。
  16. 一種控制一源極驅動器之一運算放大器之方法，包含有： 提供該運算放大器，該運算放大器包含一第一級、一偏壓電流源、一第二級以及耦接於該第一級與該第二級之間的一電容元件，並提供一輸出開關，其中該偏壓電流源包含一第一電流源、一第二電流源以及一偏壓開關；將該第二級經由該輸出開關耦接於該源極驅動器之一輸出負載；以及提供一偏壓電流給該第一級，其中當該偏壓開關係為關閉時，該偏壓電流係等於該第一電流源所提供之一第一偏壓電流，而當該偏壓開關係為導通時，該偏壓電流係等於該第一偏壓電流與該第二電流源所提供之一第二偏壓電流之總和；其中，該偏壓電流僅有在該輸出開關係為關閉時才會被提高，其中該輸出開關係設置於該運算放大器之一輸出端與該輸出負載之間。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其另包含於導通該輸出開關時關閉該偏壓開關之步驟。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其另包含於導通該輸出開關前關閉該偏壓開關之步驟。
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