TWI473423B

TWI473423B - 多輸入運算放大器及其輸出電壓的補償方法

Info

Publication number: TWI473423B
Application number: TW100122899A
Authority: TW
Inventors: Ju Lin Huang; Chun Yung Cho; yu shao Liu
Original assignee: Novatek Microelectronics Corp
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2015-02-11
Also published as: US20130002353A1; US8536946B2; TW201301751A

Description

多輸入運算放大器及其輸出電壓的補償方法

本發明是有關於一種多輸入運算放大器，且特別是有關於一種多輸入運算放大器的輸出誤差的補償方法。

在減少積體電路(Integrated Circuit,IC)的佈局面積的考量下，許多顯示器驅動積體電路的輸出緩衝器都會利用多輸入運算放大器來建構。這種多輸入運算放大器可以藉由數個不同的電壓值，藉由內插來產生組合式的輸出電壓。

請參照圖1繪示的習知的多輸入運算放大器的輸入級之內部電路圖。如圖1所示，多輸入運算放大器的輸入級具有K個差動對，其中K為大於1的正整數，譬如為4。每一差動輸入對具有一輸入端耦接至多輸入運算放大器之一輸出端以接收輸出電壓VO，以及具有另一輸入端IN1~INK則分別接收輸入電壓V1~VK。每一差動對根據所接收的輸入電壓V1~VK來產生一差動訊號V(+)與V(－)，以供後續之輸出級電路產生該輸出電壓VO。

假設輸入電壓V1~VK只有兩種準位的電壓VH及VL，在輸入電壓V1~VK的電壓分別為VH、VL、VL、…及VL時，多輸入運算放大器100的輸出端的輸出電壓VO等於VL+(VH-VL)/K。依此類推，可以獲得如表1中所示的輸入電壓V1~VK與輸出電壓VO的關係。其中表1如下所示：

另外，根據理論計算，輸出電壓VO亦可以如數學式1來表示：

其中的N與M分別為輸入端IN1~INK所接收的輸入電壓V1~VK的電壓為VL及VH的個數，而gm_H 以及gm_L 分別為差動對接收的輸入電壓V1~VK的電壓準位為VL及VH時的轉導。

由數學式(1)可以清楚得知，只有在gm_H 以及gm_L 相等的情況下，圖1的多輸入運算放大器的輸出電壓VO才能理想地如表1所示。然而，由圖2繪示的轉導與差動輸入對之兩輸入端之輸入電壓差±ΔV的關係圖來看，轉導會隨著輸入電壓差ΔV改變，所以gm_H 以及gm_L 不一定會相等。而這個gm_H 以及gm_L 間的差異，也造成了多輸入運算放大器100的輸出電壓Vo在輸入電壓V1~VK的特定組合下，產生誤差，而無法理想地如表1所示。譬如是當K=4時，類型2(亦即V1~V4為VH、VL、VL、VL)的實際輸出電壓VO會比理想值來得低，而類型4(亦即V1~V4為VH、VH、VH、VL)的實際輸出電壓VO卻比理想值來得高。

本發明提供一種適用於多輸入運算放大器的輸出誤差的補償方法，用以補償多輸入運算放大器在輸入電壓之特定組合下所產生的輸出誤差。

本發明提供一種多輸入運算放大器，有效補償在不同準位的輸入電壓的條件下所產生的輸出誤差。

本發明提出一種適用於多輸入運算放大器的輸出誤差的補償方法。其中的多輸入運算放大器具有多個差動對，且此些差動對當中每一者具有第一輸入端耦接至多輸入運算放大器的輸出端，以及具有第二輸入端用於接收輸入電壓，其中輸入電壓可落於複數種位準。補償方法包括：針對差動對之第二輸入端所接收之輸入電壓為特定位準組合之情況，實行下述步驟(i)~(iv)，其中：(i)獲得差動對分別具有的複數個原始轉導值；(ii)依據複數個原始轉導值，獲得差動對當中之複數個需調整者各自之一轉導差值；(iii)依據轉導差值與原始轉導值，以獲得需調整的差動對各自之一經調整之轉導值；(iv)利用經調整之轉導值來分別調整需調整的差動對之轉導，以使輸出電壓在輸入電壓之複數種組合之情況下皆能符合期望值。

本發明另提出一種多輸入運算放大器，包括複數個差動對。差動對當中每一者具有輸入端耦接至多輸入運算放大器的輸出端。差動對具有另一輸入端，用於接收輸入電壓，其中，輸入電壓可落於複數種位準。其中，複數個差動對當中之多個差動對之轉導係經調整，而相較於複數個差動對當中之其他者，於同樣位準之該輸入電壓下具有轉導差值，藉以在複數個差動對之輸入電壓之複數種組合下，輸出電壓皆能符合一期望值。

基於上述，本發明計算多輸入運算放大器中的多個差動對接收輸入電壓時的轉導，並藉由轉導的差來調整至少其中之一的差動對的轉導。使多輸入運算放大器的輸出誤差可以得到補償，提升多輸入運算放大器輸出的準確度。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下針對多輸入運算放大器的輸出誤差的補償方法提出多個實施範例來加以說明，期使本領域具通常知識者得以瞭解並具以實施。

圖3為依據一實施例的輸出誤差的補償方法的流程圖。此輸出誤差的補償方法300適用於如圖1繪示的多輸入運算放大器。圖4則為一實施例的多輸入運算放大器400的示意圖。以下請一併參照圖3與圖4以便於理解。

值得注意的是，以下係利用輸出誤差的補償方法300應用至圖4的四輸入運算放大器400來解釋流程之細節。然實際上輸出誤差的補償方法300可應用至各種輸入數目的多輸入運算放大器。只要多輸入運算放大器具有多個差動對，且此些差動對當中每一個都具有第一輸入端以及第二輸入端。第一輸入端可耦接至多輸入運算放大器的輸出端，而其第二輸入端用於接收輸入電壓，其中輸入電壓可以落於不同的複數種位準即可。

關於四輸入運算放大器400之具體架構，請參照圖4中。多輸入運算放大器400包括多個差動對411~414以及偏壓電流產生器421~424。差動對411~414的一輸入端共同耦接至多輸入運算放大器400的輸出端以接收輸出電壓VO。而差動對411~414未耦接多輸入運算放大器400輸出端的輸入端則分別接收輸入電壓V1~V4。

差動對411中包括電晶體M411及M412，差動對412包括電晶體M421及M422、差動對413包括電晶體M431及M432，差動對414包括電晶體M441及M442。以差動對411為範例，電晶體M411與電晶體M412各具有第一端、第二端以及控制端。其中，電晶體M411與電晶體M412的第一端相互耦接，電晶體M411的控制端接收輸入電壓V1，電晶體M412的控制端則耦接至多輸入運算放大器400輸出端以接收輸出電壓VO。另外，電晶體M411及M412的第二端則分別耦接至端點T1及T2。端點T1與T2可耦接至後級的放大級與輸出級電路(未顯示於圖中)。

偏壓電流產生器421~424分別耦接至差動對411~414以提供多個偏壓電流至差動對411~414。在本實施例中，偏壓電流產生器421耦接至電晶體M411及M412相互耦接的第一端，偏壓電流產生器422耦接至電晶體M421及M422相互耦接的第一端，偏壓電流產生器423耦接至電晶體M431及M432相互耦接的第一端，而偏壓電流產生器424耦接至電晶體M441及M442相互耦接的第一端。在本實施例中，偏壓電流產生器421~424分別由電晶體BM41~BM44所建構。

在進行多輸入運算放大器400的差動對411~414的轉導調整時，則需針對差動對411~414之輸入端所接收之輸入電壓V1~V4為特定位準組合之情況，實行圖3所繪示的步驟S310~S340。而此特定位準之組合，則為輸出電壓VO發生誤差之情況。舉例而言，為表1中的類型2(亦即V1~V4為VH、VL、VL、VL)與類型4(亦即V1~V4為VH、VH、VH、VL)當中之一者。於以下之說明中，將針對此特定位準之組合為類型2來說明，然可輕易類推類型4之情況。

在步驟S310中，先獲得差動對411~414分別具有的原始轉導值。由於特定位準之組合為類型2，因此差動對411~414的原始轉導值分別為gm_H 、gm_L 、gm_L 以及gm_L 。在此，gm_H 為接收上述特定組合之輸入電壓V1~V4下的差動對411之原始轉導值，gm_L 則為上述特定組合之輸入電壓V1~V4下差動對412~414當中每一者之原始轉導值

原始轉導值的計算，通常可以利用電路模擬的方式，或是對實體的差動對411~414進行直接量測來獲得。舉例來說，可以直接將多輸入運算放大器400的輸出端所產生的輸出電壓VO輸入至差動對411~414的一輸入端(也就是電晶體M412~M442的閘極)上，並且分別對差動對411~414的另一輸入端提供上述特定組合的輸入電壓V1~V4為VH、VL、VL、VL來進行計算。或者，也可以針對單一個輸入對，直接在各差動對411~414的兩個輸入端間提供特定的電壓差ΔV來計算。在類型2的輸入電壓V1~V4分別為VH、VL、VL、VL，而輸出電壓VO可假設為。因此，可分別提供差動對411~414的差動電壓為ΔV ₁ ~ΔV ₄ ，，來計算其原始轉導gm_H 、gm_L 、gm_L 以及gm_L 。

接著，在步驟S320中，則依據步驟S310中所獲得的複數個原始轉導值，來獲得差動對411~414當中之複數個需調整的差動對的各自的轉導差值。在此，並不需要針對所有的差動對411~414進行轉導差值的調整，可以選擇其中的數個(例如2個)差動對的轉導差值來進行個別的調整。

在此實施例中，係選擇其中的差動對412及413來針對其轉導值進行轉導差值Δgm的調整；並且，可設定差動對412及413之轉導差值是相等的。換言之，調整後差動對411~414所提供的轉導值分別為gm_H 、gm_L -Δgm、gm_L -Δgm以及gm_L 。於一實施例中，轉導差值-Δgm係等於=-3/2(gm_L -gm_H )。以下將詳細說明轉導差值之推導原理。

由於在差動對411~414所接收的輸入電壓V1~V4分別為VH、VL、VL及VL的情況下，理想的輸出電壓VO應等於VL+(VH-VL)/4。也就是說，差動對411~414所接收的輸入電壓的差ΔV1~ΔV4分別如下數學式(2)所示：

也因此，端點T2以及T1上的電流i(+)以及i(-)可以表示如下所示的數學式(3)：

在符合輸出電壓VO等於VL+(VH-VL)/4的要求下，上述數學式(3)中的i(+)與i(-)應都等於0。在此條件下計算上述的數學式(3)後可以得到如下所示的數學式(4)：

接下來，在步驟S330中，則依據轉導差值與原始轉導值，來獲得需調整的差動對的各自的經調整後的轉導值。如前所述，差動對411~414的各自的經調整後的轉導值為：gm_H 、gmL’=gm_L -Δgm、gmL’=gm_L -Δgm以及gm_L ，亦即為gm_H 、1/2gm_L 、1/2gm_L 以及gm_L 。換言之，於同樣接收VL之輸入電壓下，差動對411~414當中之特定差動對412與413經過轉導調整後之轉導值為gm_L ’，相較於差動對414之轉導值為gm_L ，就相差有一轉導差值。gm _H 為該第一差動對411之轉導值，而gm_L 為第四差動對414之轉導值。

最後，在步驟S340中，利用經調整之轉導值來分別調整需調整的差動對之轉導，以使輸出電壓VO在輸入電壓V1~V4之複數種組合之情況下皆能符合期望值。

在此所述的輸入電壓V1~V4的複數種組合，可以是分別針對差動對411~414的未接收輸出電壓的輸入端輸入相對高準位的輸入電壓VH或相對低準位的輸入電壓VL。以圖4繪示的多輸入運算放大器400為範例，輸入至差動對411~414的輸入電壓V1~V4的組合的可以是(VH、VH、VH、VH)、(VH、VH、VH、VL)、(VL、VH、VH、VH)以及(VL、VL、VL、VL)，或是其中的一部分。而上述組合，對應當中每一種的輸入電壓V1~V4之期望值係實質上等於表1所列示之值，亦即等於(N×VH+M×VL)/(N+M)，N與M為在該組合下的輸入電壓為相對高準位的輸入電壓VH與相對低準位的輸入電壓VL的個數，其中的N+M等於4。

值得注意的是，在進行步驟S340時，調整需調整的差動對之轉導的做法則可以藉由調整需調整的差動對412及413的輸入電晶體M421、M422、M431及M432的寬長比(width length ratio,W/L)，或是調整需調整的差動對412及413所接收的偏壓電流的電流值。

假設轉導值gm_H 以及轉導值gm_L 的比是2：3，轉導差值Δgm將可推得等於gm_L /2。也就是說，在本範例中需要針對轉導值gm_L 進行調整，而調整的值等於gm_L /2。

因此，在選擇差動對412及413進行調整的條件下，可以利用使差動對412及413中的電晶體M411~M422的長寬比(W/L)調小為原來的四分之一(W/(4L))。或是，透過調整偏壓電流產生器422及423所提供的偏壓電流為四分之一。

接著請參照圖5，圖5繪示本發明的再一實施例的多輸入運算放大器500的示意圖。與前一實施例的多輸入運算放大器400不相同的是，多輸入運算放大器500中所包括的差動對511~514以及偏壓電流產生器521~524分別是利用P型電晶體M511~M542及BM51~BM54來建構，與多輸入運算放大器400中所包括的差動對411~414以及偏壓電流產生器421~424分別是利用N型電晶體M411~M442及BM41~BM44來建構的不相同。

在此請特別注意，不論是利用N型電晶體或P電晶體或是P、N型電晶體混合建構的多輸入運算放大器都可以應用調整轉導的方式來進行其輸出電壓的補償。因此，可同樣應用圖3所示之流程來進行補償，細節在此為簡明之故不再贅述之。

值得一提的是，上述實施例中所提出的多輸入運算放大器400與500為四輸入的運算放大器，僅只是範例，並非用來限說本發明的多輸入運算放大器所可以提供的輸入數量。於其他實施例中，可應用至更多輸入的多輸入放大器。

上述實施例的獨特特徵在於，藉由調整特定差動對的轉導值，能夠補償其他差動對因為差動電壓所造成的轉導值改變，進而使得輸出電壓VO仍夠達到期望值。此外，雖然僅針對針對差動對411~414之輸入端所接收之輸入電壓V1~V4為某一特定位準組合之情況來僅針對步驟S310~S340之調整，然而經調整之轉導值，卻能讓在輸入電壓V1~V4之各種組合下，輸出電壓VO都能夠達到理想。

綜上所述，本發明利用接收差動對接收輸入電壓時所提供的轉導，再針對上述的轉導計算出轉導差值，來進行差動對的轉導的調整。並藉以達到多輸入運算放大器的輸出電壓的誤差補償，提升多輸入運算放大器的輸出電壓的精確度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何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內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、400、500．．．多輸入運算放大器

411~414、511~514．．．差動對411~414

421~424、521~524．．．偏壓電流產生器

V1~V4．．．輸入電壓

IN1~IN4．．．輸入端

VO．．．輸出電壓

S310~S340．．．輸出誤差的補償方法的步驟

M411~M442、M511~M542、BM41~BM44、

BM51~BM54．．．電晶體

T1、T2．．．端點

圖1繪示的習知的多輸入運算放大器100的示意圖。

圖2繪示的轉導與輸入電壓的差±ΔV的關係圖。

圖3繪示本發明的一實施例的輸出誤差的補償方法的流程圖。

圖4繪示本發明的另一實施例的多輸入運算放大器400的示意圖。

圖5繪示本發明的再一實施例的多輸入運算放大器500的示意圖。

S310~S340．．．輸出誤差的補償步驟

Claims

一種輸出誤差的補償方法，適用於一多輸入運算放大器，該多輸入運算放大器具有多數個差動對，該些差動對當中每一者具有一第一輸入端耦接至該多輸入運算放大器的輸出端，以及具有一第二輸入端用於接收一輸入電壓，其中該輸入電壓可落於複數種位準，該方法包括：針對該些差動對之該些第二輸入端所接收之該些輸入電壓為一特定位準組合之情況，實行下述步驟(i)~(iv)(i)獲得該些差動對分別具有的複數個原始轉導值；(ii)依據該複數個原始轉導值，獲得該些差動對當中之複數個需調整者各自之一轉導差值；(iii)依據該些轉導差值與該些原始轉導值，獲得該些需調整的差動對各自之一經調整之轉導值；以及(iv)利用該些經調整之轉導值來分別調整該些需調整的差動對之轉導，以使該輸出電壓在該些輸入電壓之複數種組合之情況下皆能符合一個別期望值。
如申請專利範圍第1項所述之補償方法，其中該些差動對之數目為4，以及該複數種組合當中每一者下該輸入電壓之該個別期望值係實質上等於(NVH+MVL)/(N+M)，VH與VL分別為該複數種位準當中之一高位準與一低位準，N與M為在該組合下該些輸入電壓為該高位準與該低位準之個數。
如申請專利範圍第1項所述之補償方法，其中該些差動放大器包括第一至第四差動對，以及該第一至第四差動對之該些第二輸入端所接收之該些輸入電壓之該特定組合為(VH、VL、VL、VL)或(VH、VH、VH、VL)，其中VH與VL分別為該複數種位準當中之一高位準與一低位準。
如申請專利範圍第3項所述之補償方法，其中該第二與第三差動對係該些需經調整之差動對。
如申請專利範圍第4項所述之補償方法，其中該第二與第三差動對之該轉導差值係相等。
如申請專利範圍第5項所述之補償方法，其中該特定組合為(VH、VL、VL、VL)，該第二與第三差動對當中每一者之該轉導差值-△gm 係實質上等於以及該第二與第三差動對之該些經調整之轉導值分別為gm _L -△gm ，其中gm _H 為該特定組合下該第一差動對之該原始轉導值，gm _L 為該特定組合下該第二至第四差動對當中每一者之該原始轉導值。
如申請專利範圍第1項所述之補償方法，其中步驟(iv)係包括：依據該些需調整之差動對之該些經調整之轉導值，來調整該些需調整之差動對當中每一者內之複數個輸入電晶體的寬長比。
如申請專利範圍第1項所述之補償方法，其中步驟(iv)係包括：依據該些需調整之差動對之該些經調整之轉導值，來調整該些需調整之差動對當中每一者內的一偏壓電流的電流值。
如申請專利範圍第1項所述之補償方法，其中該些差動放大器包括第一至第四差動對，以及該第一至第四差動對之該些第二輸入端所接收之該些輸入電壓之該複數種組合係包括：(VH、VH、VH、VH)、(VH、VL、VL、VL)、(VH、VH、VL、VL)、(VH、VH、VH、VL)以及(VH、VH、VH、VH)，其中VH與VL分別為該複數種位準當中之一高位準與一低位準。
一種多輸入運算放大器，包括：複數個差動對，該些差動對當中每一者具有一輸入端耦接至該多輸入運算放大器的一輸出端，以及具有另一輸入端，用於接收一輸入電壓，其中該輸入電壓可落於複數種位準；其中該複數個差動對當中之多個差動對之轉導係經調整，而相較於該複數個差動對當中之其他者，於同樣位準之該輸入電壓下具有一轉導差值，藉以在該複數個差動對之該些輸入電壓之複數種組合下，該輸出電壓皆能符合一個別期望值。
如申請專利範圍第10項所述之多輸入運算放大器，其中該些差動放大器包括第一至第四差動對，以及該第一至第四差動對之該些第二輸入端所接收之該些輸入電壓之該特定組合為(VH、VL、VL、VL)或(VH、VH、VH、 VL)，其中VH與VL分別為該複數種位準當中之一高位準與一低位準，以及該第二與第三差動對係該多個差動對。
如申請專利範圍第11項所述之多輸入運算放大器，其中該第二與第三差動對之該轉導差值係相等。
如申請專利範圍第12項所述之多輸入運算放大器，其中當該些輸入電壓為(VH、VL、VL、VL)時，該第二與第三差動對之轉導值分別為gm _L -△gm ，該第四差動對之轉導值為gm _L ，其中-△gm 為該第二與第三差動對之該轉導值差值。
如申請專利範圍第13項所述之多輸入運算放大器，其中，其中gm _H 為該第一差動對之轉導值。
如申請專利範圍第12項所述之多輸入運算放大器，其中該多個差動對當中每一者內之複數個輸入電晶體的寬長比係依據各自的轉導差值來調整。
如申請專利範圍第10項所述之多輸入運算放大器，其中該多個差動對當中每一者內的一偏壓電流的電流值係依據各自的轉導差值來調整。
如申請專利範圍第10項所述之多輸入運算放大器，其中該些差動放大器包括第一至第四差動對，以及該第一至第四差動對之該些第二輸入端所接收之該些輸入電壓之該複數種組合係包括：(VH、VH、VH、VH)、(VH、VL、VL、VL)、(VH、VH、VL、VL)、(VH、VH、VH、 VL)以及(VH、VH、VH、VH)，其中VH與VL分別為該複數種位準當中之一高位準與一低位準。