TWI527365B - 運算放大器之偏壓電流控制方法及驅動電路 - Google Patents

Description

運算放大器之偏壓電流控制方法及驅動電路

本發明係關於一種用於一運算放大器之偏壓電流控制方法與相關驅動電路，尤指一種兼具降低功率消耗與迴轉率提升而能達最佳化系統效能之偏壓電流控制方法與相關驅動電路。

運算放大器是各種電子電路中一個重要的電路組成元件。電路設計者可使用運算放大器來實現不同的運作功能。例如，在液晶顯示器之驅動電路中，運算放大器常被應用為一輸出緩衝器，其依據前級數位至類比轉換器所輸出之類比訊號，對負載(即液晶)進行充放電，以驅動液晶顯示器上相對應的畫素單元。然而，隨著液晶顯示器尺寸及解析度的提高，液晶顯示器的驅動電路每單位時間所輸出的資料量也越來越多，因此運算放大器的反應速度，即迴轉率(Slew Rate)也必須大幅地提高。

一般來說，運算放大器通常為二級結構電路，主要包含有一輸入級電路及一輸出級電路。輸入級電路係用來提高運算放大器的增益，而輸出級電路則用來推動運算放大器所連接的電容性或是電阻性負載。由於傳統運算放大器具有迴路穩定度不足的問題，習知運算放大器通常會藉由米勒補償(Miller Compensation)電容進行頻率補償，以達到穩定迴路的效果。習知運算放大器在驅動負載時，迴轉率往往會被輸入級電路之偏壓電流所影響，而使驅動能力受到限制。詳細來說，運算放大器的反應速度(迴轉率)取決於運算放大器內部輸入級電路之偏壓電流與輸出級電路之驅動能力，通常可藉 由下列迴轉率方程式表示：迴轉率。其中，I為偏壓電流，C為內 部電容之大小，而△V則代表運算放大器所輸出之電壓變化，t為時間。也就是說，運算放大器的反應速度係由輸入級電路之偏壓電流對運算放大器之內部電容的充放電速度決定。當偏壓電流越大時，其對內部電容之充放電的速度相對越快，當然，運算放大器的反應速度也就越快。因此，習知技術通常會藉由增加輸入級電路之偏壓電流來提升運算放大器內部的迴轉率，以加快運算放大器驅動速度。

舉例來說，請參考第1圖，第1圖為習知具迴轉率提升功能之一驅動電路10之示意圖。驅動電路10包含一運算放大器102與一偏壓電流控制單元104。運算放大器102用來根據一輸入電壓VI，產生一輸出電壓VO至一負載LOAD。偏壓電流控制單元104用來控制運算放大器102之一偏壓電流大小，以提升運算放大器102之內部迴轉率。一般來說，為了提升運算放大器102之反應速度，通常會在運算放大器102尚未開啟對負載LOAD充放電時，藉由偏壓電流控制單元104提高運算放大器102之偏壓電流I，以提升運算放大器102之內部迴轉率，如此一來，當驅動負載LOAD(亦即對負載LOAD進行充放電)時，才不至於受限於運算放大器102之內部迴轉率過小的影響，而能快速驅動負載LOAD達到所需的驅動能力。請參考第2圖，第2圖為第1圖中之驅動電路10之相關訊號波形圖。其中一負載輸入訊號LD用來指示運算放大器102驅動負載LOAD，假設於負載輸入訊號LD之下降邊緣，運算放大器102會開始對負載LOAD充放電，換句話說，於負載輸入訊號LD之下降邊緣之前，運算放大器102之內部迴轉率提升程序即必須被完成。如第2圖所示，於T1期間，偏壓電流控制單元104將運算放大器102之偏壓電流控制於一高準位，以提昇其迴轉率。於T2期間，由於內部迴轉率已提升，因此，偏壓電流控制單元104將運算放大器102之偏壓電流控制於 一正常操作準位。於T3期間，如第2圖所示，輸出電壓VO開始上升直至一驅動準位。由於在T2期間中，也就是說，自運算放大器102之迴轉率獲得提昇之後，一直到運算放大器102開始驅動負載LOAD之前，運算放大器102不需進行任何操作，因此，在T2期間中，將徒使所提供的偏壓電流虛耗，而導致許多額外的功率消耗，對於需要省電的電子裝置來說相當不利。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於一運算放大器之偏壓電流控制方法與相關驅動電路。

本發明係揭露一種用於一運算放大器之偏壓電流控制方法，該偏壓電流控制方法包含有：接收一負載輸入訊號並判斷該負載輸入訊號之訊號週期大小以產生一判斷訊號，其中該負載輸入訊號用以控制該運算放大器對一負載進行充放電動作；以及根據該判斷訊號產生一偏壓電流調變訊號至該運算放大器。

本發明另揭露一種驅動電路，包含有一運算放大器；一偵測單元，用來接收一負載輸入訊號，並判斷該負載輸入訊號之週期大小以產生一判斷訊號，其中該負載輸入訊號控制該運算放大器對一負載進行充放電動作；以及一偏壓電流控制單元，耦接於該運算放大器與該偵測單元，用來根據該判斷訊號產生一偏壓電流調變訊號至該運算放大器。

10、40‧‧‧驅動電路

102、402‧‧‧運算放大器

104、406‧‧‧偏壓電流控制單元

30‧‧‧流程

300、302、304、306、308‧‧‧步驟

404‧‧‧偵測單元

HI‧‧‧高偏壓電流調變訊號

I‧‧‧偏壓電流

LD‧‧‧負載輸入訊號

LI‧‧‧低偏壓電流調變訊號

LOAD‧‧‧負載

SD‧‧‧判斷訊號

SR‧‧‧迴轉率操作訊號

VI‧‧‧輸入電壓

VO‧‧‧輸出電壓

第1圖為習知具迴轉率提升功能之一驅動電路之示意圖。

第2圖為第1圖中之驅動電路之相關訊號波形圖。

第3圖為本發明實施例之用於運算放大器之一偏壓電流控制流程之示意圖。

第4圖為本發明實施例之一驅動電路之示意圖。

第5圖為第4圖之驅動電路之相關訊號波形圖。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例用於一運算放大器之一偏壓電流控制流程30之示意圖。流程30包含有下列步驟：步驟300：開始。

步驟302：偵測一迴轉率操作訊號。

步驟304：判斷迴轉率操作訊號之訊號週期大小，以產生一判斷訊號。

步驟306：根據判斷訊號與迴轉率操作訊號，產生一高偏壓電流調變訊號或一低偏壓電流調變訊號至運算放大器。

步驟308：結束。

根據流程30，於運算放大器開始驅動外部負載前，本發明可根據所偵測到之迴轉率操作訊號，判斷其訊號週期大小，以產生相對應之判斷訊號。接著，本發明根據判斷訊號，於迴轉率操作訊號之訊號持續期間，產生高偏壓電流調變訊號至運算放大器，以於驅動外部負載之前能夠順利完成提升運算放大器之迴轉率的目的，接著，並產生低偏壓電流調變訊號至運算放大器，以降低運算放大器之功率消耗。因此，透過流程30之操作，本發明於運算放大器開始驅動負載前，可根據判斷訊號，分別提供相對應之高偏壓電流調變訊號與低偏壓電流調變訊號至運算放大器，如此一來，除了可完成強化運算放大器之內部迴轉率而提升操作反應速度之外，更能降低開始驅動負載前之整體系統功率消耗，而達到省電效益。

請參考第4圖，第4圖為本發明實施例之一驅動電路40之示意圖。驅動電路40係用來實現本發明流程30，其包含有一運算放大器402、一 偵測單元404及一偏壓電流控制單元406。運算放大器402用來根據一輸入電壓VI，產生一輸出電壓VO至一負載LOAD。偵測單元404用來偵測一迴轉率操作訊號SR，並判斷迴轉率操作訊號SR之訊號週期大小，以產生一判斷訊號SD。於迴轉率操作訊號SR之訊號週期期間，偏壓電流控制單元406用來根據判斷訊號SD，產生一高偏壓電流調變訊號HI與一低偏壓電流調變訊號LI至運算放大器402。簡言之，於迴轉率操作訊號期間，偏壓電流控制單元406會產生高偏壓電流調變訊號HI提供給運算放大器402，如此一來，運算放大器402之偏壓電流將據以加強，且其內部迴轉率將會隨之提升，而達到所需的迴轉率。進一步地，在迴轉率操作訊號之訊號週期期間，當運算放大器402之內部迴轉率被提升之後，一直到開始驅動負載LOAD之前，運算放大器402通常毋需進行其他操作，因此，偏壓電流控制單元406會產生低偏壓電流調變訊號LI提供給運算放大器402，使得運算放大器402於開始驅動負載LOAD之前可以降低其操作偏壓電流，而不需消耗不必要的電流，而能使系統功率的達到更有效的利用。

在本發明實施例中，較佳地，高偏壓電流調變訊號HI係大於運算 放大器402正常操作時所需之偏壓電流大小。同理，低偏壓電流調變訊號LI係小於運算放大器402正常操作時所需之偏壓電流大小。因此，當高偏壓電流調變訊號HI被提供予運算放大器402時，將能順利地提昇運算放大器402之迴轉率。當低偏壓電流調變訊號LI被提供予運算放大器402時，由於運算放大器402無任何操作需求，因此，低偏壓電流調變訊號LI將不會對運算放大器402的操作造成任何影響，隨之而來的，將可降低系統的損耗。當然，為了能使運算放大器402達到所需的迴轉率，高偏壓電流調變訊號HI除了電流大小會大於運算放大器402正常操作時所需之偏壓電流大小之外，高偏壓電流調變訊號HI之頻率及訊號週期，將會依據所需的迴轉率而做適當的變化。此外，低偏壓電流調變訊號LI除了電流大小會小於運算放大器402正常 操作時所需之偏壓電流大小之外，其頻率及訊號週期，也可依據系統的設計，例如運算放大器402開始驅動負載LOAD的時機，而做適當的變化。

另一方面，迴轉率操作訊號SR可作為進行迴轉率提升之一指示 訊號。例如，迴轉率操作訊號SR可被產生於一負載輸入訊號LD起始前。在此情況下，偏壓電流控制單元406將會於迴轉率操作訊號SR之訊號週期期間中，完成提升運算放大器402之迴轉率的程序，如此一來，於開始驅動負載LOAD之前即擁有足夠的驅動能力。舉例來說，偏壓電流控制單元406可於迴轉率操作訊號SR之一訊號週期期間中，依序產生高偏壓電流調變訊號HI與低偏壓電流調變訊號LI至運算放大器402。在此情況下，若高偏壓電流調變訊號HI之訊號週期與低偏壓電流調變訊號LI之訊號週期之總和等於迴轉率操作訊號SR之訊號週期，則表示驅動電路40將能充分地利用迴轉率操作訊號SR的訊號週期長度，而能於開始驅動負載LOAD之前，擁有足夠的驅動能力，並有效地節省不必要的電力消耗，以達到最佳化的系統效能。當然，高偏壓電流調變訊號HI之訊號週期與低偏壓電流調變訊號LI之訊號週期之總和亦可大於或小於迴轉率操作訊號SR之訊號週期。

此外，當判斷訊號SD指示迴轉率操作訊號SR之訊號週期小於高 偏壓電流調變訊號HI之訊號週期時，偏壓電流控制單元406可產生高偏壓電流調變訊號HI與低偏壓電流調變訊號LI至運算放大器402。當判斷訊號SD指示迴轉率操作訊號SR之訊號週期大於高偏壓電流調變訊號HI之訊號週期時，偏壓電流控制單元406可產生高偏壓電流調變訊號HI至運算放大器402。

為了清楚說明驅動電路40之操作方式，以下進一步舉例說明，請 參考第5圖，第5圖為第4圖之驅動電路40之相關訊號波形圖。若驅動電路40被應用至一液晶顯示器中，用來驅動液晶畫素，也就是說，負載LOAD為 液晶畫素(電容負載)。如第5圖所示，負載輸入訊號LD係為一週期性的脈波訊號，當負載輸入訊號LD處於低準位時，運算放大器402會對負載LOAD進行充放電動作。反之，當負載輸入訊號LD處於高準位時，運算放大器402不會對負載LOAD進行充放電動作。在此實施例中，可利用高準位之負載輸入訊號LD作為迴轉率操作訊號SR，也就是說，將T1期間與T2期間之負載輸入訊號LD視為迴轉率操作訊號SR。因此，當驅動電路40開始運作時，首先，偵測單元404可偵測迴轉率操作訊號SR，並於偵測到迴轉率操作訊號SR之後，判斷迴轉率操作訊號SR之訊號週期大小，以產生判斷訊號SD。 接著，於T1期間，偏壓電流控制單元406根據判斷訊號SD，產生高偏壓電流調變訊號HI至運算放大器402，以提昇運算放大器402之內部迴轉率。於T2期間，偏壓電流控制單元406根據判斷訊號SD，產生低偏壓電流調變訊號LI至運算放大器402，而能使驅動電路40於T2期間消耗最少的電能。到了T3期間，由於運算放大器402已具有足夠的驅動能力，因此輸出電壓VO便能於最短的時間內上升到所需的準位，而完成驅動目的。

綜上所述，本發明可依據系統需求而動態調整運算放大器之偏壓 電流的機制，將可於運算放大器開始對外部負載進行充放電之前，適時地完成提升運算放大器之內部迴轉率的目的，並於剩餘的等待時間中提供低偏壓電流，以減少系統的消耗。換言之，本發明可讓運算放大器於驅動外部負載之前，即擁有足夠的驅動能力，並能有效地節省不必要的電力消耗，以達到最佳化的系統效能。

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。

40‧‧‧驅動電路

402‧‧‧運算放大器

404‧‧‧偵測單元

406‧‧‧偏壓電流控制單元

HI‧‧‧高偏壓電流調變訊號

LI‧‧‧低偏壓電流調變訊號

LOAD‧‧‧負載

SD‧‧‧判斷訊號

SR‧‧‧迴轉率操作訊號

VI‧‧‧輸入電壓

VO‧‧‧輸出電壓

Claims (10)

1. 一種用於一運算放大器之偏壓電流控制方法，該偏壓電流控制方法包含有：接收一負載輸入訊號並判斷該負載輸入訊號之訊號週期大小以產生一判斷訊號，其中該負載輸入訊號用以控制該運算放大器對一負載進行充放電動作；以及根據該判斷訊號產生一偏壓電流調變訊號至該運算放大器，包含有：根據該判斷訊號與該負載輸入訊號，於該負載輸入訊號之一訊號週期期間中，依序產生一高偏壓電流調變訊號與一低偏壓電流調變訊號至該運算放大器。
2. 如請求項1所述之偏壓電流控制方法，其中根據該判斷訊號產生該偏壓電流調變訊號至該運算放大器之步驟係於該判斷訊號指示該負載輸入訊號之訊號週期小於該高偏壓電流調變訊號之訊號週期時，產生該高偏壓電流調變訊號與該低偏壓電流調變訊號至該運算放大器。
3. 如請求項1所述之偏壓電流控制方法，其另包含於該判斷訊號指示該負載輸入訊號之訊號週期大於該高偏壓電流調變訊號之訊號週期時，僅於該負載輸入訊號之該訊號週期期間中，產生該高偏壓電流調變訊號至該運算放大器。
4. 如請求項1所述之偏壓電流控制方法，其中該負載輸入訊號之訊號週期等於該高偏壓電流調變訊號之訊號週期與該低偏壓電流調變訊號之訊號週期之總和。
5. 如請求項1所述之偏壓電流控制方法，其中該偏壓電流調變訊號包含該 高偏壓電流調變訊號及該低偏壓電流調變訊號，該高偏壓電流調變訊號係大於該運算放大器正常操作時所需之偏壓電流大小，且該低偏壓電流調變訊號係小於該運算放大器正常操作時所需之偏壓電流大小。
6. 一種驅動電路，包含有一運算放大器；一偵測單元，用來接收一負載輸入訊號，並判斷該負載輸入訊號之週期大小以產生一判斷訊號，其中該負載輸入訊號控制該運算放大器對一負載進行充放電動作；以及一偏壓電流控制單元，耦接於該運算放大器與該偵測單元，用來根據該判斷訊號產生一偏壓電流調變訊號至該運算放大器；其中該偏壓電流控制單元係根據該判斷訊號與該負載輸入訊號，於該負載輸入訊號之一訊號週期期間，依序產生一高偏壓電流調變訊號與一低偏壓電流調變訊號至該運算放大器。
7. 如請求項6所述之驅動電路，其中該偏壓電流控制單元係於該判斷訊號指示該負載輸入訊號之訊號週期小於該高偏壓電流調變訊號之訊號週期時，產生該高偏壓電流調變訊號與該低偏壓電流調變訊號至該運算放大器。
8. 如請求項6所述之驅動電路，其中於該判斷訊號指示該負載輸入訊號之訊號週期大於該高偏壓電流調變訊號之訊號週期時，該偏壓電流控制單元僅於該負載輸入訊號期間之一訊號週期期間，產生該高偏壓電流調變訊號至該運算放大器。
9. 如請求項6所述之驅動電路，其中該負載輸入訊號之訊號週期等於該高 偏壓電流調變訊號之訊號週期與該低偏壓電流調變訊號之訊號週期之總和。
10. 如請求項6所述之驅動電路，其中該偏壓電流調變訊號包含該高偏壓電流調變訊號及該低偏壓電流調變訊號，該高偏壓電流調變訊號係大於該運算放大器正常操作時所需之偏壓電流大小，且該低偏壓電流調變訊號係小於該運算放大器正常操作時所需之偏壓電流大小。