高速运算放大器及其运作方法
【专利摘要】一种高速运算放大器，包含输入端、输出端及至少一转换速率增益电路。每一转换速率增益电路包含第一级增益单元及第二级增益单元。第一级增益单元耦接于输入端与输出端之间。第一级增益单元与第二级增益单元互相耦接。转换速率增益电路具有临界电压，且临界电压的高低是与第一级增益单元的尺寸大小有关。当临界电压被驱动时，转换速率增益电路快速启动第二级增益单元对高速运算放大器进行速度补偿。
【专利说明】高速运算放大器及其运作方法
【技术领域】
[0001]本发明是与运算放大器有关，特别是关于一种应用于液晶显示面板的模拟数据传输的高速运算放大器及其运作方法。
【背景技术】
[0002]随着液晶显示技术不断进步，面板尺寸及像素亦随之增加。为了满足大尺寸及高画质液晶显示装置的需求，应用于液晶显示面板的模拟数据传输的运算放大器的电压转换速率(slew rate)亦需随之提升，才不会让使用者发现到面板上不同像素的数据传递出现落差。
[0003]所谓的电压转换速率，简称为压摆率，其定义是于I微秒时间内电压升高的幅度，以方波而言，就是电压由波谷升到波峰所需的时间，其单位通常为V/s，V/ms或V/μ S。在运算放大器中，电压转换速率是影响诱发瞬态互调失真的一个重要参数，是衡量运算放大器在速度方面的一大指标。运算放大器的电压转换速率是指运算放大器对猝发信号或脉冲信号的跟随或响应能力，即瞬态响应能力。若运算放大器的电压转换速率较慢将会导致瞬态互调失真升高。
[0004]一般而言，传统具有高电压转换速率的运算放大器大致可分为两类型:第一种是直接将运算放大器的电流源增加，但此方式可能导致整个电路的静态功耗亦随之增加；另一种则是采用电压转换速率增益(Slew Rate Enhancement, SRE)电路。
[0005]请参照图1及图2，图1及图2是分别图示传统的运算放大器电路中的电压转换速率增益电路的不同型式。传统的运算放大器电路是通过图1的第一电压转换速率增益电路SREl以及图2的第二电压转换速率增益电路SRE2对运算放大器电路的输入端INP与输出端OUT进行感测，以提供适当的速度补偿给运算放大器电路。
[0006]然而，由于传统的第一电压转换速率增益电路SREl及第二电压转换速率增益电路SRE2是利用晶体管的临界电压作为判断是否提供速度补偿的依据，当输入端INP与输出端OUT之间的压差大于晶体管的临界电压时，才会被触发以提供运算放大器电路适当的速度补偿。这将导致调整触发转换速率增益电路的临界电压的弹性降低，并且当运算放大器电路的数据改变不大时，转换速率增益电路可能刚被触发后又马上被关闭，故无法有效增加运算放大器电路的速度。
[0007]此外，传统的运算放大器电路的另一个缺点在于:若比较输入端INP与输出端OUT的电压的晶体管Ml或Ml’的基极(Bulk或Body)与源极(Source)无法彼此连接,将会使得晶体管Ml或Ml’产生基体效应(body effect)，亦即晶体管Ml或Ml’的临界电压将会随着源极电压的变化而改变，导致触发转换速率增益电路的临界电压的大小会改变，难以定量地提供速度补偿。并且，传统的第一电压转换速率增益电路SREl及第二电压转换速率增益电路SRE2均仅采用一级增益来驱动运算放大器电路，其进行速度补偿的速度较慢，已无法符合现今的需求。
【发明内容】
[0008]因此，本发明提出一种应用于液晶显示面板的模拟数据传输的高速运算放大器及其运作方法，以解决上述问题。
[0009]本发明的一范畴在于提出一种高速运算放大器，不仅可弹性调整触发转换速率增益电路的临界电压，以加快转换速率增益电路的启动速度，还可通过二级增益来驱动高速运算放大器，故能够提供更快及更大的驱动能力来增加高速运算放大器的速度。
[0010]根据本发明的一具体实施例为一种高速运算放大器。于此实施例中，高速运算放大器包含输入端、输出端及至少一转换速率增益电路。该至少一转换速率增益电路中的一转换速率增益电路包含第一级增益单元及第二级增益单元。第一级增益单元耦接于输入端与输出端之间。第一级增益单元与第二级增益单元互相耦接。转换速率增益电路具有临界电压，且临界电压的高低是与第一级增益单元的尺寸大小有关。当临界电压被驱动时，转换速率增益电路快速启动第二级增益单元对高速运算放大器进行速度补偿。
[0011]于一实施例中，第一级增益单元包含第一晶体管及第二晶体管。第一晶体管及第二晶体管是分别耦接输入端与输出端。第二级增益单元包含第三晶体管。第三晶体管耦接第一晶体管。
[0012]于一实施例中，第一级增益单元进一步包含第四晶体管、第五晶体管及第六晶体管。第四晶体管与第五晶体管彼此耦接。第四晶体管是耦接第一晶体管及第三晶体管。第五晶体管是耦接第二晶体管。第六晶体管耦接第一晶体管、第二晶体管及接地端。
[0013]于一实施例中，第一晶体管、第二晶体管及第六晶体管为N型金氧半场效晶体管(MOSFET)且第三晶体管、第四晶体管及第五晶体管为P型金氧半场效晶体管。
[0014]于一实施例中，第一晶体管、第二晶体管及第六晶体管为P型金氧半场效晶体管且第三晶体管、第四晶体管及第五晶体管为N型金氧半场效晶体管。
[0015]于一实施例中，临界电压的高低是与第一级增益单元的第一晶体管及第二晶体管的尺寸大小有关。
[0016]本发明的另一范畴在于提出一种高速运算放大器运作方法。根据本发明的另一具体实施例为一种高速运算放大器运作方法。于此实施例中，高速运算放大器运作方法用以运作高速运算放大器。高速运算放大器包含输入端、输出端及至少一转换速率增益电路。该至少一转换速率增益电路中的一转换速率增益电路包含第一级增益单元及第二级增益单元。转换速率增益电路具有临界电压，且临界电压的高低是与第一级增益单元的尺寸大小有关。该方法包含下列步骤:将第一级增益单元耦接于输入端与输出端之间，并将第二级增益单元耦接第一级增益单元；以及当临界电压被驱动时，转换速率增益电路快速启动第二级增益单元对高速运算放大器进行速度补偿。
[0017]相较于现有技术，根据本发明的高速运算放大器及其运作方法是应用于液晶显示面板的模拟数据传输，其特征在于:可弹性调整触发转换速率增益电路的临界电压，以加快转换速率增益电路的启动速度，还可通过二级增益来驱动高速运算放大器，故能够提供更快及更大的驱动能力来增加高速运算放大器的速度。
[0018]关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为传统运算放大器电路的第一电压转换速率增益电路的示意图。
[0020]图2为传统运算放大器电路的第二电压转换速率增益电路的示意图。
[0021]图3为根据本发明的一实施例的运算放大器电路的示意图。
[0022]图4为图3中的运算放大器电路的第一电压转换速率增益电路的一实施例。
[0023]图5为图3中的运算放大器电路的第二电压转换速率增益电路的一实施例。
[0024]图6为现有技术与本发明的运算放大器电路的电压转换速率比较图。
[0025]图7为根据本发明的另一具体实施例的运算放大器电路运作方法的流程图。
[0026]主要组件符号说明:
[0027]SlO?S16:流程步骤
[0028]SRE1、SRE2:电压转换速率增益电路
[0029]INN、INP:输入端
[0030]OUT:输出端
[0031]Ml ?M6、M1’ ?Μ6’、MPl ?ΜΡ2、MNl ?ΜΝ2:晶体管开关
[0032]CMP、CMN:接点
[0033]I1、12:电流源
[0034]OS:输出级
[0035]GSUGS1’:第一级增益单元
[0036]GS2、GS2’:第二级增益单元
[0037]K1、K2:运算放大器电路的电压转换速率曲线
【具体实施方式】
[0038]根据本发明的一较佳具体实施例为一种高速运算放大器。于此实施例中，高速运算放大器不仅可弹性调整触发转换速率增益电路的临界电压，以加快转换速率增益电路的启动速度，还可通过二级增益来驱动高速运算放大器，故能够提供更快及更大的驱动能力来增加高速运算放大器的速度。
[0039]请参照图3，图3为此实施例的运算放大器电路的示意图。如图3所示，高速运算放大器包含输入端INP及INN、输出端OUT、电流源Il?12、P型晶体管开关MPl?MP2、N型晶体管开关丽I?丽2、输出级OS及转换速率增益电路SREl?SRE2。其中，P型晶体管开关MPl的两端分别耦接至接点CMP及输出级OS ；P型晶体管开关MP2的两端分别耦接至接点CMP及输出级OS ;N型晶体管开关丽I的两端分别耦接至接点CMN及输出级OS ;N型晶体管开关丽2的两端分别耦接至接点CMN及输出级OS ；电流源Il耦接接点CMP ；电流源12耦接于接点CMPN与接地端之间；转换速率增益电路SREl耦接至输入端INP、输出端OUT及接点CMP ;转换速率增益电路SRE2耦接至输入端INP、输出端OUT及接点CMN ;N型晶体管开关丽I与P型晶体管开关MPl均耦接至输入端INN ；N型晶体管开关丽2与P型晶体管开关MP2均耦接至输入端INP ;输出级OS耦接输出端OUT。
[0040]请参照图4，图4为图3中的运算放大器电路的第一电压转换速率增益电路SREl的一实施例。需说明的是，图4所图示的电路架构仅为电压转换速率增益电路SREl的一种可能的实施例，并不以此为限。如图4所示，转换速率增益电路SREl包含第一级增益单元GSl与第二级增益单元GS2。其中，第一级增益单元GSl包含晶体管Ml、M2、M4、M5及M6，并且晶体管Ml、M2及M6为N型晶体管开关且晶体管M4及M5为P型晶体管开关；第二级增益单元GS2包含晶体管M3，并且晶体管M3为P型晶体管开关。第一级增益单元GSl与第二级增益单元GS2是互相耦接。实际上，P型晶体管开关可以是P型金氧半场效晶体管(MOSFET) ；N型晶体管开关可以是N型金氧半场效晶体管。
[0041]晶体管Ml I禹接于晶体管M4与晶体管M6之间，并且其闸极I禹接输入端INP ;晶体管M2耦接于晶体管M5与晶体管M6之间，并且其闸极耦接输出端OUT ;晶体管M3的一端耦接晶体管M4及晶体管M5的一端，晶体管M3的另一端耦接至接点CMP，并且其闸极耦接至晶体管M4与晶体管Ml之间；晶体管M4的闸极耦接晶体管M5的闸极以及晶体管M5与晶体管M2之间；晶体管M6是耦接晶体管Ml、M2及接地端。
[0042]需说明的是，第一电压转换速率增益电路SREl具有一临界电压，且第一电压转换速率增益电路SREl的临界电压的高低是与第一级增益单元GSl的尺寸大小有关。更详细地说，第一电压转换速率增益电路SREl的临界电压的高低是与第一级增益单元GSl中的晶体管Ml及M2的尺寸大小有关。因此，通过改变第一级增益单元GSl中的晶体管Ml及M2的尺寸大小，即可视实际需求调整第一电压转换速率增益电路SREl的临界电压的高低，故较不易由于数据改变量不够大而导致电压转换速率增益电路无法驱动。此外，第一电压转换速率增益电路SREl较不易受到基体效应(body effect)的影响，不会因为输入端INP的输入电压不同而导致临界电压改变。当临界电压被驱动时，第一电压转换速率增益电路SREl将会快速启动第二级增益单元GS2对高速运算放大器进行速度补偿。
[0043]请参照图5，图5为图3中的运算放大器电路的第二电压转换速率增益电路SRE2的一实施例。需说明的是，图5所图示的电路架构仅为电压转换速率增益电路SRE2的一种可能的实施例，并不以此为限。如图5所示，转换速率增益电路SRE2包含第一级增益单元GS1’与第二级增益单元GS2’。其中，第一级增益单元GS1’包含晶体管肌’、12’、114’、皿5’及M6’，并且晶体管Ml’、M2’及M6’为P型晶体管开关且晶体管M4’及M5’为N型晶体管开关；第二级增益单元GS2’包含晶体管M3’，并且晶体管M3’为N型晶体管开关。第一级增益单元GS1’与第二级增益单元GS2’是互相耦接。实际上，P型晶体管开关可以是P型金氧半场效晶体管；N型晶体管开关可以是N型金氧半场效晶体管。
[0044]晶体管Ml’稱接于晶体管M6’与晶体管M4’之间，并且其闸极稱接输入端INP ;晶体管M2’耦接于晶体管M6’与晶体管M5’之间，并且其闸极耦接输出端OUT ;晶体管M3’的一端耦接晶体管M4’及晶体管M5’的一端，晶体管M3’的另一端耦接至接点CMN，并且其闸极耦接至晶体管Ml’与晶体管M4’之间；晶体管M4’的闸极耦接晶体管M5’的闸极以及晶体管M2’与晶体管M5’之间；晶体管M6’是耦接晶体管Ml’及M2’。
[0045]需说明的是，第二电压转换速率增益电路SRE2亦具有一临界电压，且第二电压转换速率增益电路SRE2的临界电压的高低是与第一级增益单元GS1’的尺寸大小有关。更详细地说，第二电压转换速率增益电路SRE2的临界电压的高低是与第一级增益单元GS1’中的晶体管Ml’及M2’的尺寸大小有关。因此，通过改变第一级增益单元GS1’中的晶体管Ml’及M2’的尺寸大小，即可视实际需求调整第二电压转换速率增益电路SRE2的临界电压的高低，故较不易由于数据改变量不够大而导致电压转换速率增益电路无法驱动。此外，第二电压转换速率增益电路SRE2较不易受到基体效应的影响，不会因为输入端INP的输入电压不同而导致临界电压改变。当临界电压被驱动时，第二电压转换速率增益电路SRE2将会快速启动第二级增益单元GS2’对高速运算放大器进行速度补偿。
[0046]请参照图6，图6为现有技术与本发明的运算放大器电路的电压转换速率曲线比较图。由图6可知:相较于如同图6中的曲线K2所示的现有技术采用图1及图2所示的电压转换速率增益电路所得到的电压转换速率，本发明的运算放大器电路采用图4及图5所示的电压转换速率增益电路SREl与SRE2所得到的电压转换速率是如同图6中的曲线Kl一样具有较陡的斜率，代表本发明的运算放大器电路的电压转换速率明显地较现有技术的运算放大器电路的电压转换速率来得快。其原因在于:本发明的运算放大器电路可弹性调整触发转换速率增益电路的临界电压，以加快转换速率增益电路的启动速度，还可通过二级增益来驱动高速运算放大器，故能够提供更快及更大的驱动能力来增加高速运算放大器的电压转换速率。
[0047]根据本发明的另一较佳具体实施例为一种高速运算放大器运作方法。于此实施例中，高速运算放大器运作方法是用以运作高速运算放大器。高速运算放大器包含输入端、输出端及至少一转换速率增益电路。该至少一转换速率增益电路中的一转换速率增益电路包含第一级增益单元及第二级增益单元。转换速率增益电路具有临界电压，且临界电压的高低是与第一级增益单元的尺寸大小有关。
[0048]请参照图7，图7为根据本发明的另一具体实施例的运算放大器电路运作方法的流程图。如图7所示，该方法包含下列步骤:于步骤SlO中，将第一级增益单元耦接于输入端与输出端之间；于步骤S12中，将第二级增益单元耦接第一级增益单元；于步骤S14中，当临界电压被驱动时，转换速率增益电路快速启动第二级增益单元对高速运算放大器进行速度补偿。实际上，该方法亦可执行步骤S16，通过改变第一级增益单元的尺寸大小的方式调整转换速率增益电路的临界电压的高低。关于第一级增益单元及第二级增益单元的详细构造及运作情形请参考上述实施例中的相关叙述，于此不另行赘述。
[0049]相较于现有技术，根据本发明的高速运算放大器及其运作方法是应用于液晶显示面板的模拟数据传输，其特征在于:可弹性调整触发转换速率增益电路的临界电压，以加快转换速率增益电路的启动速度，还可通过二级增益来驱动高速运算放大器，故能够提供更快及更大的驱动能力来增加高速运算放大器的速度。
[0050]通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
【权利要求】
1.一种高速运算放大器，其特征在于，包含: 一输入端； 一输出端；以及 至少一转换速率增益电路，该至少一转换速率增益电路中的一转换速率增益电路包含一第一级增益单元及一第二级增益单元，该第一级增益单元耦接于该输入端与该输出端之间，该第一级增益单元与该第二级增益单元互相耦接，该转换速率增益电路具有一临界电压，且该临界电压的高低是与该第一级增益单元的尺寸大小有关，当该临界电压被驱动时，该转换速率增益电路快速启动该第二级增益单元对该高速运算放大器进行速度补偿。
2.如权利要求1所述的高速运算放大器，其特征在于，该第一级增益单元包含一第一晶体管及一第二晶体管，该第一晶体管及该第二晶体管是分别耦接该输入端与该输出端，该第二级增益单元包含一第三晶体管，该第三晶体管耦接该第一晶体管。
3.如权利要求2所述的高速运算放大器，其特征在于，该第一级增益单元进一步包含一第四晶体管、一第五晶体管及一第六晶体管，该第四晶体管与该第五晶体管彼此耦接，该第四晶体管是耦接该第一晶体管及该第三晶体管，该第五晶体管是耦接该第二晶体管，该第六晶体管耦接该第一晶体管、该第二晶体管及接地端。
4.如权利要求3所述的高速运算放大器，其特征在于，该第一晶体管、该第二晶体管及该第六晶体管为~型金氧半场效晶体管且该第三晶体管、该第四晶体管及该第五晶体管为？型金氧半场效晶体管。
5.如权利要求3所述的高速运算放大器，其特征在于，该第一晶体管、该第二晶体管及该第六晶体管为？型金氧半场效晶体管且该第三晶体管、该第四晶体管及该第五晶体管为^型金氧半场效晶体管。
6.如权利要求2所述的高速运算放大器，其特征在于，该临界电压的高低是与该第一级增益单元的该第一晶体管及该第二晶体管的尺寸大小有关。
7.一种高速运算放大器运作方法，用以运作一高速运算放大器，该高速运算放大器包含一输入端、一输出端及至少一转换速率增益电路，该至少一转换速率增益电路中的一转换速率增益电路包含一第一级增益单元及一第二级增益单元，该转换速率增益电路具有一临界电压，且该临界电压的高低是与该第一级增益单元的尺寸大小有关，其特征在于，该方法包含下列步骤: 将该第一级增益单元耦接于该输入端与该输出端之间，并将该第二级增益单元耦接该第一级增益单元；以及 当该临界电压被驱动时，该转换速率增益电路快速启动该第二级增益单元对该高速运算放大器进行速度补偿。
8.如权利要求7所述的高速运算放大器运作方法，其特征在于，该第一级增益单元包含一第一晶体管及一第二晶体管，该第一晶体管及该第二晶体管是分别耦接该输入端与该输出端，该第二级增益单元包含一第三晶体管，该第三晶体管耦接该第一晶体管。
9.如权利要求8所述的高速运算放大器运作方法，其特征在于，该第一级增益单元进一步包含一第四晶体管、一第五晶体管及一第六晶体管，该第四晶体管与该第五晶体管彼此耦接，该第四晶体管是耦接该第一晶体管及该第三晶体管，该第五晶体管是耦接该第二晶体管，该第六晶体管耦接该第一晶体管、该第二晶体管及接地端。
10.如权利要求9所述的高速运算放大器运作方法，其特征在于，该第一晶体管、该第二晶体管及该第六晶体管为~型金氧半场效晶体管且该第三晶体管、该第四晶体管及该第五晶体管为？型金氧半场效晶体管。
11.如权利要求9所述的高速运算放大器运作方法，其特征在于，该第一晶体管、该第二晶体管及该第六晶体管为？型金氧半场效晶体管且该第三晶体管、该第四晶体管及该第五晶体管为~型金氧半场效晶体管。
12.如权利要求8所述的高速运算放大器运作方法，其特征在于，该临界电压的高低是与该第一级增益单元的该第一晶体管及该第二晶体管的尺寸大小有关。
【文档编号】H03F1/02GK104348433SQ201310478239
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年8月6日
【发明者】林柏成 申请人:瑞鼎科技股份有限公司