运算放大器的制作方法

本发明涉及一种运算放大器，尤其涉及一种具有高压摆率(slew rate)的运算放大器。

背景技术：

运算放大器(operational amplifier)广泛应用于各种电路中，用来实现不同功能，如信号放大、稳定输出、信号驱动等。举例来说，在液晶显示器(liquid crystal display，LCD)的源极驱动电路中，其输出端往往需使用运算放大器作为缓冲器(buffer)，以驱动面板上的数据线。随着面板分辨率愈来愈高，对画质的要求也逐渐提升，画面的帧率(frame rate)也随之而提升。在此情形下，大幅提高了缓冲器驱动数据线的速度要求，因此，运算放大器需具备高压摆率以满足此要求。

传统上，高压摆率往往是通过较大的偏置电流(bias current)来实现。在一般运算放大器中，偏置电流源所输出的偏置电流大小与压摆率成正比，当偏置电流愈大时，驱动输出端到达预定电压的速度也愈快。然而，在偏置电流较大的情况下，运算放大器的耗电也随之而增加。再者，源极驱动电路所需的运算放大器数量十分庞大，故整体增加的电源消耗相当可观。

对此，业界已提出多种同时解决运算放大器压摆率以及耗电问题的方法，例如，台湾专利第I328341号、台湾专利第I349425号及台湾专利第I344262号都提出了一种方法，其可在输出电压距离预定电压较远时提升偏置电流的大小以提高压摆率，使得输出电压加速到达预定电压，并在输出电压接近预定电压时降低偏置电流的大小以节省耗电。然而，随着液晶显示器的分辨率的提升以及高帧率的需求，上述解决方案已不敷使用。

技术实现要素：

因此，实有必要提出另一种运算放大器结构，可同时满足高压摆率及低耗电的需求，以用于具有高分辨率与高帧率的液晶显示器的驱动电路。

本发明公开一种运算放大器，其包含一输入单元、一输出单元、一放大单元及一控制单元。该输入单元可用来接收一差分输入电压，以产生一偏置电流。该输出单元包含一第一晶体管及一第二晶体管，可用来产生一输出电压。该放大单元耦接于该输入单元及该输出单元之间，可用来接收该偏置电流，以根据该偏置电流控制该第一晶体管及该第二晶体管开启或关闭，进而控制该输出电压的大小。该控制单元耦接于该放大单元，可用来接收该差分输入电压，并在该差分输入电压的差异大于一临界值时，输出一增益电流(gain current)到该放大单元。

附图说明

图1为现有一运算放大器的示意图。

图2为本发明实施例一运算放大器的示意图。

图3为图2中控制单元的一种实施方式的示意图。

图4为图2中运算放大器的一种实施方式的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10、20 运算放大器

102、202 输入单元

104、204 放大单元

106、206 输出单元

108 补偿电容单元

VDD、VSS 电源

VB1 偏置电压

V+ 正输入电压

V- 负输入电压

Vout 输出电压

S1、S2、404_1、404_2 偏置电流源

210 控制单元

Ib、Ibp、Ibn 偏置电流

Ig、Igp、Ign 增益电流

302 比较器

304_1、304_2 增益电流源

Mp1～Mp8、Mn1～Mn8 晶体管

Mp9、Mn9 输出晶体管

Ctlp、Ctln、Np1、Nn1 端点

Np2、Nn2 输出端点

C1、C2 电容

具体实施方式

请参考图1，图1为现有一运算放大器10的示意图。如图1所示，运算放大器10包含一输入单元102、一放大单元104、一输出单元106及一补偿电容单元108。运算放大器10可接收电源VDD及VSS以及偏置电压(bias voltage)VB1以进行运作，其中，输入单元102可接收一差分输入电压，其包含一正输入电压V+及一负输入电压V-。输出单元106则产生一输出电压Vout。输入单元102并包含偏置电流源(bias current source)S1及S2，用来提供运算放大器10运作所需的电流。当正输入电压V+发生变化时，运算放大器10的运作可使负输入电压V-追随正输入电压V+变化。若将用来接收负输入电压V-的输入端连接于运算放大器10的输出端，可形成一缓冲器，其可作为驱动电路(例如液晶显示器的源极驱动电路)的输出端。在此情形下，当正输入电压V+发生变化时，输出电压Vout会随着正输入电压V+进行变化。

如上所述，若欲使输出电压Vout随着正输入电压V+变化的速度增加，需提升运算放大器10的压摆率，此时，可调整偏置电流源S1及S2使其输出更大的偏置电流，然而，当偏置电流增加时，运算放大器10的耗电量也同步增加。为解决此问题，本发明可在运算放大器10中加入一控制单元，当正输入电压V+与负输入电压V-的差异较大时，启动控制单元的运作使得负输入电压V-追随正输入电压V+变化的速度加快，平时则关闭控制单元以节省电源消耗。

详细来说，请参考图2，图2为本发明实施例一运算放大器20的示意图。如图2所示，运算放大器20包含一输入单元202、一放大单元204、一输出单元206及一控制单元210。输入单元202可接收一差分输入电压，并产生一偏置电流Ib。放大单元204耦接于输入单元202及输出单元206，可用来接收偏置电流Ib，以根据偏置电流Ib来控制输出单元206中的输出晶体管开启或关闭，进而控制输出电压Vout的大小。在一实施例中，为使运算放大器20的运作稳定，可在放大单元204及输出单元206之间设置一补偿电容单元，用来进行频率补偿。控制单元210耦接于放大单元204，可接收差分输入电压(即正输入电压V+与负输入电压V-)，以在差分输入电压的差异大于一临界值时，输出一增益电流Ig到放大单元204。如图2所示，在此例中，负输入电压V-等于输出电压Vout，表示运算放大器20的负输入端与输出端相连，代表运算放大器20作为缓冲器的情形。该缓冲器可接收电压Vin并输出电压Vout。但在其它实施例中，负输入电压V-也可能不等于输出电压Vout，例如，当运算放大器20的输出端通过电阻与负输入端相连时，输出电压Vout可能与负输入电压V-具有特定关系(例如成正比)但不相等。在另一实施例中，运算放大器20也可不使用负反馈结构，此时输出电压Vout与负输入电压V-无明显的关联性。

请参考图3，图3为控制单元210的一种实施方式的示意图。如图3所示，控制单元210包含一比较器302及增益电流源304_1及304_2。比较器302可接收正输入电压V+及负输入电压V-，以比较正输入电压V+与负输入电压V-的大小。增益电流源304_1耦接于比较器302，可在正输入电压V+大于负输入电压V-且其差异大于临界值时，输出增益电流Igp。增益电流源304_2耦接于比较器302，可在负输入电压V-大于正输入电压V+且其差异大于临界值时，输出增益电流Ign。详细来说，当正输入电压V+上升到大于负输入电压V-且其差异超过一临界值(即晶体管Mn1的临界电压(threshold voltage，Vth))时，晶体管Mn1会开启，使得端点Ctlp的电压下降，以开启晶体管Mp2。此时，增益电流源304_1所产生的增益电流Igp即可通过晶体管Mp2并加以输出。当正输入电压V+下降到小于负输入电压V-且其差异超过一临界值(即晶体管Mp1的临界电压)时，晶体管Mp1会开启，使得端点Ctln的电压上升，以开启晶体管Mn2。此时，增益电流源304_2所产生的增益电流Ign即可通过晶体管Mn2并加以输出。另一方面，当正输入电压V+的大小接近于或等于负输入电压V-的大小时，晶体管Mn1、Mp1、Mn2及Mp2都不会开启，因此增益电流源304_1及304_2都不会输出增益电流。

请参考图4，图4为运算放大器20的一种实施方式的示意图。在图4中，运算放大器20接收电源VDD及VSS以及偏置电压VB1来进行运作。其中，控制单元210采用图3所绘出的架构。输入单元202包含输入对Mn3、Mn4及输入对Mp3、Mp4以及偏置电流源404_1、404_2。其中，输入对Mn3、Mn4及Mp3、Mp4用来接收差分输入电压，其包含正输入电压V+及负输入电压V-。偏置电流源404_1耦接于输入对Mn3、Mn4，可用来产生偏置电流Ibp，并输出偏置电流Ibp到放大单元204。偏置电流源404_2耦接于输入对Mp3、Mp4，可用来产生偏置电流Ibn，并输出偏置电流Ibn到放大单元204。偏置电流Ibp、Ibn为恒定的电流，其电流值大小可决定运算放大器20的常态耗电量大小。接着，在放大单元204中，晶体管Mp5～Mp8构成一第一电流镜(current mirror)，晶体管Mn5～Mn8构成一第二电流镜。输出单元206则包含输出晶体管Mp9及Mn9。放大单元204可输出信号来控制输出晶体管Mp9及Mn9开启或关闭，进而控制输出电压Vout的大小。运算放大器20还包含电容C1及C2，用来构成补偿电容单元，使得运算放大器20具有良好的频率响应，可稳定进行运作。

当运算放大器20作为电路缓冲器或电压放大器时，输出端可通过负反馈的方式耦接于负输入端，使得输出电压Vout等于负输入电压V-或与负输入电压V-具有特定关系(例如成正比)。详细来说，当正输入电压V+上升到大于负输入电压V-且其差异超过临界值时，控制单元210的增益电流源304_1输出增益电流Igp到放大单元204中的端点Np1；在放大单元204中，晶体管Mp5～Mp8所形成的第一电流镜可将增益电流Igp反射到放大单元204的一输出端点Np2，使得输出端点Np2的电压下降，以控制输出晶体管Mp9开启。在此情形下，输出单元206的输出端与电压源VDD之间的路径导通，使得输出电压Vout上升，并通过负反馈推升负输入电压V-。当负输入电压V-上升到等于正输入电压V+时，输出晶体管Mp9关闭，控制单元210则停止运作，此时运算放大器20的耗电仅来自于偏置电流源404_1及404_2，可节省电源消耗。另一方面，当正输入电压V+下降到小于负输入电压V-且其差异超过临界值时，控制单元210的增益电流源304_2输出增益电流Ign到放大单元204中的端点Nn1；在放大单元204中，晶体管Mn5～Mn8所形成的第二电流镜可将增益电流Ign反射到放大单元204的一输出端点Nn2，使得输出端点Nn2的电压上升，以控制输出晶体管Mn9开启。在此情形下，输出单元206的输出端与电压源VSS之间的路径导通，使得输出电压Vout下降，并通过负反馈下拉负输入电压V-。当负输入电压V-下降到等于正输入电压V+时，输出晶体管Mn9关闭，控制单元210则停止运作，此时运算放大器20的耗电仅来自于偏置电流源404_1及404_2，可节省电源消耗。

上述控制单元210的运作可通过增益电流来推动放大单元204及输出单元206，以在正输入电压V+与负输入电压V-的差异较大的瞬间，增加放大单元204中的电流，进而提升运算放大器20的压摆率，使得输出电压Vout更快产生反应。需注意的是，现有技术是在差分输入电压差异较大时，通过比较器的比较来控制偏置电流源输出较大电流，实际电流需再通过输入对的比较才到达放大单元。相较之下，本发明是将比较器对差分输入电压进行比较以后产生的增益电流直接输入放大单元，而不另外对输入单元及其输入对进行控制。在此情形下，本发明的增益电流可直接进入放大单元来提升压摆率，而不需另外通过输入对。因此，在相同电流大小之下，本发明可实现更高的压摆率，即本发明的运算放大器具有更快的反应速度，更适用于具有高分辨率及高帧率的液晶显示器。

值得注意的是，本发明可通过控制单元产生增益电流，在正输入电压V+与负输入电压V-的差异较大时通过增益电流来提升运算放大器的压摆率，其它时间则关闭控制单元以节省耗电。本领域的技术人员当可据此进行修饰或变化，而不限于此。举例来说，上述图3及图4的电路结构仅为本发明众多实施方式当中的一种，实际电路可依系统需求进行修饰，而不限于此。例如，图4中的电容C1及C2可根据频率响应要求，选择性地进行设置。此外，图4的运算放大器为折叠式共源共栅(folded cascode)结构，但在其它实施例中，也可采用其它运算放大器结构，如双极串接式(two-stage)结构，而不限于此。

在现有技术中，运算放大器的高压摆率往往通过较大的偏置电流来实现。在一般运算放大器中，偏置电流源所输出的偏置电流大小与压摆率成正比，当偏置电流愈大时，驱动输出端到达预定电压的速度也愈快。然而，在偏置电流较大的情况下，运算放大器的耗电也随之而增加。相较之下，本发明的运算放大器具有独立于输入单元的一控制单元，控制单元可在正输入电压与负输入电压的差异较大时，产生增益电流并输出到放大单元，以提升压摆率来提高输出电压变化的速率，其它时间则关闭以节省耗电。在此情形下，本发明的运算放大器可同时满足高压摆率及低耗电的需求，适用于具有高分辨率与高帧率的液晶显示器的驱动电路。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。