本发明涉及驱动电路及其使用的运算放大器电路，且特别涉及一种能够在不同操作电压之间切换的驱动电路及运算放大器电路。
背景技术：
随着电子工业的科技进步，移动电话以及携带式装置在日常生活中已被广为使用。移动电话通常具有平板显示器以显示信息，而在许多种类的平板显示器中，液晶显示为最成熟且最普及的技术。随着对于显示器尺寸与解析度的需求提高，源极驱动器的输出缓冲放大器数量也跟着增加。因此，输出缓冲放大器的功率消耗大大决定源极驱动器功率消耗。另外，随着便携式电子产品功能越来越复杂，输出缓冲器的低功率消耗要求变得非常重要。
技术实现要素：
本公开其中的一目的在于提供能够在不同操作电压之间切换的驱动电路及运算放大器电路。根据本公开所提出的电路架构，驱动电路及运算放大器电路的功率消耗能够降低。
根据本发明的一实施例，提出一种驱动电路。驱动电路包括第一运算放大器电路、第二运算放大器电路、以及电源切换电路。第一运算放大器电路包括第一输入级电路以及第一输出级电路。第一输入级电路接收第一输入信号，并转换第一输入信号以产生第一信号。第一输出级电路产生第一输出信号。第二运算放大器电路包括第二输入级电路以及第二输出级电路。第二输入级电路接收第二输入信号，并转换第二输入信号以产生第二信号。第二输出级电路产生第二输出信号。电源切换电路耦接第一输入级电路及第二输入级电路，电源切换电路包括第一输出端响应于控制信号以输出第一信号与第二信号的其中之一、第二输出端响应于控制信号以输出第一信号与第二信号的其中的另一个。第一输出级电路耦接电源切换电路的第一输出端，第二输出级电路耦接电源切换电路的第二输出端，电源切换电路用以响应于控制信号将第一输入级电路与第二输入级电路的第一电源供应切换于第一供应电压与第二供应电压之间。
根据本发明的另一实施例，提出一种用于驱动面板的驱动电路中的运算放大器电路。运算放大器电路包括输入级电路、输出级电路、以及第一电源切换电路。输入级电路接收作为输入信号的伽马电压，并转换输入信号以产生第一信号，其中输入信号具有在第一输入范围和第二输入范围之间动态变化的输入范围。输出级电路耦接输入级电路，接收第一信号以产生输出信号。第一电源切换电路耦接输入级电路，第一电源切换电路根据输入信号是位于第一输入范围或第二输入范围，将输入级电路的第一电源供应切换于第一供应电压与第二供应电压之间。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1绘示一种包括运算放大器电路的输出缓冲电路的范例示意图。
图2绘示依据本发明一实施例运算放大器的方块图。
图3绘示依据本发明一实施例输入级电路的方块图。
图4绘示依据本发明一实施例输出级电路的方块图。
图5绘示依据本发明一实施例包括两个电源切换电路的运算放大器电路的方块图。
图6绘示依据本发明一实施例包括第二差分对的输入级电路的方块图。
图7绘示依据本发明一实施例包括切换装置的运算放大器电路的方块图。
图8绘示依据本发明一实施例驱动电路的方块图。
图9A绘示依据本发明一实施例运算放大器的示意图。
图9B绘示依据本发明一实施例可搭配如图9A所示运算放大器使用的运算放大器的示意图。
图10A绘示依据本发明一实施例运算放大器的示意图。
图10B绘示依据本发明一实施例可搭配如图10A所示运算放大器使用的运算放大器的示意图。
图11A绘示依据本发明一实施例运算放大器的示意图。
图11B绘示依据本发明一实施例可搭配如图11A所示运算放大器使用的运算放大器的示意图。
图12A绘示依据本发明一实施例运算放大器的示意图。
图12B绘示依据本发明一实施例可搭配如图12A所示运算放大器使用的运算放大器的示意图。
图13A绘示依据本发明一实施例运算放大器的示意图。
图13B绘示依据本发明一实施例可搭配如图13A所示运算放大器使用的运算放大器的示意图。
图14A绘示依据本发明一实施例运算放大器的示意图。
图14B绘示依据本发明一实施例可搭配如图14A所示运算放大器使用的运算放大器的示意图。
图15A绘示依据本发明一实施例运算放大器的示意图。
图15B绘示依据本发明一实施例可搭配如图15A所示运算放大器使用的运算放大器的示意图。
图16A绘示依据本发明一实施例运算放大器的示意图。
图16B绘示依据本发明一实施例可搭配如图16A所示运算放大器使用的运算放大器的示意图。
具体实施方式
图1绘示一种包括运算放大器电路10的输出缓冲电路的范例示意图。在此范例中，运算放大器电路10的输出端耦接至其负输入端以形成缓冲电路，运算放大器电路10的正输入端作为缓冲电路的输入。运算放大器电路10可由正电源供应(例如+18V、+VDD)以及负电源供应(例如0V、GND、-VSS)供电。运算放大器电路10的充放电操作与功率消耗取决于正电源供应及负电源供应。
在以下的说明中，将提供一种能够根据输入伽马(Gamma)电压而切换不同操作电压的运算放大器电路。在一实施例中，供应至运算放大器电路的电压范围能够缩小，以降低功率消耗。另外亦提供一种使用此运算放大器电路的驱动电路。如图1所示的输出缓冲电路将作为以下多个实施例运算放大器电路的说明性例子，亦即，运算放大器电路的输出端反馈至运算放大器电路的其中一输入端。然而，应当理解如图1所示的电路配置仅为示例性，而非用以限定本发明，以下所提供的运算放大器电路也可应用于其他电路配置中。
图2绘示依据本发明一实施例运算放大器的方块图。运算放大器电路10 包括输入级电路100、输出级电路140、以及第一电源切换电路110。输入级电路100接收作为输入信号Vin的伽马电压，并转换输入信号Vin以产生信号Va。输入信号Vin具有在第一输入范围和第二输入范围之间动态变化的输入范围。输出级电路140耦接输入级电路100，接收信号Va以产生输出信号 Vout。第一电源切换电路110耦接输入级电路100，第一电源切换电路110根据输入信号Vin是位于第一输入范围或第二输入范围，将输入级电路100的第一电源供应(例如正电源供应)切换于第一供应电压V1与第二供应电压V2 之间。
输入信号Vin是用于驱动显示装置中像素的伽马电压。在一实施例中，输入信号Vin的第一输入范围可以高于第二输入范围。举例而言，第一输入范围可对应于具有正极性的电压，而第二输入范围可对应于具有负极性的电压。若是输入信号Vin位于第二输入范围时，则降低正电源供应的电压并不会影响电路功能的正确性。一种切换操作电压的范例如下：当输入信号Vin 位于第一输入范围时，输入级电路100由第一供应电压V1供电，例如是+18V；当输入信号Vin位于第二输入范围时，输入级电路100由第二供应电压V2 供电，例如是+9V。藉由动态调整运算放大器电路10的供应电压，能够有效降低功率消耗。以下将说明关于图2所示各个电路方块的实施例。
在一实施例中，第一电源切换电路110包括多工器(MUX)。多工器用以根据输入信号Vin是位于第一输入范围或第二输入范围，藉由多工(multiplex) 第一供应电压V1与第二供应电压V2以产生输入级电路100的第一电源供应。在一实施例中，多工器接收一控制信号，此控制信号指示输入信号Vin是位于第一输入范围或第二输入范围。
图3绘示依据本发明一实施例输入级电路的方块图。输入级电路100包括第一差分对电路101，第一差分对电路101通过第一电流源105耦接第一电源切换电路110，并通过第二电流源106耦接第三供应电压V3。第一电流源105以及第二电流源106的一种可能实作方式为电流镜(current mirror)电路。第一差分对电路101可以是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS) 差分对、p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)差分对、NMOS差分对与PMOS差分对的组合、或双极性晶体管(BJT)差分对。
在一实施例中，第二供应电压V2介于第一供应电压V1与第三供应电压V3之间。需注意的是，在图3中第一供应电压V1、第二供应电压V2、第三供应电压V3所绘示的相对位置并不一定对应于相对的电压高低。
在一实施例中，第一差分对电路101是NMOS差分对电路，且第一供应电压V1大于第二供应电压V2，第二供应电压V2大于第三供应电压V3。举例而言，第一供应电压V1＝+18V、第二供应电压V2＝+9V、第三供应电压 V3＝0V。在此例子中电源供应的全范围(full range)是18V。
输入级电路100有两种操作模式，在第一模式中，正电源供应与负电源供应分别是第一供应电压V1与第三供应电压V3；在第二模式中，正电源供应与负电源供应分别是第二供应电压V2与第三供应电压V3。在以下的说明中，由第一供应电压V1与第三供应电压V3组成的供应对(supply pair)，可称为全范围，而由“第一供应电压V1与第二供应电压V2”或由“第二供应电压V2与第三供应电压V3”组成的供应对，可称为半范围(half range)。而此处虽然使用名称“半范围”，然而第二供应电压V2并不一定是恰好为第一供应电压V1与第三供应电压V3的中间值。举例而言，第一供应电压V1、第二供应电压V2、第三供应电压V3可以分别是+10V、+5.5V、0V。在本公开中所提供关于第一供应电压V1、第二供应电压V2、第三供应电压V3的电压电平皆仅为示例性说明，而非用以限定本发明。
在另一实施例中，第一差分对电路101是PMOS差分对电路，且第三供应电压V3大于第二供应电压V2，第二供应电压V2大于第一供应电压V1。亦即，在第一模式中，正电源供应与负电源供应分别是第三供应电压V3与第二供应电压V2；在第二模式中，正电源供应与负电源供应分别是第三供应电压V3与第一供应电压V1。
图4绘示依据本发明一实施例输出级电路的方块图。在此实施例中，输出级电路140是由第一供应电压V1与第二供应电压V2供电。输出级电路140 包括偏置电路141，偏置电路141通过上拉装置142耦接第一供应电压V1，并通过下拉装置143耦接第二供应电压V2。上拉装置142可包括PMOS晶体管，下拉装置143可包括NMOS晶体管。在另一实施例中，输出级电路140 是由第二供应电压V2与第三供应电压供电V3。如图4所示，输出级电路140 是由半范围供电，因此能够降低功率消耗。
图5绘示依据本发明一实施例包括两个电源切换电路的运算放大器电路的方块图。在此实施例中，除了如图2所示的第一电源切换电路110以外，运算放大器电路11还包括第二电源切换电路120。第二电源切换电路120耦接输入级电路100，第二电源切换电路120将输入级电路100的第二电源供应(例如是负电源供应)切换于第二供应电压V2与第三供应电压V3之间。
在图5所示的实施例中，输入级电路100有两种操作模式。在第一模式中，正电源供应与负电源供应分别是第一供应电压V1与第二供应电压V2；在第二模式中，正电源供应与负电源供应分别是第二供应电压V2与第三供应电压V3。
图6绘示依据本发明一实施例包括第二差分对的输入级电路的方块图。在此实施例中，除了图3所示的第一差分对电路101以外，输入级电路100 还包括第二差分对电路102。第二差分对电路102通过第三电流源107耦接第二电源切换电路120，并通过第四电流源108耦接第一供应电压V1。第三电流源107与第四电流源108可由电流镜电路实作。第一差分对电路101与第二差分对电路102可包括具有不同极性的晶体管。举例而言，第一差分对电路101是NMOS差分对，而第二差分对电路102是PMOS差分对。在此实施例中，第一供应电压V1大于第二供应电压V2，第二供应电压V2大于第三供应电压V3。第二差分对电路102输出信号Vb，信号Vb与第一差分对电路101输出的信号Va可以不同。输出级电路140接收信号Va与信号Vb以产生输出信号Vout。
图7绘示依据本发明一实施例包括切换装置的运算放大器电路的方块图。在此实施例中，运算放大器电路12包括切换装置130，切换装置130耦接于输入级电路100与输出级电路140之间。切换装置130用以根据输入信号Vin 是位于第一输入范围或第二输入范围，多工信号Va与另一输入级电路产生的另一信号Va′。
举例而言，切换装置130耦接两个输入级电路，各输入级电路可以依照如图3或图6所示的实施例实作，切换装置130将这两个输入级电路的输出多工后传送至输出级电路140。在一实施例中，输入级电路100也可以耦接第二电源切换电路120，以切换输入级电路100的第二电源供应，如图5实施例所示。在一实施例中，两个如图7所示的运算放大器电路可以组合以形成驱动电路，如图8所绘示。
图8绘示依据本发明一实施例驱动电路的方块图。驱动电路20包括第一运算放大器电路、第二运算放大器电路、以及电源切换电路300。第一运算放大器电路包括第一输入级电路100以及第一输出级电路140，以产生第一输出信号Vout1。第一输入级电路100接收第一输入信号Vin1，并转换第一输入信号Vin1以产生第一信号Va1。第二运算放大器电路包括第二输入级电路200以及第二输出级电路240，以产生第二输出信号Vout2。第二输入级电路200接收第二输入信号Vin2，并转换第二输入信号Vin2以产生第二信号 Va2。
电源切换电路300耦接第一输入级电路100及第二输入级电路200，电源切换电路300包括第一输出端及第二输出端。响应于控制信号CTR，第一输出端输出第一信号Va1与第二信号Va2的其中之一；响应于控制信号CTR，第二输出端输出第一信号Va1与第二信号Va2的其中的另一个。第一输出级电路140耦接电源切换电路300的第一输出端，第二输出级电路240耦接电源切换电路300的第二输出端。电源切换电路300用以响应于控制信号CTR 将第一输入级电路100与第二输入级电路200的第一电源供应(例如正电源供应)切换于第一供应电压V1与第二供应电压V2之间。
图8所示的驱动电路20可视为两个如图2到图7所示运算放大器电路实施例的组合。电源切换电路300不仅用以切换两个输入级电路100与200的供应电压，并且控制第一输入级电路100、第二输入级电路200、第一输出级电路140、第二输出级电路240之间的耦合关系。控制信号CTR指示第一输入信号Vin1是位于第一输入范围或第二输入范围。
举例而言，驱动电路20的全范围(例如0V到18V)可区分为上半范围(例如9V到18V)以及下半范围(例如0V到9V)。第一输出级电路140可专用于操作在上半范围，而第二输出级电路240可专用于操作在下半范围。当第一输入信号Vin1位于第一输入范围时，响应于控制信号CTR第一输入级电路 100耦接至第一输出级电路140；当第一输入信号Vin1位于第二输入范围时，响应于控制信号CTR第一输入级电路100耦接至第二输出级电路240。接收第二输入信号Vin2的第二输入级电路200与上述的工作原理类似。在此实施例中，对于第一输出级电路140与第二输出级电路240的供应电压是半范围，对于第一输入级电路100与第二输入级电路200的供应电压可根据控制信号 CTR而切换。因此，驱动电路20能够切换操作电压而能够降低功率消耗。
在一实施例中，第一输入级电路100包括第一差分对电路，通过第一电流源耦接第三供应电压V3，一种范例方块图可参考图3。第一输入级电路100 可选择性地再包括第二差分对电路，如图6所示。第二输入级电路200可与第一输入级电路100具有类似的电路结构。举例而言，第二输入级电路200 包括第三差分对电路，通过第三电流源耦接第三供应电压V3。第二供应电压 V2介于第一供应电压V1与第三供应电压V3之间。
在一实施例中，第一输入级电路100的第一差分对电路是NMOS差分对电路，第二输入级电路200的第三差分对电路是另一NMOS差分对电路，且第一供应电压V1大于第二供应电压V2，第二供应电压V2大于第三供应电压V3。在另一实施例中，第一输入级电路100的第一差分对电路是PMOS 差分对电路，第二输入级电路200的第三差分对电路是另一PMOS差分对电路，且第三供应电压V3大于第二供应电压V2，第二供应电压V2大于第一供应电压V1。
在一实施例中，第一输出级电路140是由第一供应电压V1与第二供应电压V2供电，第二输出级电路240是由第二供应电压V2与第三供应电压 V3供电。亦即，第一输出级电路140与第二输出级电路240用于不同的操作电压条件。第一输出级电路140的方块图可参考图4，第二输出级电路240 可与第一输出级电路140具有类似的电路结构。
在一实施例中，电源切换电路300还用以将第一输入级电路100与第二输入级电路200的第二电源供应(例如负电源供应)切换于第二供应电压V2与第三供应电压V3之间，范例可以参考图5所示的运算放大器11，其具有第一电源切换电路110及第二电源切换电路120。
在一实施例中，除了第一差分对电路以外，第一输入级电路100还包括第二差分对电路，第二差分对电路通过第二电流源耦接第一供应电压V1，一个相关的范例可参考图6。类似地，除了第三差分对电路以外，第二输入级电路200还包括第四差分对电路，第四差分对电路通过第四电流源耦接第一供应电压V1。第一供应电压V1大于第二供应电压V2，第二供应电压V2大于第三供应电压V3。
多个关于驱动电路及其使用的运算放大器电路的实施例可参考图9A到图16B。在以下的说明中，在相同数字编号的两个图示中(例如图9A及图9B) 所绘示的运算放大器电路，可以一起搭配使用而形成如图8所示的驱动电路。其中编号A的图示中的运算放大器电路将被称为第一运算放大器电路，编号 B的图示中的运算放大器电路将被称为第二运算放大器电路。举例而言，图10A的运算放大器电路可与图10B的运算放大器电路组合而形成驱动电路，这同样适用于图11A与图11B、图12A与图12B、其余依此类推。
图9A绘示依据本发明一实施例运算放大器的示意图。图9B绘示依据本发明一实施例可搭配如图9A所示运算放大器使用的运算放大器的示意图。可同时参考图4，在此实施例中，第一运算放大器电路的输出级电路140的上拉装置142包括PMOS晶体管MP1，下拉装置143包括NMOS晶体管MN1。图9A所示第一运算放大器电路的输出级电路140由第一供应电压V1与第二供应电压V2供电。图9B所示第二运算放大器电路具有类似的输出级电路，包括晶体管MP2及晶体管MN2，并由第二供应电压V2与第三供应电压V3 供电。输出级电路140当中的晶体管尺寸足够大以提供负载电路足够的驱动能力。如图9A及图9B所示的输出级电路140架构亦将使用于以下多个实施例当中，然而本发明并不限定于如此的输出级架构。
图9A实施例使用的电路架构可对应于图6的实施例。第一输入级电路 100包括第一差分对电路101及第二差分对电路102。图6当中的第一电流源 105、第二电流源106、第三电流源107、第四电流源108、第一电源切换电路110、第二电源切换电路120可分别对应于图9当中的电流镜115、电流源 I11、电流镜116、电流源I12、多工器111(多工器112也可选择性并入第一电源切换电路110当中)、多工器121(可选择性与多工器122组合)。电流镜115 及电流镜116设定偏置电路141的操作点。图9B的第二运算放大器电路与图 9A具有类似架构。
多工器111、多工器121、多工器211、及多工器221控制输入级电路的供应电压，多工器112、多工器122、多工器212、及多工器222控制两个输入级电路与两个输出级电路之间的耦合关系，如图8所示，图8当中的电源切换电路300包括图9A及图9B所示的全部多工器。节点N1、N2、N3、N4、 N5、N6、N7、N8代表第一运算放大器电路与第二运算放大器电路之间的连接。举例而言，图9A的节点N1耦接图9B的节点N1、图9A的节点N2耦接图9B的节点N2、依此类推。在此实施例中，在第一运算放大器电路与第二运算放大器电路之间需要八个连接线(N1到N8)。
图8的电源切换电路300(包括图9A及图9B的全部多工器)根据第一输入信号Vin1及第二输入信号Vin2以控制操作模式。举例而言，当控制信号 CTR指示第一输入信号Vin1是在第一输入范围(例如高伽马电压)，多工器111 选择第一供应电压V1，多工器121选择第二供应电压V2，多工器112及多工器122使图9A的输入级电路耦接至图9A的输出级电路，图9A的输出级电路由第一供应电压V1及第二供应电压V2供电。当第一输入信号Vin1是在第二输入范围(例如低伽马电压)，多工器111选择第二供应电压V2，多工器121选择第三供应电压V3，多工器112及多工器122使图9A的输入级电路耦接至图9B的输出级电路，图9B的输出级电路由第二供应电压V2及第三供应电压V3供电。类似地，第二运算放大器电路的操作可根据第二输入信号Vin2而控制。在一实施例中，图9A及图9B的全部多工器可由相同的控制信号CTR控制，取决于电路实现，可能需要在第一运算放大器电路和第二运算放大器电路之间进行信号极性反转。
藉由调整工艺，运算放大器电路的输入级可以由单一差分对电路而实现，图10A到图13B绘示利用单一差分对电路架构的实施例。图10A及图10B 所示实施例类似于图9A及图9B，差别在于输入级电路仅包括一个差分对电路，因此与图9A及图9B的实施例相比，可以降低硬件电路面积。图10A的第一差分对电路101以及图10B的第三差分对电路201皆为NMOS差分对。图10A及图10B所组成驱动电路的操作类似于图9A及图9B，因此不再重复赘述。图11A及图11B所示实施例类似于图10A及图10B，差别在于NMOS 差分对置换为PMOS差分对，图11A的第二差分对电路102以及图11B的第四差分对电路202皆为PMOS差分对。在图10A到图11B所使用的电路架构可对应于图5所示的实施例。
图12A及图12B绘示驱动电路一种更简单的电路实现。在此实施例中，第一运算放大器电路包括一个差分对电路(第一差分对电路101)以及一个电源切换电路(多工器111与多工器112组合)，此实施例中移除了第二电源切换电路(多工器121与多工器122组合)。对应的方块图可参考图3。当第一输入信号Vin1是在第一输入范围，多工器111选择第一供应电压V1，多工器112 使图12A的输入级电路耦接至图12A的输出级电路，图12A的输出级电路由第一供应电压V1及第二供应电压V2供电，图12A的偏置电路141通过电流镜116耦接第二供应电压V2。当第一输入信号Vin1是在第二输入范围，多工器111选择第二供应电压V2，多工器112使图12A的输入级电路耦接至图 12B的输出级电路，图12B的输出级电路由第二供应电压V2及第三供应电压V3供电，图12B的偏置电路241通过电流镜216耦接第三供应电压V3。
在此实施例中，由于需要的多工器数量减少，所需的硬件面积降低。此外也可以减少线路成本，在第一运算放大器电路与第二运算放大器电路之间仅需四个连接线(N1到N4)，相较于先前所述实施例需要八个连接线。图13A 及图13B所示实施例类似于图12A及图12B，差别在于NMOS差分对置换为 PMOS差分对。
图14A及图14B绘示运算放大器电路一种不同的电路架构。在此实施例中，电流源I13及电流源I14设定偏置电路141的操作点，电流源I23及电流源 I24设定偏置电路241的操作点。偏置电路141具有两个连接端点，而图9A 的偏置电路141则是具有四个连接端点。多工器112是2对1多工器，而图 9A的多工器112则是4对1的多工器。第一运算放大器电路与第二运算放大器电路之间需要四个连接线(N1到N4)。由于线路减少以及简化的多工器，所以与图9A的实施例相比可以降低硬件成本。此实施例的操作方式，包括切换不同供应电压以及切换输入级电路与输出级电路之间的连接，与图9A实施例类似。
图15A到图16B绘示修改图14A及图14B为单一差分对电路架构的实施例，因此能进一步降低硬件电路面积。图15A的第一差分对电路101及图 15B的第三差分对电路201皆为NMOS差分对，在此实施例中，第一运算放大器电路与第二运算放大器电路之间仅需两个连接线(N1与N2)。图16A与图16B所示实施例类似于图15A及图15B，差别在于NMOS差分对置换为 PMOS差分对，图16A的第二差分对电路102及图16B的第四差分对电路202 皆为PMOS差分对。
根据上述的多个实施例，本公开的运算放大器电路包括电源切换电路，用以根据输入信号的电压而切换不同供应电压。可藉由组合两个运算放大器而形成能够切换供应电压的驱动电路。藉由设定适当的供应电压以及耦接关系，驱动电路能够正常工作并且降低功率消耗。举例而言，若是驱动电路由半范围供电，则功率消耗可降为一半。此外，本公开提供多种不同的电路实现，在这些实施例中亦包括一些电路简化技巧以降低硬件成本。由此可看出，使驱动电路具备省电能力不需增加太多的额外硬件面积。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。